автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Создание новой комплексной технологии производства сталемедной проволоки на основе непрерывной прокатки-прессования биметаллической заготовки

Введение.

1. Анализ современных технологий производства сталемедной проволоки.

1.1. Подготовка исходных компонентов.

1.2. Формирование составной биметаллической заготовки.

1.3. Нагрев составной биметаллической заготовки.

1.4.Соединение (сварка) компонентов биметалла путем их совместной пластической деформации.

1.4.1. Физико-химические процессы при сварке давлением.

1.4.2. Соединение (сварка) компонентов биметалла путем их совместной пластической деформации.:.

1.5. Охлаждение и восстановление поверхности биметаллического изделия

1.6. Волочение до потребительского диаметра сталемедной проволоки.

1.7. Постановка цели и задач исследования.

2. Разработка и теоретический анализ процесса сварки биметаллической заготовки путем прокатки-прессования.

2.1. Разработка процесса сварки при совместной пластической деформации компонентов.

2.2. Система калибровки валков и ее параметры.

2.3. Идентификация биметаллической заготовки как приведенной (эквивалентной) полосы.

2.3.1. Внешнее (контактное) трение.

2.3.2. Сопротивление деформации.

2.3.3.Относительная деформация.

2.4. Энергосиловые параметры процесса прокатка-прессование.

2.4.1. Мощность на бочке валков.

2.4.2. Мощность внутренних сил.

2.4.3. Мощность трения скольжения в очаге деформации.

2.4.4. Усилие подпора в межочаговом участке биметаллической заготовки

2.4.5. Критический угол в приводной паре валков.

2.5. Стабильность процесса прокатка-прессование.

2.6. Нормальные контактные напряжения в очагах деформации при прокатке-прессовании.

2.7. Формоизменение заготовки при прокатке-прессовании.

2.7.1. Закон сохранения энергии (ЗСЭ).

2.7.2. Закон наименьшей энергии (ЗНЭ).

2.7.3. Совместное решение уравнений ЗСЭ и ЗНЭ.

2.7.4. Исходные уравнения.

2.7.5. Решение задачи.

2.8. Напряженно-деформированное состояние заготовки и температурный режим при сварке компонентов в процессе прокатка-прессование.

2.9. Математическая модель процесса прокатка-прессование биметаллической заготовки (БМЗ).

3. Разработка операций и оборудования для реализации технологии производства сталемедной проволоки и их исследование.

3.1. Очистка поверхности медной ленты.

3.2. Электролитическая очистка стальной проволоки и нагрев биметаллической заготовки.

3.3. К вопросу об определении температуры нагрева заготовки в электролитно-плазменной ванне.

3.4. Сварка продольного шва медной оболочки.

3.5. Сварка компонентов биметаллической заготовки путем совместной пластической деформации.

3.6. Восстановление поверхности медной оболочки.

4. Создание и освоение промышленной линии производства сталемедной проволоки.

4.1 Организация входного контроля.

4.2. Линия получения заготовки (БСМ-1).

4.3. Линия сварки стального сердечника с медной оболочкой (БСМ-2).

4.4. Возможные причины дефектов и брака при производстве БСМ-провода.

4.5. Алгоритм управления качеством сталемедной проволоки.

4.6. Технические показатели работы линии по изготовлению сталемедной проволоки СМ 4 и СМ 6.

Расширяющееся использование в различных отраслях техники многослойных материалов позволяет получать изделия не только с качественно новыми ;войствами, но и достигать существенной экономии дорогостоящих и дефицитных материалов их компонентов - цветных металлов. В связи с этим поиск об-настей эффективной замены изделий из цветных металлов на биметаллические, создание, исследование и освоение новых ресурсосберегающих технологий производства, позволяющих повысить их качество, является актуальной проблемой.

