автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Технология изготовления заготовок из бескислородной меди для стенок сборных кристаллизаторов

На правах рукописи

АПТЕКАРЕВА ОЛЬГА НАТАНОВНА

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ БЕСКИСЛОРОДНОЙ МЕДИ, ДЛЯ СТЕНОК СБОРНЫХ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ

Специальности: 05 03 05 - технологии и машины

обработки давлением 05 02 01 - материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0031В6-700

Санкт-Петербург 2008

003166700

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете

Научные руководители

по специальности 05 03 05 - технологии и машины обработки давлением кандидат технических наук, доцент Абрамова Наталья Борисовна,

по специальности 05 02 01 - материаловедение (машиностроение) доктор технических наук, профессор Радкевич Михаил Михайлович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Дурнев Василий Дмитриевич доктор технических наук, профессор Рыбников Александр Иванович

Ведущая организация - АО «Гайский завод по обработке цветных металлов» (г Гай)

Защита диссертации состоится 20 мая 2008 г

В, 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212 229 19 в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете по адресу 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул, 29, лабораторно-аудиторный корпус, кафедра «Машины и технология обработки металлов давлением»

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГПУ

Автореферат разослан 20 апреля 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Востров В Н

1 ХОЛОДНАЯ КУЗНЕЧНАЯ ПРОТЯЖКА ЗАГОТОВОК ДЛЯ СТЕНОК СБОРНЫХ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ ИЗ БЕСКИСЛОРОДНОЙ МЕДИ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы Эффективность процесса непрерывного литья заготовок является критерием оценки технического уровня черной металлургии Кристаллизатор — самый ответственный узел машин непрерывного литья В кристаллизаторе формируется слиток Он служит аппаратом для отвода теплоты при кристаллизации затвердевающего металла От качества кристаллизатора зависит качество продукции и производительность машин непрерывного литья заготовок. Срок службы кристаллизаторов значительно меньше срока службы других сменных деталей Отказы приводят к простоям, авариям на производстве, влияют на экологическую безопасность и безопасность труда. Процесс изготовления отечественных кристаллизаторов характеризуется низким технологическим уровнем производства, значительным износом оборудования, большой трудоемкостью процесса, нерентабельностью, низким уровнем качества продукции и, как следствие, не конкурентоспособностью на мировом рынке Применяемые технологии изготовления сборных кристаллизаторов недостаточно изучены и нуждаются в совершенствовании

Этим обусловлена актуальность работы, посвященной разработке технологии изготовления стенок сборных кристаллизаторов из бескислородной меди Актуальность работы подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с комплексными программами № 01200.1.19412 «Создание малого гибкого производства кристаллизаторов» и № 01.20 00 13478 «Технология конкурентоспособного производства кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок»

Цель работы - разработка научно обоснованных методик расчета параметров и основ проектирования процессов изготовления стенок сборных кристаллизаторов из бескислородной меди, разработка и внедрение на этой основе технологий получения стенок сборных кристаллизаторов, обеспечивающих высокий технологический уровень, рентабельность производства, требуемое качество продукции, уменьшение трудоемкости и материалоемкости, конкурентоспособность на мировом рынке изделий металлургического машиностроения

Методы исследования. Теоретический анализ процессов выполнен методами теории упругости, пластичности, феноменологической теории разрушения и теории надежности Статистические модели получены методами планирования эксперимента и регрессионного анализа При реализации экспериментов использованы методы микроанализа.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением математической статистики при обработке экспериментальных данных, оценкой адекватности разработанных теоретических моделей и промышленными испытаниями )|

Научная новизна работы заключается в разработке новых способа, инструмента и научно обоснованных методик проектирования заготовок из бескислородной меди стенок сборных кристаллизаторов и технологических режимов холодной кузнечной протяжки, основанных на результатах теоретических и экспериментальных исследований, включающих.

• анализ технологий изготовления стенок сборных кристаллизаторов и классификацию бойков для кузнечной протяжки заготовок медных стенок сборных кристаллизаторов, на основе которых предложены новые перспективные технологические решения, обеспечивающие повышение эффективности производства стенок сборных кристаллизаторов и улучшение их качества,

• научно обоснованную методику проектирования технологий холодной кузнечной протяжки медных заготовок для стенок сборных кристаллизаторов, позволяющих на основе математических моделей процессов на стадии разработки технологии осуществить выбор технологических режимов, оборудования и инструмента, определить возможность изготовления и прогнозирование эксплуатационных характеристик формообразованных деталей,

• разработанные и реализованные в промышленном производстве технологии изготовления типовых стенок сборных кристаллизаторов, со сформированной структурой, устойчивой к процессам микроскопической деформации,

• разработанные методики проектирования технологических режимов холодной кузнечной протяжки заготовок, основанные на теоретическом анализе данного процесса, феноменологической теории разрушения и теории надежности,

• методики и стенды для экспериментального исследования технологических параметров процесса, позволившие установить закономерности процессов формообразования холодной кузнечной протяжкой медных заготовок, сформулировать граничные условия для анализа напряженного состояния в очаге деформации, проверить адекватность теоретических моделей и построить статистические модели параметров процесса,

• методику проектирования формы кузнечных бойков, обеспечивающую при обработке медных заготовок надежность бойков по параметру безотказности, соответствующую лучшим мировым аналогам

Практическая ценность и реализация работы На основе предложенных в диссертации способа, методик расчета и установленных закономерностей процессов формоообразования холодной кузнечной протяжкой медных заготовок, результатов исследования параметров разработаны при личном участии автора новые технологии получения стенок сборных кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок на ОАО «Машиностроительный концерн «ОРМЕТО-ЮУМЗ» Внедрение технологий обеспечило повышение 2

долговечности стенок кристаллизаторов в 2,0 2,5 раза и увеличение коэффициента использования металла на 20 30% Фактический экономический эффект от внедрения разработанных технологий составил 0,4 млн рублей в ценах 2007 года

Публикации и апробация работы Материалы работы опубликованы в 7 печатных трудах Результаты работы доложены и обсуждены на международных и республиканских научно-технических конференциях в Рубцовске - 2004 г , Санкт-Петербурге - 2004 г , Пензе 2004 г , Пензе - 2006 г, Санкт-Петербурге - 2006 г Работа обсуждена и одобрена на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета в 2008 году

На способ изготовления стенок сборных кристаллизаторов из бескислородной меди для кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок получен патент № 2253540 РФ

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 разделов, основных выводов, списка литературы из 128 наименований и приложения Содержит 118 страниц машинописного текста, 58 рисунков и 2Ii таблицу

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность, сформулирована цель и приведены основные результаты работы

