Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технологий изготовления отливок из высокомарганцовистой стали в разовых песчано-глинистых формах 13
1.1. Свойства и особенности литья стали 110Г13Л 13
1.2. Известные способы изготовления плит из стали Гадфильда 19
1.3. Цель и задачи исследования 21
Выводы к главе 1 24
Глава 2. Методы и методика исследования технологий литья плит из стали 110г13л в разовые песчано-глинистые формы 26
2.1. Метод планирования промышленных экспериментов 26
2.1.1. Методика оценки дефектности плит 29
2.1.2. Подготовка отливки к определению дефектности 31
2.1.3. Определение степени коробления плиты 31
2.1.4. Получение каталога и карты дефектов 31
2.1.5. Итоговая таблица и анализ результатов измерения 35
2.2. Метод компьютерного моделирования в системах инженерного анализа литейных процессов 38
2.3. Метод ультразвуковой дефектоскопии 42
2.4. Метод металлографического анализа 43
2.5. Метод электронной микроскопии 44
Выводы к главе 2 44
Глава 3. Разработка и исследование контсрукции литниково-питающей системы для производства плит из стали 110г13л 46
3.1. Классификация плоских дробящих плит 47
3.2. Твердотельное моделирование плит с литниково-питающей системой и компьютерный анализ вариантов ресурсосберегающей литейной технологии 48
3.3. Влияние конструкции базовой и разработанной литниковой системы на качество формирования отливок 66
3.4. Влияние места установки и объема прямой прибыли на качество плит, полученных литьем через разработанную литниковую систему 76
Выводы к главе 3 80
Глава 4. Теоретические положения и анализ результатов экспериментальных исследований 81
4.1. Измерение температуры остывающей стали, залитой в промышленную литейную форму 84
4.2. Расчет и оценка термических напряжений в плите, возникающих при остывании отливки в-форме и на стадии закалки 91
4.3. Анализ характера затвердевания отливки-плиты, полученной по разработанной литниково-питающей системе 96
4.4 Регрессионная модель связи дефектности и ресурса плиты с параметрами разработанной технологии 104
4.5. Оптимизация параметров разработанной ресурсосберегающей технологии 110
Выводы к главе 4 115
Глава 5. Промышленные испытания разработанной ресурсосберегающей технологии литья плит из высокомарганцовистой стали 117
5.1. Серийное производство плит на ОАО «ЧЭМК» по ресурсосберегающей технологии 117
5.2. Компьютерная программа расчета технологических параметров «Литая плита» 119
5.3. Экономическая эффективность от внедрения разработанной технологии 119
Выводы к главе 5 120
Основные выводы и результаты 121
Литература 125
Приложение
- Известные способы изготовления плит из стали Гадфильда
- Метод компьютерного моделирования в системах инженерного анализа литейных процессов
- Твердотельное моделирование плит с литниково-питающей системой и компьютерный анализ вариантов ресурсосберегающей литейной технологии
- Расчет и оценка термических напряжений в плите, возникающих при остывании отливки в-форме и на стадии закалки
Введение к работе
Актуальность проблемы. Ввиду стратегической важности отраслей загото-вительно-перерабатывающего комплекса (ЗПК) в обеспечении экономической безопасности страны, создание предпосылок их устойчивого качественного развития является важной народнохозяйственной задачей. Определяющим фактором эффективности функционирования ЗПК становится ресурсосбережение.
Поэтому при создании новых литейных технологий требуется обязательно учитывать рациональное и оптимальное использование материалов и энергии. Это касается технология изготовления литых плит из высокомарганцовистой стали 110Г13Л (Гадфильда), которые используют в дробильных установках ферросплавного производства, работают в условиях ударно-абразивного износа и имеют короткий срок эксплуатации.
Анализ специальной литературы и результаты предварительных экспериментов в цехе ремонтного литья ЧЭМК показали, что существующие подходы к способу изготовления литых плит из стали 110Г13Л в разовые песчано-глинистые формы требуют использования массивных прибылей, трудоемких манипуляций с литейной формой перед или после заливки для обеспечения заданного угла ее наклона, что увеличивает себестоимость технологии и приводит к низким показателем ТВГ (45...55%).