В настоящее время в ряду важнейших стоят вопросы дальнейшей электрификации железных дорог и городского транспорта, строительство сетей высоковольтных линий электропередач и линий связи, производства отечественной электронной техники, соответствующей мировым стандартам, требующие коренного улучшения качества и увеличения объема производства в России биметаллических проводниковых материалов и, в первую очередь, сталемедной проволоки.

Так, например, в подвесных контактных сетях железнодорожного транспорта сталемедная проволока применяется для изготовления проводов, несущих, фиксирующих и рессорных тросов, струн и т.д. В настоящее время сеть электрифицированных железных дорог России имеет протяженность около 40 тыс. км. и существует тенденция ее расширения. В частности, на электрическую тягу переводятся линии, связывающие морские порты Мурманска и Архангельска с центром и востоком страны, предстоит строительство высокоскоростной магистрали Санкт-Петербург - Москва, а затем и ряда других линий. Ожидается дальнейшая электрификация железных дорог Украины и Казахстана, для которых потребуется биметаллическая проволока и провода. Кроме того, в обозримом будущем намечается рост объемов капитального ремонта существующей контактной сети.

До последнего времени практически весь объем отечественного производства сталемедной проволоки был сосредоточен на Магнитогорском метизно-металлургическом заводе, имеющем единственный в России специализированный цех биметалла по выпуску сталемедной проволоки широкого сортамента металлургическим способом, который состоит из медеплавильного, прокатного, травильного, волочильного и термического отделений. Несмотря на мероприятия по совершенствованию металлургической технологии, она остается высокотрудоемкой и экологически опасной, создавая постоянную угрозу для здоровья людей и окружающей среды. Кроме того, сравнительный анализ отечественного стандарта на биметаллическую сталемедную проволоку ГОСТ -3822, разработанного с учетом возможностей металлургического способа, со стандартами промышленно развитых стран (США, Германия, Япония) показал более низкий уровень требований к основным служебным свойствам отечественной продукции и свидетельствует о необходимости перехода к новым технологиям, основанным на современных прогрессивных тенденциях производства изделий из слоистых композиционных материалов.

В Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова была разработана технология изготовления сталемедной проволоки, основанная на соединении компонентов биметалла в твердой фазе с непрерывным формированием заготовки. Результаты технологических и конструкторских разработок реализованы в виде непрерывной линии для сборки составной биметаллической заготовки и ее горячей прокатки в -цехе биметалла Магнитогорского метизно-металлургического завода.

Силами СП "Уралтранс" разработана и реализована альтернативная технология подобной схемы для производства сталемедной проволоки СМ 4 и СМ 6 и изделий из нее, отвечающей требованиям ГОСТ 4775-91, разработанного ВНИИЖТ, и конкурентоспособной на внутреннем и внешнем рынке. Проволока марок СМ 4 и СМ 6 применяется для воздушных линий слабого и сильного тока систем электроснабжения железных дорог и для изготовления многопроволочных проводов контактных сетей. Провода проволочные сталемедные марок ПСМ сечением 70, 95 и 120 мм применяются в системах электроснабжения железных дорог, в том числе контактных сетях, для эксплуатации в любых микроклиматических условиях. На предприятии смонтирована и запущена в работу линия для получения проволоки СМ 6, СМ 4, CMC 2,5, СМ 2,2 и последующего изготовления троса ПСМ 70, 95 и 120 мм . С сентября 1997 г. начат выпуск изделий СМ 4, СМ 6, ПСМ 95 ПСМ 120 в соответствии с ТУ-3185-686-17175399-97 и ТУ-3185-695-17175399-97. Планируется построить 4 аналогичные линии по производству сталемедного провода с тем, чтобы полностью обеспечить потребность МПС проводами СМ и тросом ПСМ.