1 СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕНОК СБОРНЫХ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ ДЛЯ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИСЛЕДОВАНИЯ Обзор проблем производства кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок показал, что срок службы кристаллизатора предопределяет себестоимость конечного продукта Для снижения или предотвращения деформации в процессе эксплуатации и повышения износостойкости сборных кристаллизаторов целесообразно применять материалы с относительно высокой твердостью и запасом пластичности К таким материалам относятся различные марки меди

Рассмотрено состояние развитие теории и технологии изготовления заготовок для стенок сборных кристаллизаторов и отмечено, что известные технологии мало изучены, имеющиеся рекомендации не являются достаточными для разработки расчетных моделей процессов и проектирования технологий

Анализ альтернатив производства стенок сборных кристаллизаторов показывает, что для решения этой задачи наиболее перспективными являются технологии, основанные на холодной кузнечной протяжке, обеспечивающие по сравнению с другими технологиями более высокую производительность, стойкость инструмента, снижение общей себестоимости и повышение надежности стенок кристаллизаторов Однако, теоретических

3

обоснований и систематических исследований данных методов не проведено, на пути их практического освоения сделаны лишь первые шаги

Поиск новых технических решений по совершенствованию технологии и расширению номенклатуры изготавливаемых методами объемной штамповки заготовок для стенок сборных кристаллизаторов затруднен из-за отсутствия анализа технологий изготовления стенок сборных кристаллизаторов и классификации кузнечных бойков

Подход к процессам получения методами объемной штамповки заготовок стенок сборных кристаллизаторов как к технологической системе, совершенствование которой происходит во взаимосвязи с основными направлениями работ по экономии ресурсов в машиностроении, показывает необходимость решения задачи на основе достижений и дальнейшего развития теории и технологии малоотходных процессов объемной штамповки деталей и точных заготовок

Отмечается, что большой вклад для решения задач разработки технологий изготовления заготовок стенок сборных кристаллизаторов, имеют результаты проведенных исследований в различных аспектах объемной штамповки, выполненные отечественными и зарубежными учеными Аксеновым JIБ, Артесом А Э, Бересневым Б И, Богоявленским К.Н, Востровым В Н, Головиным В А, Дмитриевым А М, Золотовым А М, Евстратовым В А , Евстифеевым В В , Ивановым К М., Ланским Е Н, Лясниковым А В , Мишуниным В А , Навроцким Г А, Овчинниковым А Г , Олениным Д Д, Паршиным В Г , Поповым Е А, Рисом В В , Рудским А И, Рыбиным Ю.И, Степанским Л Г, Сторожевым М В , Фаворским В Е, Филимоновым Ю Ф , Lange К, Veldman С, Volkner W и многими другими

Существенное развитие технологии и конструкции сборных кристаллизаторов машин непрерывного литья получили в работах, выполненных во ВНИИМЕТМАШе, под руководством Сивака В Б., Целикова А А , Шифрина И Н и др Значительных успехов в данной области достигли зарубежные ученые Wimmer F, Thone Н, Pavhceiers М, Gensini G, BerrymanR идр

Большое значение, для решения задач, связанных с механической активацией диффузионных процессов и формированием дефектной структуры, устойчивой к процессам микроскопической деформации, имеют работы Атрошенко С А., Гарбера Р И , Гиндина И А, Дурнева В Д, Кривоглаза М.А, Колбасникова Н Г, Неклюдова И М, Радкевича М М, Струнина Б.Н, Якутовича М В, Listhuler F, JaculB, BailleyJ, TegartW и других ученых

Благодаря выполненным работам выявлены основные условия формообразования заготовок стенок сборных кристаллизаторов в зависимости от характера напряженно и деформированного состояний, свойств поверхности и других факторов Предложено несколько гипотез, объясняющих механизм течения металла На основе феноменологического подхода теории пластических деформаций металлов и экспериментальных исследований, для 4

ряда методов объемного формообразования заготовок стенок сборных кристаллизаторов, получены зависимости, позволяющие определить силовые параметры процессов и прочностные характеристики изготавливаемых деталей Однако возникают новые задачи, связанные, в частности, с расширением номенклатуры металлов и сплавов, деформируемых малоотходными методами объемной штамповки, поиском экономичных и эффективных технологий Не найдено оптимальное соотношение между критериями цена-качество

В результате проведенного анализа состояния вопроса поставлены основные задачи исследования

1 Выполнить анализ технологий изготовления стенок сборных кристаллизаторов и разработать классификацию бойков для кузнечной протяжки заготовок медных стенок сборных кристаллизаторов, на основе которых предложить новые перспективные технологические решения, обеспечивающие повышение эффективности производства стенок сборных кристаллизаторов и улучшение их качества,

2 Разработать научно обоснованную методику проектирования технологий холодной кузнечной протяжки медных заготовок для стенок сборных кристаллизаторов, позволяющую на основе математических моделей процессов на стадии разработки технологии осуществить выбор технологических режимов, оборудования и инструмента, определить возможность изготовления и прогнозирование эксплуатационных характеристик формообразованных деталей,

3 Разработать и реализовать в промышленном производстве технологии изготовления типовых стенок сборных кристаллизаторов, со сформированной структурой, устойчивой к процессам микроскопической деформации,

4 Разработать методики проектирования технологических режимов холодной кузнечной протяжки заготовок, основанные на теоретическом анализе данного процесса, феноменологической теории разрушения и теории надежности,

5 Разработать методики и стенды для экспериментального исследования технологических параметров процесса, позволяющие установить закономерности процессов формообразования холодной кузнечной протяжкой медных заготовок, сформулировать граничные условия для анализа напряженного состояния в очаге деформации, проверить адекватность теоретических моделей и построить статистические модели параметров процесса,

6 Разработать методику проектирования формы кузнечных бойков, обеспечивающую при обработке медных заготовок надежность бойков по параметру безотказности, соответствующую лучшим мировым аналогам

2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕХПРОЦЕССА ХОЛОДНОЙ КУЗНЕЧНОЙ ПРОТЯЖКИ СТЕНОК КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ И НАДЕЖНОСТИ БОЙКОВ

В настоящей работе расчет напряжений и скоростей деформаций в поковке и бойке выполняется методом конечных элементов Напряжения выражаются, через скорой и деформации, с помощью гидростатического давления

Схемы задания граничных условий и разбивки тел заготовки и инструмента, показанные на рис 1 и 2, выбраны на основании экспериментов по исследованию кинематики их формоизменения в процессе холодной кузнечной протяжки На свободных поверхностях, где нет контакта заготовки с бойками, заданы нулевые силовые условия в виде сил, действующих по нормали к поверхности {Р}-0 На контактных поверхностях задаются кинематические условия скорости перемещения С/г в узловых точках в направлении оси г, а в двух других направлениях- проекции вектора сил трения /?т на оси х (Ятх) и у (Я^ ). Значения проекциям Ягх и Яту в первом приближении даем на основании априорной информации После первой итерации расчета определяем величину несовпадения направления вектора {/?т } и вектора скоростей в узловых точках {С/}. Корректируем соотношение проекций 11тх и Лгу и повторяем вычисление величины несовпадения направлений данных векторов Процесс итерации повторяется до тех пор пока векторы {Лт } и {Ц] не станут коллинеарны.