Поэтому создание прогрессивных технологий литья плит из высокомарганцовистой стали с конструированием оптимальных литниково-питающих систем, обеспечивающих повышение качества литых изделий при существенной экономии материала на литники и прибыли, снижении трудоемкость процесса является актуальной задачей литейного производства.
Цель и задачи исследования. Настоящая диссертационная работа имела целью повысить качество литых плит из высокомарганцовистой стали за счет создания новой конструкции литниково-питающей системы, а также разработать ресурсосберегающую технологию их литья в разовые песчано-глинистые формы. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
провести анализ известных способов литья плит из стали Гадфильда, выявить их недостатки и предложить новый вариант ресурсосберегающего процесса формирования плиты повышенного качества в разовых песчанно-глинистых формах;
определить методы исследования, разработать модель и создать методику определения дефектности литых плит в условиях действующего литейного производства;
разработать конструкции литниково-питающих систем (ЛПС) для плит из стали НОГ 13Л, обеспечивающих показатель технологического выхода годного (ТВГ) более 70%;
изучить влияние способа заливки стали Гадфильда через разработанные ЛПС на качественные показатели плиты;
изучить характер затвердевания плиты, изготовленной по разработанной технологии;
- методом планирования эксперимента создать математическую модель и оп
тимизировать технологические параметры;
- освоить в производстве разработанную ресурсосберегающую технологию.
Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально подтвер
ждена совокупность научных положений, обеспечивающих новые технологиче
ские решения в изготовлении литых плит из высокомарганцовистой стали при ли
тье в разовые песчано-глинистые формы. В том числе:
модель на основании, которой разработана методика оценки дефектности плиты в производственных условиях;
впервые определено влияние новой конструкции ЛПС на качество изготовления плит из стали 110Г13Л;
установлен характер затвердевания литой плиты из стали НОГ 13Л, полученной с использованием разработанной ЛПС;
теоретически и экспериментально доказана возможность применения разработанной ЛПС в технологии литья высококачественных плит из высокомарганцовистой стали с повышенным ТВГ до 75... 85%;
- впервые построена регрессионная модель разработанной технологии.
Практическая ценность работы. На основании проведенных теоретических
и экспериментальных исследований разработана ресурсосберегающая технология изготовления плит из высокомарганцовистой стали при литье в разовые песчано-глинистые формы устойчивая к колебаниям химического состава стали и температуры заливки, и, исключающая дополнительные манипуляции с залитой формой
Использование специальной конструкции ГЛС в сочетании с рациональным местом установки прямой прибыли обеспечивает получение плит из стали Гад-фильда с высоким уровнем физико-механических свойств и увеличенном в 1,5...1,7 раза ТВГ.
Компьютерная программа расчета параметров ресурсосберегающей технологии позволяет автоматизировать рабочее место технолога.
Внедрение данной технологии в производственный цикл литейных цехов позволит сократить себестоимость изготовления стальных отливок и увеличить срок их эксплуатации.
Реализация работы. Разработанная ресурсосберегающая технология изготовления плит из стали 110Г13Л прошла опытно-промышленное испытание в цехе ремонтного литья ОАО «Челябинский электрометаллургический комбинат» (ЧЭМК) на плитах разного типа-размера и массы, и успешно внедрена в производство с суммарным экономическим эффектом (в ценах 2008 г.) 4,3 млн. руб.
Апробация работы. Основные материалы диссертации были представлены на 8-й Всероссийской научно-практической конференции в Санкт-Петербурге (2010 г.), на XXX Российской школе по проблемам науки и технологиям, посвященной 65-летию Великой Победы, при УрО РАН г.Екатеринбург (2010 г.), на 12-й международной научно-технической конференции в Запорожье «Неметаллические включения и газы в литейных сплавах» (2009 г.) и XIV Международной конференции в Челябинске «Современные проблемы электрометаллургии стали» (2010 г.).