Основные выводы по работе: 1. На основе анализа известных схем сварки компонентов биметаллической заготовки путем их совместной пластической деформации разработан процесс прокатки-прессования в двух последовательно расположенных очагах деформации, образованных парами приводных горизонтальных и неприводных вертикальных валков. Показано, что по сравнению с традиционной непрерывной прокаткой в двух приводных клетях, в том числе с многовалковыми калибрами, прокатка-прессование обладает не только простотой управления процессом, но и имеет такие технологические преимущества, как более благоприятная схема напряженно-деформированного состояния биметаллической заготовки, способствующая интенсификации процессов схватывания и диффузии металлов в процессе их сварки и формоизменения для получения совершенного профиля изделия.

2. Впервые разработана математическая модель процесса прокатки-прессования биметаллической заготовки по схеме «круг - овал - круг», включающая комплекс уравнений связывающих геометрию калибров, кинематику и энергосиловые параметры, устойчивость процесса и позволяющая при стабилизированных входных и выходных параметрах определить требуемое сочетание параметров очагов деформации в приводной и неприводной парах валков. При разработке математической модели в основу были положены решения на базе уравнений закона сохранения энергии и закона наименьшей энергии. Использование математической модели при создании и освоении новой технологической линии производства сталемедной проволоки показало хорошую сходимость с практическими результатами и высокую степень достоверности их прогнозирования.

3. Разработаны высокоэффективные и экологически безопасные технологии очистки металлической поверхности и нагрева биметаллической заготовки в электролитно-плазменных ваннах, что позволило унифицировать два процесса на одной основе.

4. Создан простой, экологически чистый и эффективный комбинированный процесс восстановления поверхности и охлаждения сталемедной проволоки в потоке технологической линии путем ее взаимодействия со спиртовым раствором при температуре 500 - 600 °С.

5. Впервые разработан алгоритм управления качеством в технологических линиях производства биметаллических изделий, включающий обратные связи и управляющие воздействия.

6. Создана, освоена и находится в промышленной эксплуатации линия по производству сталемедной проволоки СМ4 и СМ6, широко используемой в подвесных контактных сетях электрифицированного железнодорожного транспорта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дальнейшее развитие ряда отраслей промышленности и, в первую очередь, электрифицированного железнодорожного транспорта, выдвинуло требования коренного повышения качества выпускаемых в России биметаллических материалов и, в особенности, сталемедной проволоки. Анализ применяемого до сих пор металлургического способа производства такой продукции показал, что он полностью не соответствует современному уровню требований как с позиций экологической безопасности, так и с точки зрения трудоемкости процессов, их технико-экономических показателей и качества производимых изделий. Работа, выполненная работниками Магнитогорского государственного технического университета им. И.Г.Носова и направленная- на решение этой проблемы, позволила сделать существенный шаг в развитии альтернативной технологии производства сталемедной проволоки, исключающей устаревшие операции металлургического передела. Параллельно исследования и разработки в аналогичном направлении проводились в СП "Уралтранс", результатом которых явилась настоящая диссертация, в которой созданы и освоены в промышленности новая комплексная технология изготовления биметаллической сталемедной проволоки и непрерывная линия для ее производства, отвечающие современным требованиям по экологической безопасности, ресурсосбережению и качеству продукции. Полученные в процессе исследований новые научные результаты и разработки могут быть положены в основу создания технологических линий аналогичного назначения последующих поколений, в том числе, при изготовлении биметаллических изделий других композиций.

1. Тарнавский А А., Гурылев В.В., Щуровский Б.В. Биметаллическая проволока. - М.: Металлургиздат, 1963. - 124 е., ил.

2. Семенов А.П. Схватывание металлов. М.: Машгиз, 1958. - 280 е., ил.

3. Каракозов Э.С. Сварка металлов. М.: Машиностроение, 1986. - 280 е., ил.

4. Бояршинов М.И., Заморцева И.Н. Влияние различных факторов на сцепление меди со сталью в твердом состоянии //Сб. научных трудов МГМИ, вып. 11. Магнитогорск, 1957.