Система уравнений, описывающая напряженно-деформированное состояние тела, построена на основе начала виртуальных скоростей Для любого кинематически возможного поля скоростей 311 в произвольный момент времени справедливо условие равенства мощностей внутренних и внешних сил

(21)

V Я

где - компоненты тензора напряжений, £ц — компоненты тензора

скоростей деформации, р, - компоненты внешних сил на поверхности V -объем тела,

Модель среды является упругопластической При построении модели приняты допущения

• материала однороден и изотропен в начальном состоянии,

• материал подчиняется в упругом состоянии закону Гука, условию пластичности Мизеса и соотношениям Прандтля-Рейсса в пластическом состоянии;

• процесс формообразования разбивается на этапы,

• немонотонный процесс объемного формообразования заменяется рядом монотонных процессов, для которых формоизменение протекает однозначно и главные оси конечной деформации сохраняют свое положение в пространстве Лагранжа;

• полная скорость деформации {й} включает скорость упругой деформации и скорость пластической деформации = {¿е}+ {¿р},

Рис. 1. Схема задания граничных условий и

разбивка тела заготовки стенки сборного кристаллизатора на конечные элементы

Рис. 2. Схема задания граничных условий и разбивка тела кузнечного бойка на конечные элементы

• напряжение текучести as и коэффициент упрочнения H - ^ являются

функциями интенсивности пластической деформации S, Для нахождения минимума функционала (21), используем модель конечных элементов Определив в узловых точках равнодействующие

распределенной поверхностной нагрузки {./?} и обозначив узловые силы через , выразим функционал (2.1) через скорости узлов {U}

Ф = . (22)

г к

где - матрица жесткости элемента, [f] - скорость изменения узловой

силы, г — номер элемента, к - номер узла на поверхности Su

Минимизация выполняется, дифференцированием функционала (2 2) по скоростям узлов каждого элемента Условие минимума функционала (2 2) имеет вид

К]"И~Н=0, (23)

где \Кт\ - глобальная матрица жесткости

Задача упругопластичности является существенно нелинейной Поскольку, глобальная матрица жесткости [Кт] зависит от матрицы [D] связи компонент деформаций и напряжений, а матрица [D] зависит от текущею напряженно-деформированного состояния заготовки Решение системы (2 3) получаем итерационным методом последовательных приближений Процесс расчета выполняется поэтапно, начиная от исходного ненагруженного состояния заготовки В результате рассматривается вся история нагружения и прослеживается переход элементов из упругого состояния в пластическое

Результатом решения является вектор скоростей {{/} в узловых точках {и}, значения которых используются для определения компонент тензора скоростей деформаций и тензора напряжений

Трехмерные модели поковки и бойка создавались в CAD системе CATIA V5 и с помощью транслятора CADfix V5 2 импортировалась в программный комплекс ANSIS версии 6 0.

Анализ напряженного и деформированного состояний заготовки в процессе холодной кузнечной протяжки стенок кристаллизаторов показал, что при коэффициенте трения fj. =0,1 неравномерность деформации проявляется слабо, поскольку на всей поверхности контакта имеет место скольжение По мере увеличения коэффициента трения и обжатия заготовки большее влияние оказывает эффект прилипания и неравномерность напряженного и деформированного состояний усиливается Максимум контактных напряжений 8

наблюдается в областях значений 7 = 0.2, т = 0,7и —— = 0,5 Наличие

/ / о/2

больших значений контактных напряжений обуславливает возникновение

значительных величин компонентов тензора напряжений в области верхней

2

поверхности заготовки С уменьшением параметра — величина напряжений

уменьшается, благодаря более равномерному их распределению по площади Где /, Ь, И соответственно длина, ширина и высота исходной заготовки.

Величина максимально допустимой суммарной степени деформации е заготовки оценивалась на основании оценки ресурса пластичности по методике Колмогорова В Л., в соответствии с которой степень использования ресурса пластичности определяется по формуле

\ с/А

УГ, <24>

о Ар

где X - степень деформации сдвига, накопленная материальной частицей в процессе деформирования, Хр - степень деформации сдвига, соответствующая моменту разрушения

Напряжения на контактной поверхности, полученные при решении задачи упругопластического деформирования поковки, служат граничными условиями для расчета напряженного и деформированного состояний кузнечного бойка Разрушение рабочей поверхности бойка является следствием циклического нагружения поверхности бойка контактными напряжениями Наиболее опасной с точки зрения разрушения является область грани рабочей поверхности кузнечного бойка

Выбор рациональной конструкции кузнечного бойка на стадии проектирования позволяет осуществить теория надежности Сумму относительных повреждений определяли по формуле Когаева В П

- , (2 5)

где \|/ - относительный уровень повреждающих амплитуд напряжений, С, - параметр, характеризующий особенности спектра нагружения. Прогнозирование вероятности безотказной работы бойков Рв случае накапливающихся повреждений выполнялось с использованием гамма-распределения

Р(0=1-

е ЫУ ' (2 6)

2 2 —

где ?- время; а и |3 - оценки параметров, а = (у/8у) -1, Р = 5у /У ; у - выборочное среднее; - среднеквадратичное отклонение

Оценка показателей надежности получена на основании испытаний пятидесяти кузнечных бойков в условиях производства ОАО «Машиностроительный концерн «ОРМЕТО-ЮУМЗ» (г. Орск).

На основании анализа надежности кузнечных бойков по параметру безотказности разработана методика расчета их рациональной конструкции Установлено, что рациональная конструкция кузнечного бойка из стали 5ХНМ с начальной твердостью 200 230 НВ обеспечивает безотказную работу бойка, при холодной кузнечной протяжке медных заготовок, в течение 90 93 часов с вероятностью 92%, что соответствует лучшим мировым аналогам Например, фирма «КМ- каЬе1те!а1» (Германия)

Конструкция кузнечного бойка защищена полезной моделью № 70172

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ХОЛОДНОЙ КУЗНЕЧНОЙ ПРОТЯЖКИ МЕДНЫХ СТЕНОК СБОРНЫХ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ, ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ Целью экспериментальных исследований является анализ физических процессов в медных заготовках стенок кристаллизаторов при холодной кузнечной протяжке, определение рациональных технологических режимов; нахождение исходных данных, для построения теоретических и статистических моделей параметров техпроцессов; проверка адекватности теоретических моделей

Одним из эффективных методов определения величин интенсивности напряжений и деформаций при объемном формообразовании является метод измерения твердости По результатам измерения твердости определены интенсивности напряжений и деформаций в пластической области