На защиту выносятся следующие положения:
модель и методика оценки дефектности плит в производственных условиях;
конструкция ЛПС, обеспечивающая повышение качество изготавливаемых плит и экономию металла на литники и прибыли;
экспериментальные результаты влияния параметров разработанной ЛПС на дефектность плит и срок эксплуатации;
характер затвердевания отливки, залитой через разработанную ЛПС;
математическая модель разработанной технологии.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 научных статей, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка из 118 наименований и приложений; содержит 136 страниц машинописного текста, 37 таблиц, 69 рисунков.
Известные способы изготовления плит из стали Гадфильда
Необходимо иметь в виду, что величина напуска также зависит от метода заливки: сифоном или сверху. Для ликвидации осевой рыхлости в плите высотой 300 мм необходим напуск 75 мм — при заливке сифоном и 60 мм - гпэи заливке сверху [70]. Из-за трудоемкости операции- механического удаления напуска такое технологическое решение не приемлемо.
В третьем случае (рис. 1в) для получения плотной отливки недостаточно только одной прибыли, как в двух предыдущих вариантах литья: Но если заливать данную форму в положении, показанном на рис. 1д, а после заполчения повернуть форму так, чтобы прибыль оказалась сверху, то услозия получения плотной отливки улучшаются. Изготовление данным способом хотя и имеет положительное значение, но в производственных условиях оказывается очень трудоемкой опреацией. [68].
В известных технологиях изготовления литых плит из стали 110Г13Л (см. п. 1.2), предусматривается одностороннее заполнение формы и протяженность горизонтальной литниковой системы вдоль контура отливки не превышает 10... 15% ее длины. Литниковая система располагается вдоль одной стороны отливки, а количество питателей составляет 2 — 4 шт. При этом наличие массивной прибыли является обязательным. Такая конструкция .тетпиково-питающей системы (ЛПС) связана, с вопросом экономии металла па л к тики и прибыли, а также учитывает обязательное условие положения форг- { при затвердевании стали; В случае отсутствия манипуляций с залитой (Ьоомом технологический процесс изготовления дробящих плит становится не с габигтьным. Например, при литье дробящих плит щековых дробилок (ш = 850ісгї в сухую песчано-глинистую форму коробление посадочной тыльной поверхности составляет 6...8 мм. Более 30% плит поражаются трещинами. Существенно начинают проявляться и усадочные дефекты.
Такое положение обусловлено отсутствием данных о влиянии на характер затвердевания литой плиты в горизонтально размещенной форме (без каких-либо наклонов или поворотов при заливке) таких конструктивных параметров ЛПС, как местоположение стояка, протяженность шлакоуловителя вдоль, контура плиты, количество питателей, соотношение суммарных площадей сечений литниковых канала, размер и местоположение прибыли.
Сложность математического описания термических напряжений в отливках не позволяет использовать детерминированные математические модели универсальных пакетов анализа, а многие специализированные компьютерные программы используют эмпирические модели, которые ориентированны на определенную узкую группу отливок. Поэтому задача создания математической модели, а в перспективе и компьютерной программы для рассматриваемой литейной технологии является актуальной.