5. A.c. 1227280 СССР, МКИ5. В 21 В 45/04. Способ очистки поверхности металлических изделий /Марченко A.B., Стеблянко B.JI., Солдатенко А.Ф., Селезнев В.Г., Аркулис Г.Э. Опубл. 30.04.86. Бюл. №16.

6. A.c. 1729652 СССР, МКИ5. В 21 С 43/04. Устройство для очистки длинномерных изделий /Стеблянко B.JL, Блинов B.C., Ситников И.В., Опубл. 30.04.92. Бюл. №16.

7. A.c. 1747213 СССР, МКИ5. В 08 В 7/04. Способ очистки металлических поверхностей /Стеблянко B.JL, Ситников И.В., Люльчак В.Н., Ткаченко В.А. Опубл. 30.10.92. Бюл. №40.

8. Пат. 2055947 РФ, МКИ6. G 25 F 1/00. Способ очистки поверхностей металлического изделия /Стеблянко В.Л., Рябков В.М., Сосковец О.Н., Афонин С.З. Опубл. 10.03.96. Бюл. №7.

9. Дмитров Л.Н., Кузнецов Е.В., Кобелев А.Г. и др. Биметаллы. П.: Пермское книжное издательство, 1991. - 441 е., ил.

10. Parks I.M. Rekrystallization Welding, The Welding Journal, Vol. 32, 1953, №5.

11. Whitehead I.R. Proc. of the Royal Society, Vol. 201, 1950, p.109 124.

12. Щеголев B.A., Колмогоров В.Л. К вопросу схватывания разнородных металлов //Теория и практика производства метизов: Межвузовский сборник. -Свердловск: УПИ, 1983.

13. Баранов И.Б. Холодная сварка пластичных металлов. М.: Машгиз, 1962. -275 е., ил.

14. Айбиндер С.Б., Клокова Э.Ф. О возникновении сцепления металлов при совместной пластической деформации, ЖТФ, т. XXV, вып. 13, 1955.

15. Лашко Н.Ф., Лашко-Авакян C.B. Металловедение сварки. М.: Машгиз, 1954.-305 е., ил.

16. Астров Е.И. Плакированные многослойные металлы. М.: Металлургия, 1965.-239 е., ил.

17. Гарбуз H.A. Исследование диффузии и механической прочности биметаллов сталь медь //Труды Иркутского горно-металлургического института, вып. 8. - Иркутск, 1956.

18. Стеблянко В.Л. Создание технологий получения биметаллической проволоки и покрытий на основе процессов, совмещенных с пластическим деформированием //Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Магнитогорск, 2000.

19. Синицын В.Г., Громов Н.П. Исследование изгиба биметаллических полос при прокатке //Прецизионные сплавы. Труды ЦНИИЧМ, вып. 23. М.: Метал лургиз дат, 1959.

20. Павлов И.М., Бринза В.Н. Исследование деформации биметалла титан -сталь при прокатке, Цветные металлы, 1961, №11.

21. Павлов И.М., Бринза В.Н. Исследование сцепления титана со сталью, Цветные металлы, 1961, №4.

22. Голованенко С.А., Меандров Л.В. Производство биметаллов. М.: Металлургия, 1966. - 303 е., ил.

23. Fischgold R., Dragen I. Beitrag zum Studium der Verforming von Bimetallen beim warmwalzen. Rev/ roumaine metallurgie, 1960, 5, №1.

24. Аргулис Г.Э. Совместная пластическая деформация разных металлов. М.: Металлургия, 1964. - 271 е., ил.

25. Аргулис Г.Э. Условие равномерной деформации при совместной осадке разнородных металлов и отсутствии внешнего трения. Известия вузов, Черная металлургия, 1960, №1.

26. Бояршинов М.И., Аркулис Г.Э., Бричко Г.А. //Труды конференции "Инженерные методы расчета в обработке металлов давлением". Свердловск: Ме-таллургиздат, 1963.