Расхождение теоретических и экспериментальных данных в пределах 20 25% подтверждает адекватность разработанных моделей

Физические процессы в медных заготовках при холодном формообразовании стенок кристаллизаторов во многом предопределены строением 1фисталлической решетки, которая имеет вид гранецентрированной кубической (ГЦК)

Упрочнение заготовки, в результате холодного деформирования, приводит к тому, что на определенном этапе деформирования скольжение становится энергетически невыгодным и является причиной возникновения эффекта двойникования При ударном нагружении механизм двойникования является типичным для ГЦК металлов с низкой и средней энергией дефектов упаковки

Физико-механические свойства заготовок стенок кристаллизаторов определены при выполнении серии испытаний на образцах с различной степенью пластической деформации Образцы вырезались из заготовок в продольном и поперечном направлениях Методы испытаний проводились в соответствии с ГОСТ 9651-84 и ГОСТ 1497-84. Исследования выполнены на испытательной машине ИМ 12-А 10

Пластичность материала предопределяет износостойкость и усталостную прочность стенок кристаллизаторов. Диаграмму пластичности медных образцов строили на основании испытания цилиндрических образцов на растяжение и сжатие Степень деформации сдвига Хр при растяжении, соответствующую моменту разрушения, определяли по формуле

где йо - исходный диаметр образца, ¿¿^-диаметр образца в момент разрушения

Показатель напряженного состояния П при растяжении вычисляли по зависимости

где Р0 и Pi - сила растяжения в начальный и конечный момент деформирования образца

Металлографические исследования заготовок и стенок кристаллизаторов проводились с целью выявления дефектов и изучения влияния степени деформации на структуру меди Общие требования к методам исследования микроструктуры выполнены в соответствии с ГОСТ 21073 0-75

Структура исходной заготовки (литой меди) является крупнозернистой Холодное деформирование заготовки в интервале суммарной степени деформации е от 20 до 30% способствует измельчению зерен (рис За), что благоприятно сказывается на физико-механических свойствах стенок кристаллизаторов пластичности, коррозионной стойкости и др Дальнейшее увеличение суммарной степени деформации е, за счет увеличения количества проходов iVnp бойка, приводит к образованию в заготовке строчечной структуры Физико-механические свойства стенок кристаллизаторов ухудшаются и возможно возникновение межзеренных трещин (рис 36)

Влияние дробного деформирования на показатели механических свойств стенок сборного кристаллизатора из меди М-ЭЛП, при холодной кузнечной протяжке, представлено на рис. 4. Неудовлетворительное качество металла обозначено на графиках пунктирной Линией Производственные испытания показали, что эффективными технологическими режимами являются S = 20 30%, Nnр = 10 (кривые 2 и 4 рис 4)

В медных материалах стенок кристаллизаторов при холодном деформационном воздействии протекают сложные структурные преобразования В частности, образуются дефекты кристаллографического строения и субструктура, от которой наследуется дислокационная структура Перемещение образовавшихся дислокаций стимулирует образование больших поверхностей нарушения правильного кристаллического строения Исследования плотности дислокаций выполнялись на электронном микроскопе Philips. Размер зерен микроструктуры стенок кристаллизаторов из меди

р

(3.1)

п=

сг 1 г

= + {2V3[(P1-Po,>/2Po-l]},

(3 2)

а.

дай® ЩШш

щш

ж

Я

:

Рис.3. Микроструктуры стенок кристаллизаторов из меди М-ЭЛП, формообразованных холодной кузнечной протяжкой

а. рациональная микроструктура (технологические режимы: € = 22...30%,ЛГПр = 10);

б. микроструктура с межзеренными трещинами

Рис. 4. Влияние дробного деформирования на показатели механических свойств стенок сборного кристаллизатора из меди М-ЭЛП при холодной кузнечной протяжке

1.£=30%,^пр = 5 4. £=30%,^=10

2. е= 22%, А'пр = Ю 5. £= 80%, Мп> = 14

3. е— 58%, А'пр = Ю

М-ЭЛП, изготовленных по рекомендуемым режимам холодной

деформационной обработки (£=22 30%, Nm = 10), находится в интервале 25 54 мкм

Критерием количественной оценки разнозернистости структуры стенок

AD

кристаллизаторов является величина показателя разнозернистости —

UCP

микроструктуры, которая вычисляется по формуле.

К max

AD IPo-Dk\Nk %DkNk

-100% (33)

Nk - количество зерен размера D*; N - общее количество измеренных зерен

Поскольку структура металла стенки кристаллизатора, формообразованной холодной кузнечной протяжкой по рекомендуемым технологическим режимам,

^ _ 1*7

имеет п ~ 1' /0 , то структура металла является равнозернистой

иCP

Текстура материала стенок кристаллизаторов возникает в результате разбиения исходных зерен на фрагменты (субзерна) Исследование текстуры, формообразованных стенок кристаллизаторов, выполнялось

рентгенографическим методом Шульца

Литая заготовка, поступающая на холодную кузнечную протяжку, имеет структуру в виде столбчатых кристаллов Для всех кристаллов кубическая ось (100) параллельна продольному направлению кристаллов [111] Исследования показали, что в процессе холодной кузнечной протяжки ось текстуры располагается в направлении <110> и совпадает с направлением действия усилия деформирования Кристаллографической плоскостью скольжения является {111}, что соответствует наибольшей ретикулярной плотности В поверхностных слоях заготовки текстура имеет ориентировки {110} <112> В середине заготовки, наряду с указанными плоскостями, в небольшом количестве присутствуют элементы исходной ориентировки {100}.

Установлено, что наибольшее влияние на физико-механические свойства материалов медных стенок сборных кристаллизаторов оказывают следующие факторы Uс- скорость движения кузнечного бойка; iVnp - количество проходов заготовки; S - суммарная степень деформации заготовки Регрессионные модели параметров физико-механических свойств медных стенок кристаллизаторов построены методами планирования эксперимента

Относительный предел текучести (а5деф - предел текучести деформированной заготовки, <Т5исх - предел текучести исходной заготовки).