Цель: Повысить качество литых плит из высокомарганцовистой стали за счет создания новой конструкции литниково-питающей системы, а также разработать ресурсосберегающую технологию их литья в разовых песчано-глинистых формах. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: - провести анализ известных способов литья плит из стали Гадфильда, выявить их недостатки и предложить новый вариант ресурсосберегающего процесса формирования плиты повышенного качества в разовых песчанно глинчстых формах; - определить методы исследования, разработать модель и создать методику определения дефектности литых плит в условиях действующего литейного производства; - разработать конструкции литниково-питающих систем (ЛПС) для плит из стали НОГ 13Л, обеспечивающих показатель технологического выхода годного (ТВГ) не ниже 70%; - изучить влияние способа заливки стали Гадфильда через разработанные ЛПС на качественные показатели плиты; - изучить характер затвердевания плиты, изготовленной по разработанной технологии; - методом планируемого эксперимента создать математическую модель ресурсосберегающей технологии и оптимизировать параметры; - освоить в производстве разработанную ресурсосберегающую технологию. Определим предмет и объект исследования. Предмет исследования. Дефекты (трещины в отливках, коробление, утяжина) в плоских стальных (110Г13Л) плитах, образующиеся при литье в разовых сухих песчано-глинистых формах (ПГФ) в зависимости от типа конструкции литниково-питающеи системы: места подвода металла к отливке, конструкции шлакоуловителя, варианта установки стояка на шлакоуловителе, соотношения сечений каналов литниковой системы, места установки прямой прибыли и ее объем, температуры заливки стали. Сырая песчано-глинистая форма для крупных отливок - слишком чувствительная к изменениям при продолжительной выдержке перед заливкой. Из-за нарушаения равномерного распределения влажности происходит отсыревание и коробление стержней, осыпание кромок формы, а в случае массивных отливок проявляется размерная нестабильность в виде дефекта «подутие».
Метод компьютерного моделирования в системах инженерного анализа литейных процессов
Для анализа тепловых процессов, протекающих в теле остывающей отливки применен метод компьютерного моделирования [107—108].
Развитие компьютерной техники и применение математического моделирования в литейной промышленности привели к появлению большого числа программ, посредством которых решаются часто встречающиеся на производстве литейные задачи.
Сегодня в мире. насчитывается более десяти систем автоматизированного моделирования литейных процессов. (САМ ЛП). Специалистам хорошо известны немецкая программа Magma и американская ProCast. в этом.же ряду нужно упомянуть американскую SolidCast, финскую CastCAE и немецкую WinCast. Полигон и- LVMFlow имеют российское происхождение.
Опыт практического применения САМ ЛП показал, что программные продукты зарубежных производителей не получили серьезного распространения на российском рынке. Причиной тому— высокая цена программ, отсутствие в большинстве случаев русскоязычного, интерфейса и отечественной базы данных по материалам и сплавам, а также сложность обучения.
Программы для моделирования литейных процессов, используемые сегодня в России, в основном различаются степенью полноты факторов, учитываемых при моделировании, и, соответственно, стоимостью. Второе существенное различие связано с методами получения и решения разностных уравнений: уравнения тепломассопереноса могут быть записаны в дифференциальном или интегральном виде.
Метод конечных разностей (МКР) базируется на уравнениях в дифференциальной форме, при этом дифференциальные операторы заменяются конечно-разностными соотношениями. Они строятся на ортогональных сетках (прямоугольной, цилиндрической и т.д.). Это позволяет факторизовать операторы и свести решение многомерной задачи к последовательности одномерных задач, а значит, существенно упростить и ускооить решение общей системы уравнений. К недостаткам метода следует отнести плохую аппроксимацию границ сложных областей, что не слишком принципиально для уравнений теплопроводности, но весьма существенно для уравнений гидродинамики. Кроме того, метод плохо работает в случае тонкостенных отливок, когда толщина стенок становится сравнимой с шагом сетки.
Методы конечных элементов (МКЭ) и конечных объемов (МКО) базируются на уравнениях тепломассопереноса в интегральном виде. Область, в которой решаются уравнения, разбивается на элементы, внутри которых строятся аппроксиманты функций на основе системы базисных функций, определенных на элементе. «Проецируя» интегральные уравнения на этг4 базисы, получают систему разностных уравнений. Система значительно сложнее принятой в МКР, ее решение требует больших ресурсов памяти и немалого времени. Одним из главных достоинств метода конечных элементов является хорошая аппроксимация границ, а основными недостатками- необходимость в мощном генераторе конечных элементов, сложность уравнений и невозможность факторизации.
Модификации МКО пытаются соединить в себе простоту и факторизацию МКР и хорошую аппроксимацию границ между различными материалами и разными фазами.