27. Стеблянко B.JI., Аркулис Г.Э., Солдатенко А.Ф. Закономерности развития совместной пластической деформации при сварке биметалла прокаткой //Теория и практика производства метизов: Межвузовский сборник научных трудов. Свердловск, 1986.

28. Стеблянко B.JL, Солдатенко А.Ф. Неравномерность деформации компонентов при сварке биметалла прокаткой в калибре //Теория и практика процессов обработки композиционных и сплошных материалов: Межвузовский сборник научных трудов. Магнитогорск, 1990.

29. Тарновский И.Я., Поздеев A.A., Ганаго O.A. Деформации и усилия при обработке металлов давлением. М.: Машгиз; 1959. - 354 е., ил.

30. Юдин И.К. Термическая обработка биметаллической медестальной проволоки металлургического способа производства //Труды конференции по метизному производству. ЦБТИ Челябинского совнархоза, 1961.

31. Тарнавский A.A., Гурылев В.В., Щуровский Б.Б. Биметаллическая проволока. М.:ГНТИ, 1963.- 123 е., ил.

32. Смирнов В.К., Шилов В.А., Игнатович Ю.В. Калибровка прокатных валков. М.: Металлургия, 1987. - 367 е., ил.

33. Смирнов В.К., Шилов В.А., Литвинов К.И. Деформация и усилия в калибрах простой формы. -М.: Металлургия, 1982. 142 е., ил.

34. Выдрин В.Н. Динамика прокатных станов. С.: ГНТИ, Свердловское отделение, 1960. - 255 е., ил.

35. Афанасьев С.Д., Ковалев С.И., Корягин Н.И. Феноменологическая модель соединения разнородных металлов в процессе совместной пластической деформации //Известия АН СССР, Металлы. 1983, №3.

36. Ковалев С.И., Корягин Н.И., Ширко И.Б. Напряжения и деформации при плоской прокатке. М.: Металлургия, 1982. 254 е., ил.

37. Зюзин В.И., Бровман В.Я., Мельников А.Ф. Сопротивление деформации сталей при горячей прокатке. М.: Металлургия, 1967. - 272 е., ил.

38. Третьяков A.B., Зюзин В.И. Механические свойства металлов-и сплавов при обработке давлением: Справочник. М.: Металлургия, 1973. - 224 е., ил.

39. Андреюк JI.B., Тюленев Г.Г. В кн. Теория и практика металлургии. - Челябинск: Южно-Уральское книжное издательство, 1970, №11.

40. Выдрин В.Н., Федосиенко A.C., Крайнов В.И. Процесс непрерывной прокатки. М.: Металлургия, 1970. - 456 е., ил.

41. Теория прокатки: Справочник /Целиков А.И., Томленов А.Д., Зюзин В.И. и др. М.: Металлургия, 1982. - 335 е., ил.

42. Бояршинов М.И. Средние удельные давления на валки при прокатке биметалла //Научные труды Магнитогорского горно-металлургического института, вып. 14. М.: Металлургиздат, 1958.

43. Королев A.A. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов. -М.: Металлургия, 1969.-462 е., ил.

44. Качанов J1.M. Основы теории пластичности. М.: ГТТН, 1956. - 344 е., ил.

45. Выдрин В.Н. Энергетические уравнения процесса прокатки //Прокатное производство: Сборник научных трудов №130. Челябинск, 1974.

46. Выдрин В.Н. К теории расчета давления металла на валки //Теория и технология прокатки: Тематический сборник научных трудов №165. Челябинск, 1975.

47. Смирнов B.C. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1967. - 320 е., ил.

48. Выдрин В.Н. Состояние и перспективы развития энергетической теории прокатки // Теория прокатки: Сборник научных трудов. М.: Металлургия, 1975.

49. Выдрин В.Н. Энергетические принципы и основные уравнения современной теории пластичности // Обработка давлением металлов и сплавов: Сборник научных трудов. М.: ВИЛС, 1971.

50. Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 19 73.-496 с.