Gsieij) л /г0,199 дг 0,717 0,604

Т]п)=-- = 0,076 Uc Nnp- в > (3 4)

17Sua

Относительный предел прочности. ^ ^

_ аВдеф _ л, т17 rr0,099 дг 0,370 -0,297

"(2) ~ _ -и.-Н'Ч/с £ (3 5)

Висх

Относительное удлинение

_ "йеф _ Д jrr-0,042 дг -0,271 -0,422

"(3) - --4 043 ис -^лр £ ; (3 6)

исх

Относительное сужение

,005 д г -0,085 -0,108

(4Г|7"" ^ '

т исх

Относительная твердость*

= (38)

исх

Надежность медных стенок сборных кристаллизаторов, изготовленных по предлагаемой технологии из медного слитка М-ЭЛП и базовой технологии из медного проката серебросодержащей меди марки МС, оценивалась по критерию долговечности Показателем долговечности выбрано количество плавок р, выдерживаемых стенками сборных кристаллизаторов до их отбраковки

Испытания показали, что наиболее высокую долговечность имеют стенки кристаллизаторов, изготовленные по предлагаемой технологии из слитка бескислородной меди М-ЭЛП и деформированные ~ до суммарной степени деформации £=22 30% Долговечность стенок составила 1600 .1650 плавок при количестве перестрожек равном 10. Долговечность стенок, изготовленных по базовой технологии, равняется 750...830 плавок

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕДНЫХ СТЕНОК СБОРНЫХ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ

В качестве базовой, выбрана технология АО «Кузнецкий металлургический комбинат» В соответствии с базовой технологией, стенки кристаллизаторов изготавливают из медного проката серебросодержащей меди марки МС (99,9 99,7% Си, 0,08 0,12% Ag, 0,06 0,012% Р ) Разрезка проката на штучные заготовки выполняется на строгальном станке отрезными резцами После чего заготовки фрезеруются по контуру

По предлагаемой технологии, стенки сборных кристаллизаторов изготавливают из плит бескислородной меди М-ЭЛП, которые получают в печи ЭЛП-30 Штучную медную заготовку с размерами 425x130x1015 мм формируют путем отрезки ленточной пилой от слитка Фрезерованием снимают фаски 10x45° Холодной кузнечной протяжкой деформируют заготовку до суммарной степени деформации 22 30% Размеры поковки 440x95x1070 мм Фрезерованием по контуру получают окончательные размеры стенки кристаллизатора 430x75x1000 мм. Рациональные технологические режимы И

холодной кузнечной протяжки медных стенок сборных кристаллизаторов определяются по разработанному алгоритму, основанному на симплексном методе оптимизации Технология защищена патентом № 2253540 РФ

Долговечность стенок, формообразованных по разработанной технологии, превышает долговечность стенок, изготовленных по базовой технологии, в 2,0 2,5 раза Фактический экономический эффект от внедрения новых технологий составил 0,4 млн рублей в ценах 2007 года 4

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Выполнен анализ технологий изготовления стенок сборных кристаллизаторов и разработана классификация кузнечных бойков, на основе которых предложены новые перспективные технологические решения, обеспечивающие повышение эффективности производства стенок сборных кристаллизаторов и улучшение их качества

2 Разработана научно обоснованная методика проектирования технологии холодной кузнечной протяжки медных заготовок стенок сборных кристаллизаторов, позволяющая на основе математических моделей процессов на стадии разработки технологии осуществить выбор технологических режимов и конструкции инструмента, определить возможность изготовления деталей и провести прогнозирование эксплуатационных характеристик изделий

3 В результате разработки и реализации в промышленном производстве технологий изготовления типовых стенок сборных кристаллизаторов, проектируемых с применением научно обоснованных в диссертации методик расчета и рекомендаций, долговечность стенок кристаллизаторов увеличена в 2,0 2,5 раза, расширена номенклатура используемых материалов Изготавливаемые, по предложенной технологии, стенки кристаллизаторов конкурентоспособны на рынках Российской Федерации и промышленно-развитых стран Фактический экономический эффект, от внедрения на ОАО «Машиностроительный концерн «ОРМЕТО-ЮУМЗ» разработанных технологий, составил 0,4 млн рублей в ценах 2007 года

4 Разработаны методики проектирования процессов холодной кузнечной протяжки заготовок, основанные на теоретическом анализе процессов, феноменологической теории разрушения и теории надежности, позволяющие сформировать дефектную структуру заготовок, устойчивую к микроскопической деформации и снижающую неравномерность деформаций при перераспределении дислокационных скоплений в развитую субструктуру Благодаря созданной структуры, заготовки из бескислородной меди М-ЭЛП, обладают физико-механическими свойствами сопоставимыми с заготовками из серебросодержащей меди предел прочности равен 350 . 380 МПа, предел текучести - 240 260 МПа, твердость -100.. 115 НВ

5 Разработаны методики экспериментального исследования процессов холодной кузнечной протяжки медных стенок сборных кристаллизаторов, позволяющие установить закономерности процессов, сформулировать

граничные условия для анализа напряженного и деформированного состояний в очаге деформации заготовки и инструмента, проверить адекватность математических моделей и построить статистические модели параметров процессов 6 Разработана методика проектирования кузнечных бойков, обеспечивающая формирование рационального соотношения между компонентами тензора деформации заготовки и безотказность наработки кузнечных бойков в размере 90 93 часов, с вероятностью 92%, что соответствует лучшим мировым аналогам

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 Винокуров В В , Моисеев А В , Аптекарева ОН и др Актуальность исследования процесса непрерывного литья заготовок // Новые материалы и технологии в машиностроении Матер, н.-т. конф - Рубцовск, 2004 - С 18-20

2 Аптекарева О Н., Радкевич М.М., Абрамова Н.Б. Рациональный выбор материала для рабочих стенок кристаллизаторов // XXXIII Неделя науки СПбГПУ Матер н -т конф. - С.-Пб, 2004 - С 45-46

3. Аптекарева О.Н., Григорьев Д С., Абрамова Н.Б. Металлографические исследования бескислородной меди // Прогрессивные технологии в современном машиностроении Матер международной н -т конф - Пенза, 2004 -С 9-14

4 Патент 2253540 РФ Способ изготовления изделий из бескислородной меди для кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок // Абрамова Н.Б, Соломин Л П, Аптекарева О Н Опубл в Б И № 16,2005г

5. Абрамова Н.Б., Аптекарева О.Н. Маркетинговые исследования рынка кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок // Научно-технические ведомости СПбГТУ. - № 5-2. - 2006. - С. 210-215.

6. Аптекарева О.Н., Абрамова Н.Б. Структура технологии изготовления заготовок для медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: Матер международной н -т. конф - Пенза, 2006. - С 12-14.

7 Аптекарева О Н, Абрамова Н.Б Определение стойкости рабочих стенок для кристаллизаторов МНЛЗ // Фундаментальные исследования в технических университетах Матер н -т конф - С -Пб, 2006 - С 326327

8 Григорьев Д.С , Аптекарева О Н, Абрамова Н.Б Определение химического состава бескислородной меди // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: Матер, международной н—т конф, - Пенза, 2006 - С 29-31

9. Абрамова Н.Б., Аптекарева О.Н. Разработка технологии изготовления заготовок для медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ И Заготовительные производства в машиностроении. - № 3. - 2007. - С. 53-55.

Подписано в печать 20 02 08 Формат 60*84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 29

Отпечатано с готового оригинал-макета ЗАО "Принт - Экспресс" 197101, С -Петербург, ул Большая Монетная, 5 лит А

I Введение.