При решении некоторых литейных вопросов предпочтителен метод конечных элементов. Например, с получением тонкостенных отливок больших геометрических размеров, МКЭ обеспечивает ряд преимуществ. Он позволяет использовать конечные элементы разной дискретности. Применение метода конечных разностей в подобных случаях приводит к увеличению количества узлов сетки, а следовательно, к большей продолжительности компьютерного расчета.
Современное развитие компьютерной техники полностью снимает ограничения по объему оперативной памяти персональных компьютеров, необходимой для решения самых сложных задач, с которыми сталкиваются технопоги-литейщики. Как показывает практика, для решения большинства производственных задач методом конечных разностей достаточно 512 Мбайт оперативной памяти.
Отечественные разработки в области систем автоматизированного моделирования литейных процессов представлены двумя программными продуктами: Полигон (разработчик- ООО «Фокад», Санкт-Петербург) и LVMFlow (разработчик- ЗАО «НПО МКМ», Ижевск) с методами МКЭ и МКР, соответственно.
Практическое сравнение программ показало, что использование метода конечных элементов, применяемого в САМ ЛП «Полигон», не обеспечивает удовлетворительных результатов при оперативном решении производственных задач. Сложность заключается в том, что использование МКЭ требует высокой квалификации инженеров-технологов и больших затоат рабочего времени при проведении анализа литейной технологии. Кроме того, необходимо приобретение дорогостоящего дополнительного программного обеспечения для генерации сетки конечных элементов.
Напротив, применение метода конечных разностей для решения технологических задач в САМ ЛП LVMFlow позволяет в течение короткого cpnvn (от нескольких часов до нескольких дней) решить поставленную задачу, не требуя от технолога специальной подготовки. Связано это с тем, что трудоемкая операция разбиения геометрической модели отливки на расчетные элементы, которая при работе в «Полигоне» может занять до 90% отведенного на моделирование времени, в LVMFlow происходит автоматически — технологу нужно только указать размер «ячейки».
Твердотельное моделирование плит с литниково-питающей системой и компьютерный анализ вариантов ресурсосберегающей литейной технологии
В соответствии с методикой проведения компьютерного инженерного анализа сначала была построена в SolidWorks твердотельная модель плиты средней массы и модель литниковой системы (рис. 7).
Далее в LVMFlow создали конечно-разностную сеточную модель плиты с ЛС (рис. 8).
Используя базу данных системы LVMFlow, были назначены материал формы, выбран сплав, заданы начальные температуры, определено место подвода расплава в литниковой воронке и произведен компьютерный расчет процесса заливки формы сталью и затвердевания плиты.
В ходе компьютерного моделирования варьировали типом литниковой системы - І-ЛС, V-ЛС, Г-ЛС, С-ЛС (см. рис. 9) и местом установки прибыли (см. рис.10) - вариант от 1 до 4. Учитывая справочную информацию и расчет прибыли по методу Пржибыла [93-99] были заданы следующие параметры
На основании результата компьютерного моделирования (см. п. 3.2) установлено, что наихудшим вариантом с позиции формирования усадочных дефектов является технология с І-ЛС, а наилучшим — технология с Г-ЛС и угловой прибылью (вариант 3). Поэтому технология с І-ЛС взята в качестве базовой, а с Г-ЛС - разработанной.
На этапе промышленных экспериментов варьировали типом плиты (легкая, средняя, массивная), количеством питателей в литниковой системе, местом установки стояка на шлакоуловителе, объемом и местом установки прибыли.
Стояк устанавливали по краям и в серединах ветвей шлакоуловителя, а также в месте его изгиба (рис. 30 и 31).
По методике, подробно рассмотренной в главе 2, в технологических каратах оценивали дефекты: степень коробления Sk (мм), наличие трещин Тг (протяженность трещины в мм), утяжина Ut (см3/дм2). Для оценки суммарного показателя дефектов отливки (ЕДУІ) значения каждого из указанных были приведены к нормированному безразмерному виду (ДУІ, ДУ2, Дуз): минимальному значению дефекта присвоили индекс «О», а максимальному присвоили индекс «1»). Температура заливки стали находилась в интервале 1380... 1450С[113, 114]. Результаты экспериментов представлены в табл.5 - 22 и на рис.32 - 37.