51. Расчет на прочность деталей машин: Справочник /Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. М.: Машиностроение, 1979. - 702 е., ил.

52. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник /Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. М.: Металлургия, 19 83. - 352 е., ил.

53. Зиновьев A.B., Колпашников А.И., Полухин П.И. и др. Технология обработки давлением цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1992. - 512 е., ил.

54. Каримов З.Г. Оптимизация конструкции фрикционных узлов машин методом геометрического программирования // Дан АзССР, 1980, №4.

55. Анцупов В.П., Белевский JI.C., Мелентьева Е.Ю. Математическая модель расчета энергосиловых параметров процесса обработки деталий металлическими щетками //Известия вузов. Машиностроение, 1988, №9.

56. Анцупов В.П. Теоретические основы процесса плакирования изделий гибким инструментом /Магнитогорск: ПМП "МиниТик", 1996. 60 е., ил.

57. Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов /Под ред. Понилова Л.Я., 1966.

58. Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов /Под ред. Понилова Л.Я., 1972.

59. Эхина Е.В. Металловедение. М.: Металлургия, 1990. - 337 е., ил.

60. Физические величины: Справочник. /Под ред. И.С. Григорьева. М.: Энер-гоатомиздат, 1991. - 750 е., ил.

61. Третьяков A.B., Гарбер Э.А., Давлетбаев Г.Г. Расчет и исследование прокатных валков. М.: Металлургия, 1976. - 256 е., ил.

62. Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. М.: Физматгиз, 1963.-252 е., ил.1. Алгоритм управления

63. ОТК выявил «неслипаемость» БСМ 0 6 мм по числу перегибов место выявления брака

64. См. режимы работы ванны БСМ-2

65. Есть ли оплавления медной оболочки на выходе из ванны разогрева БСМ-2

66. Поперечные I трещины на 1 поверхности | медной оболочки

67. Имеются ли на поверхности глубокиеследы, оставленные разгарными трещинами прокатных валков. Размернеровностей превышает после волочения до 0 6 мм. более 0,03 мм

68. Количество перегибов выдерживает, но есть брак по поверхности медной оболочкида

69. После волочения БСМ до 0 6 мм

70. При проверке БСМ-провод выдерживает менее шести перегибовда

71. Т.к. нет сварки стали с медью, то можно вскрыть оболочку и осмотреть внутренние поверхности

72. Имеются ли на сердечнике загрязнения

73. Присутствует ли овальность БСМ-проволоки, проволоченной до 0 6.4 мм1. Заменитьвалки на новые

74. См. режимы обжатия в прокатной клети

75. Недостаточное обжатие в прокатной

76. Превышает ли диаметр провода,вышедшего из прокатной клети, допустимый максимальный размер 7,45 мм

77. Имеет ли вскрытая поверхностьстали механические неоднородноста

78. Форма и шероховатость поверхности не соответствует требуемым параметрам)1. Стальной сердечник ивнутренняя поверхность медной оболочки не имеют загрязнения

79. Имеются ли на внутренней поверхности медной оболочки загрязнения, включения

80. См. входной контроль исходных материалов:- качество;- химический состав.1.нет

81. Трисутствуют ли продольные выступы на поверхности 1едной оболочки

82. Сломана фильера на воло1ш льном стане

83. См. режимы работы ванны разогрева в технологии

84. См. причины брака на линии БСМ-1нет1. Нарушены режимынаг}>сва БСМ-заготовкивванне разогрева линии БСМ-2. Низкая

85. Визуально определить характер отклонений мех. характеристик пов-ти стали и меди

86. Проверить, соответствовал ли диаметр БСМ-заготовки после БСМ-1 требуемому по технологии (см. записи в журнале на БСМ-1)1. Присутствуетли на поверхности I стали эффект «гусиной кожи»

87. Имеются ли продольные «провалы» или «ребра» на пов-ти стали

88. Есть ли периодически повторяющаяся поперечная волностость пов-ти стали