1. Состояние процессов изготовления стенок сборных кристаллизаторов | для машин непрерывного литья заготовок. Постановка задач

J исследования.

1.1. Требования, предъявляемые к качеству стенок кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок.

§ 1.2. Анализ технологий изготовления стенок сборных кристаллизаторов г 1.3. Классификация и анализ конструкций кузнечных бойков.

1.4. Выводы по главе 1.

1.5. Цель и задачи исследования.

2. Математические модели техпроцесса холодной кузнечной протяжки стенок кристаллизаторов и надежности бойков.

2.1. Особенности методов конечных элементов при реализации теории конечных деформаций.

2.2. Модель процесса холодной кузнечной протяжки медных jj стенок кристаллизаторов.

2.2.1. Принятые допущения.

2.2.2. Определяющая система уравнений. f 2.2.3. Граничные условия.53,

I 2.2.4. Анализ напряженного и деформированного состояний-заготовки стенки кристаллизатора при холодной кузнечной-протяжке

2.3. Модель напряженного и деформированного состояний бойка в процессах холодной кузнечной протяжки медных стенок кристаллизаторов.

5 2.3.1. Кинематика изменения формы кузнечного бойка и определяющая система уравнений.

2.3.2. Граничные условия.

4 2.3.3. Анализ напряженного и деформированного состояний бойка при кузнечной протяжке стенок кристаллизаторов. t 2.4. Безотказность наработки кузнечных бойков.

I 2.5. Вероятность безотказной наработки кузнечных бойков.

I 2.6. Выводы по главе 2.

3. Экспериментальное исследование параметров холодной кузнечной

I протяжки медных стенок сборных кристаллизаторов, проверка i адекватности математических моделей.

I 3.1. Адекватность математических моделей напряженного и деформированного состояний материала при объемном i формообразовании.

3.2. Физические процессы в медных заготовках и свойства формообразованых стенок сборных кристаллизаторов

I при холодной кузнечной протяжке.

3.3. Анизотропия механических свойств медных стенок сборных кристаллизаторов.

3.4. Разработка регрессионных моделей физико-механических свойств материалов медных стенок сборных кристаллизаторов.

3.5. Режимы термической обработки кузнечных бойков.

3.6. Определение усилий деформирования заготовки в процессе холодной кузнечной протяжки медных стенок сборных кристаллизаторов.

3.7. Надежность медных стенок сборных кристаллизаторов, формообразованных холодной кузнечной протяжкой.

3.8. Выводы по главе 3.

4. Разработка методики проектирования технологии изготовления медных стенок сборных кристаллизаторов.

4.1. Методика проектирования технологии изготовления медных стенок сборных кристаллизаторов.

4.2. Маркетинг и изучение рынка.

4.3. Экономическая эффективность, разработанной технологии кузнечной протяжки заготовок медных стенок сборных кристаллизаторов.

4.4. Выводы по главе 4.

Металлургия относится к базовым отраслям Российской промышленности. Она обеспечивает потребности народного хозяйства в металлопродукции широкого назначения, а также поступления валютных средств за счет экспорта. Одной из основных проблем Российской черной металлургии является повышение конкурентоспособности заготовок, полученных на машинах непрерывного литья заготовок (MHJI3).

Эффективность процесса непрерывного литья заготовок является критерием оценки технического уровня черной металлургии. Объем стали непрерывной разливки в Российской Федерации в 1,3. 1,5 раза меньше, чем в промышленно развитых странах [1, 2]. Процесс изготовления отечественных кристаллизаторов характеризуется низким технологическим уровнем производства, значительным износом оборудования, большой трудоемкостью процесса, нерентабельностью, низким уровнем качества продукции и, как следствие, не конкурентоспособностью на мировом рынке. Применяемые технологии изготовления кристаллизаторов недостаточно изучены и нуждаются в совершенствовании.

Причинами такой ситуации являются: износ промышленного оборудования, затянувшаяся структурная перестройка, отсутствие государственной стратегии развития черной металлургии, хроническое и все более нарастающее отставание российской металлургии в области применения современных технологий, отсутствие системы отраслевых институтов и структур, способных на прочной научной основе разрабатывать и внедрять собственные отечественные «высокие технологии» будущего.

По многим показателям, связанным с эксплуатацией и изготовлением машин непрерывного литья заготовок, разрыв между Российской Федерацией и промышленно развитыми странами становится практически несопоставимым.

Для возрождения в Российской Федерации конкурентоспособной черной металлургии, необходимо создание конкурентоспособной технологии и машин непрерывного литья заготовок. Большой резерв в решении данной задачи обеспечивает совершенствование конструкции и технологии изготовления самого ответственного узла в MHJI3 — кристаллизатора.

Кристаллизатор является основным технологическим узлом MHJI3 и предназначен для получения наружной поверхности отливки. Служит теплообменным аппаратом, для отвода теплоты кристаллизации затвердевающего металла.

От качества кристаллизатора зависит качество продукции и производительность машин непрерывного литья заготовок. Срок службы кристаллизаторов значительно меньше срока службы других сменных деталей. Отказы приводят к простоям, авариям на производстве, влияют на экологическую безопасность и безопасность труда.

Рабочие стенки сборных кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок работают в условиях циклических интенсивных тепловых

•у потоков (плотность тепловых потоков достигает

20 МВт/м ) в диапазоне температур 290.870 К, интенсивного износа, циклических термодинамических напряжений и коррозии разных типов.

Кристаллизатор должен удовлетворять следующим требованиям:

• обеспечить интенсивный отвод тепла с поверхности отливки, чтобы на выходе из кристаллизатора толщина и точность затвердевшей корочки были достаточны для удержания еще не затвердевшего металла сердцевины;

• обеспечить постоянство размеров и формы рабочей полости кристаллизатора, чтобы отливка удовлетворяла предъявленным к ней требованиям;

• отсутствие неровностей на рабочей поверхности кристаллизатора и зазора в соединениях;

• минимальное трение при скольжении формирующейся корки по стенке кристаллизатора, так как прочность металла вблизи температур кристаллизации невелика и имеется опасность разрушения заготовки в процессе удаления из кристаллизатора.

Основными параметрами, определяющими состояние кристаллизатора, как системы являются:

• геометрические параметры поверхностей рабочего слоя стенок;

• физико-механические свойства и химический состав стенок;

• физико-механические свойства и химический состав корочки слитка; 7

• условия, определяющие состояние корочки слитка (скорость разливки, температура жидкого металла и др.);

• условия, определяющие состояние рабочих стенок (параметры процесса охлаждения, конструкция кристаллизатора и др.):

• условия на границе контакта рабочая стенка-слиток (тип смазки, амплитуда и частота колебаний кристаллизатора и др.)