Из таблиц и рисунков видно, что минимальные показатели бракованных и дефектных отливок обеспечиваются при следующих параметрах разработанной литниковой системы: легкая плита - 6 питателей, средняя плита - 8 питателей, массивная плита - 6 питателей, стояк располагается в месте изгиба шлакоуловителя.
Расчет и оценка термических напряжений в плите, возникающих при остывании отливки в-форме и на стадии закалки
В диссертации и публикациях теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений и технологических решений, позволяющих разрабатывать новые конструкции литниково-питающих систем (изученный характер затвердевания отливки позволит в будущем создать новые виды шлакоуловителей в сочетании с рациональным местом прибыли на отливке), новые технологии литья плит из высокомарганцовистых сталей в разовые песчано-глинистые формы (отличительные ресурсосберегающие особенности технологии приведут будущих исследователей к отысканию возможностей экономии расплава за счет способа заливки формы) и эффективно управлять ими (появляется возможность создания системы управления литейной технологией на основе оптимальных показателей производства плит из высокомарганцовистой стали).
Практическая ценность работы. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана ресурсосберегающая технология изготовления плит из высокомарганцовистой стали при литье в разовые песчано-глинистые формы устойчивая к колебаниям химического состава стали и температуры заливки, и, исключающая дополнительные манипуляции с залитой формой Использование специальной конструкции ГЛС в сочетании с рациональным местом установки прямой прибыли обеспечивает получение плит из стали Гадфильда с высоким уровнем физико-механических свойств и увеличенном в 1,5... 1,7 раза ТВГ. Компьютерная программа расчета параметров ресурсосберегающей технологии позволяет автоматизировать рабочее место технолога. Внедрение данной технологии в производственный цикл литейных цехов позволит сократить себестоимость изготовления стальных отливок и увеличить срок их эксплуатации. Степень достоверности результатов. Достоверность результатов, изложенные в диссертации, обеспечивается использованием современных приборов и методов исследования (электронная микроскопия на РЭМ 200 и микроанализаторах JOEL 6404 (Япония), программно-аппаратный комплекс Tixomet (Россия), система инженерного анализа LVMFlow (Россия) и ультразвуковой дефектоскоп PELENG-103), необходимым и достаточным количеством экспериментального материала, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов. Разработанная технология изготовления плит из высокомарганцовистой стали в разовых песчано-глинистых формах прошла, успешные промышленные испытания и внедрена на ОАО ЧЭМК. Реализация работы. Разработанная ресурсосберегающая технология изготовления плит из стали 110Г13Л прошла опытно-промышленное испытание в цехе ремонтного литья ОАО «Челябинский электрометаллургический комбинат» (ЧЭМК) на плитах разного типа-размера и массы, и успешно внедрена в производство с суммарным экономическим эффектом (в ценах 2008 г.) 4,3 млн. руб. Апробация работы. Основные материалы диссертации были представлены на 8-й Всероссийской научно-практической конференции в Санкт-Петербурге (2010 г.), на XXX Российской школе по проблемам науки и технологиям, посвященной 65-летию Великой Победы, при УрО РАН г.Екатеринбург (2010 г.), на 12-й международной научно-технической конференции в Запорожье «Неметаллические включения и газы в литейных сплавах» (2009 г) и XIV Международной конференции в Челябинске «Современные проблемы электрометаллургии стали» (2010 г).
На защиту выносятся следующие положения: — модель и методика оценки дефектности плит в производственных условиях; — конструкция ЛПС, обеспечивающая повышение качество изготавливаемых плит и экономию металла на литники и прибыли; — экспериментальные результаты влияния параметров разработанной ЛПС на дефектность плит и срок эксплуатации; — характер затвердевания отливки, залитой через разработанную ЛПС; — математическая модель разработанной технологии. Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 научных статей, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка из 118 наименований и приложений; содержит 136 страниц машинописного текста, 37 таблиц, 69 рисунков.