Основными производителями стенок разборных кристаллизаторов являются фирмы «КМ - kabelmetal» (Германия), «EUROPA METALLI» (Германия), «Recopy» (США),, «Vacuumed» (Канада),, «Danieli» (Италия),, «Fest-Alpine» (Австрия), и «Чуецу» (Япония) и др. Каждая фирма является монополистом в производстве кристаллизаторов, начиная от конструирования до технологии изготовления. Фирмы заинтересованы в сбыте готовой продукции и не раскрывают тонкостей своих технологий. Поэтому требуется создание в Российской Федерации аналогичных производств, обеспечивающих выпуск конкурентоспособной продукции.

Зарубежные и отечественные фирмы используют для стенок кристаллизаторов главным образом серебросодержащую медь, которая является дорогим материалом.

Производство значительно более дешевой бескислородной меди — сложный и недостаточно изученный процесс. В литом состоянии бескислородная медь имеет крупнозернистую структуру. Под воздействием термических напряжений при условии слабой связи между зернами по границам последних возможно образование трещин.

Следует отметить что, удельный вес бескислородной меди в производстве цветных металлов постоянно растет. Кроме того, применение литого слитка в качестве исходной заготовки, в отличие от технологии, основанной использовании проката, позволяет расширить номенклатуру стенок сборных кристаллизаторов.

Одним из перспективных направлений1 развития технологии изготовления стенок сборных кристаллизаторов, является создание структурного состояния1, отливок из бескислородной меди; которое обеспечило бы физико-механические свойства заготовок стенок кристаллизаторов сопоставимые с заготовками из серебросодержащей меди.

При формообразовании заготовок стенок сборных кристаллизаторов из бескислородной меди методами холодной кузнечной протяжки возникают дополнительные трудности из—за недостаточной изученности процесса.

Актуальность работы. Анализ альтернативных технологий изготовления рабочих стенок сборных кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок показывает, что наиболее перспективными являются технологии, основанные на объемном формообразовании и использующие бескислородную медь в качестве заготовок стенок кристаллизаторов. Однако теоретических и систематических экспериментальных исследований данных технологий не проведено. На пути их практического освоения сделаны лишь первые шаги. Имеющиеся рекомендации не являются достаточными для разработки расчетных моделей процессов и проектирования промышленных технологий.

Этим обусловлена актуальность работы, посвященной разработке на основе холодной кузнечной протяжки технологии изготовления из бескислородной меди рабочих стенок сборных кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок.

Цель работы - разработка научно обоснованных методик расчета параметров и основ проектирования технологических процессов холодной кузнечной протяжки заготовок медных стенок сборных кристаллизаторов, разработка и внедрение на этой основе технологий получения стенок сборных кристаллизаторов, обеспечивающих уменьшение материалоемкости и улучшение качества изделий металлургического машиностроения'

Поиск новых технических решений по совершенствованию технологии изготовления стенок сборных кристаллизаторов и расширению номенклатуры используемых медных материалов затруднен из-за отсутствия классификаций, объединяющих основную' группу процессов формообразования медных стенок сборных кристаллизаторов и бойков для кузнечной протяжки.

Большое значение, для решения задач, связанных с разработкой технологий изготовления и конструкций кристаллизаторов MHJI3, имеют результаты проведенных исследований, выполненные отечественными и зарубежными учеными: Сиваком В.Б., Целиковым А.А., Шифриным И.Н., Wimmer F, Thone Н, Pavliceiers М., Gensini G., Berriman R. и др.

Подход к процессам получения методами объемной штамповки заготовок стенок сборных кристаллизаторов как к технологической системе, совершенствование которой происходит во взаимосвязи с основными направлениями работ по экономии ресурсов в машиностроении, показывает необходимость решения задачи на основе достижений и дальнейшего развития теории и технологии малоотходных процессов объемной штамповки деталей и точных заготовок.

Значительный вклад в создание научных и практических основ объемной штамповки внесли работы Аксенова Л.Б., Артеса А.Э., Береснева Б.И., Богоявленского К.Н., Вострова В.Н., Головина В.А., Дмитриева A.M., Дорофеева Ю.Г., Дорошкевича Е.А., Золотова A.M., Евстратова В.А.,

ЕвстифееваВ.В., Иванова К.М., Лясникова А.В., Мертенса К.К., Мишунина В.А., Навроцкого Г.А., Овчинникова А.Г., Оленина Д.Д., РеннеИ.П., РисаВ.В., Рудского А.И., Рыбина Ю.И., Степанского Л.Г., Фаворского В.Е., Филимонова Ю.Ф., Lange К., Veldman G., Volkner W., Pasek V., Schmit R. и многих других отечественных и зарубежных ученых.

Большое значение, для решения задач, связанных с механической активацией диффузионных процессов и формированием дефектной структуры, устойчивой к процессам микроскопической деформации, имеют работы Атрошенко С.А., Гарбера Р.И., Гиндина И.А., Дурнева В.Д., Кривоглаза. М.А., Колбасникова Н.Г., Неклюдова И.М., Радкевича М.М., Струнина Б.Н., Якутовича М.В., Listhuler F., Jacul В., Bailley J., Те gar t W. и других ученых.

Благодаря их работам, выявлены основные условия^ формообразования заготовок стенок кристаллизаторов^ в зависимости от характера напряженного и деформированного состояний, структуры и свойств кристаллических тел материала, состояния поверхности и других факторов.

Предложено несколько гипотез, объясняющих механизм^ течения металла. На основе феноменологического подхода теории пластических деформаций металлов и экспериментальных исследований для ряда способов холодной кузнечной протяжки получены зависимости, которые позволяют определить силовые параметры процессов и прочностные характеристик изготавливаемых деталей. Однако результаты проведенных исследований не могут быть использованы при проектировании технологий изготовления и прогнозировании качества стенок кристаллизаторов из бескислородной меди.

В диссертации, на основании выполненных автором исследований и разработок содержатся технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики, заключающиеся в разработке технологий изготовления из бескислородной меди стенок сборных кристаллизаторов MHJ13, обладающих физико-механическими свойствами, сопоставимыми со стенками из серебросодержащей меди, благодаря чему обеспечивается экономия'ресурсов за счет улучшения эксплуатационных характеристик и снижения себестоимости изделий.

Методы исследования. Теоретический анализ процессов выполнен методами теории упругости, пластичности, феноменологической теории разрушения и теории надежности. Статистические модели получены методами планирования эксперимента и регрессионного анализа. При реализации экспериментов использованы методы тензометрии и микроанализа.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением математической статистики при обработке экспериментальных данных, оценкой адекватности разработанных теоретических моделей и промышленными испытаниями.

Научная, новизна работы заключается в разработке новых способа, инструмента и научно обоснованных методик проектирования^ заготовок стенок сборных кристаллизаторов из бескислородной меди и технологических режимов холодной кузнечной протяжки, основанных на результатах теоретических и экспериментальных исследований, включающих:

• анализ технологий изготовления стенок сборных кристаллизаторов и классификацию бойков для кузнечной протяжки заготовок медных стенок сборных кристаллизаторов, на основе которых предложены новые перспективные технологические решения, обеспечивающие повышение эффективности производства стенок сборных кристаллизаторов и улучшение их качества;

• научно обоснованную методику проектирования технологий холодной кузнечной протяжки медных заготовок для стенок сборных кристаллизаторов, позволяющих на основе математических моделей процессов на стадии разработки технологии осуществить выбор технологических режимов, оборудования и инструмента, определить возможность изготовления и прогнозирование эксплуатационных характеристик формообразованных деталей;

• разработанные методики проектирования физико-механических свойств стенок кристаллизаторов, основанные на теоретическом анализе процесса, феноменологической теории разрушения и теории надежности;

• методики и стенды для экспериментального исследования технологических параметров, процесса, позволившие установить закономерности процессов формообразования холодной кузнечной протяжкой медных заготовок, сформулировать граничные условия для анализа напряженного состояния в очаге деформации, проверить адекватность теоретических моделей, и построить статистические модели параметров процесса;

• разработанные и реализованные в промышленном производстве технологии изготовления типовых стенок сборных кристаллизаторов, со сформированной структурой,, устойчивой к процессам микроскопической деформации; ,

• методику проектирования формы кузнечных бойков, обеспечивающую при обработке медных заготовок надежность бойков по параметру безотказности, соответствующую лучшим мировым аналогам.

Практическая ценность и реализация работы. На основе предложенных в диссертации способа, методик расчета и установленных закономерностей процессов формоообразования холодной кузнечной протяжкой медных заготовок, результатов исследования параметров разработаны при личном участии автора новые технологии получения стенок сборных кристаллизаторов для машин непрерывного литья заготовок на ОАО «Машиностроительный концерн «ОРМЕТО-ЮУМЗ». Внедрение технологий обеспечило повышение долговечности стенок кристаллизаторов в 2,0.2,5 раза и расширение номенклатуры используемых материалов.

Публикации и апробация работы. Материалы работы опубликованы в 10 печатных трудах. Результаты работы доложены и обсуждены на международных и республиканских научно-технических конференциях в Рубцовске - 2004 г., Санкт-Петербурге - 2004 г., Пензе 2004 г., Пензе - 2006 г., Санкт-Петербурге - 2006 г. Работа обсуждена и одобрена на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета в 2008 году.

На способ изготовления изделий из бескислородной меди для кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок получен патент № 2253540 РФ. Конструкция кузнечного бойка защищена патентом на полезную модель 70172 РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, основных выводов, списка литературы из 129 наименований. Содержит 118 страниц машинописного текста, 58 рисунков и 21 таблицу.

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Выполнен анализ технологий изготовления стенок сборных кристаллизаторов и разработана классификация кузнечных бойков, на основе которых предложены новые перспективные технологические решения, обеспечивающие повышение эффективности производства стенок сборных кристаллизаторов и улучшение их качества.

2. Разработана научно обоснованная методика проектирования технологии холодной, кузнечной протяжки медных заготовок стенок сборных кристаллизаторов, позволяющая на основе математических моделей процессов на стадии разработки технологии осуществить выбор технологических режимов и конструкции инструмента, определить возможность изготовления деталей и провести прогнозирование эксплуатационных характеристик изделий.

3. На основе теоретического анализа процессов, феноменологической теории разрушения и теории надежности разработана методика формирования дефектной структуры медных заготовок стенок сборных кристаллизаторов, устойчивой к микроскопической деформации и снижающей неравномерность деформаций при перераспределении дислокационных скоплений в развитую субструктуру. Благодаря созданной структуры, заготовки из бескислородной меди М-ЭЛП, обладают физико-механическими свойствами сопоставимыми с заготовками из серебросодержащей меди: предел прочности равен 350.380 МПа, предел текучести -240.260 МПа, твердость - 100. .115 НВ.

4. Разработаны методики экспериментального исследования процессов холодной кузнечной протяжки медных стенок сборных кристаллизаторов, позволяющие установить закономерности процессов, сформулировать граничные условия для анализа напряженного и деформированного состояний в очаге деформации заготовки и инструмента, проверить адекватность математических моделей и построить статистические модели исследуемых параметров.

5. В результате разработки и реализации в промышленном производстве технологий изготовления типовых стенок сборных кристаллизаторов, проектируемых с применением научно обоснованных в диссертации методик расчета и рекомендаций, долговечность стенок кристаллизаторов MHJI3 увеличена в 2,0.2,5 раза, расширена номенклатура используемых материалов. Изготавливаемые, по предложенной технологии, стенки кристаллизаторов конкурентоспособны на рынках Российской Федерации и промышленно-развитых стран.

6. Разработана методика проектирования кузнечных бойков, обеспечивающая формирование рационального соотношения между компонентами тензора деформации заготовки и безотказность наработки кузнечных бойков в размере 90.93 часов, с вероятностью 92%, что соответствует лучшим мировым аналогам.

1. Паршин В.М. Сооружение литейно-прокатных комплексов - решение проблемы производства конкурентоспособной продукции?// Сталь. - № 6. -1999.-С. 26 -- 28.

2. А.с. 241673 СССР. Сплав на основе меди-// Корольков A.M., Безус Е.В. Опубл. в Б.И. № 14, 1969 г.

3. А.с: 24:1674 СССР; Сплав на основе меди // Фирсов A.M., Деянова С.В., Афонина Л.Г. и др. Опубл: в Б.И: № 14, 1969 г.

4. А.с. 378480 СССР. Сплав; на основе меди // Теслюк А.К., Рожков Ю.Е., БурбаВ.Н; Опубл. в Б.И{ № 19, 1973 г.

5. А.с. 562581 СССР. Модификатор // Горенко В.Г., Дурандин В.Ф., Конопацкий В.Л. и др. Опубл. в Б.И. № 23, 1977 г.

6. А.с. 715209 СССР. Материал рабочего слоя теплоотводящих стенок кристаллизатора // Ефремов П.Е., Зарвин Е.Я., Вавиловская Н.Г. и др. Опубл. в Б.И. № 6, 1980 г.

7. А.с. 718218 СССР. Материал для кристаллизатора; // Брук Я.Л., Зареченский Е.Т., Зинченко А.И. Опубл. в Б.И. № 8, 1980 г.

8. А.с. 1235634 СССР. Материал для изготовления кристаллизатора // Жельнис В.М., Шумахин В.С., Гусев В.Г. Опубл. в Б.И. №21, 1986 г.

9. Заявка 1603314 Великобритания. Способ изготовления кристаллизатора машины для непрерывной разливки стали.

10. Заявка 59-49102 Япония. Материал кристаллизатора установки непрерывной разливки.

11. Заявка 3725950 Германия. Сплав для изготовления кристаллизаторов.13