Введение к работе
Актуальность работы. Операция прошивки в станах винтовой прокатки в значительной мере влияет на технико-экономические показатели процесса производства бесшовных труб, а прошивная оправка является важнейшим элементом технологического инструмента, определяющим качество получаемой гильзы. Оправки эксплуатируются при высоких температурах и давлениях, а тенденция к производству бесшовных труб из легированных сталей существенно усугубляет эти условия. Используемые для изготовления оправок конструкционные и инструментальные стали не вполне соответствуют новым условиям их эксплуатации, и поэтому изучение их теплового состояния, оказывающего наибольшее влияние на износостойкость, является актуальной задачей.
Циклическое воздействие на оправку высоких температур при прошивке и резкое их снижение в процессе охлаждения весьма опасно из-за вероятности появления термических напряжений, что обуславливает необходимость его исследования.
Существующие способы повышения износостойкости оправок в новых условиях эксплуатации не позволяют достичь удовлетворительных результатов, и поэтому весьма актуальным является разработка новых конструкций и совершенствование режимов охлаждения изнутри.
Цель и задачи работы.
Целью настоящей работы является исследование теплового и термонапряженного состояния водоохлаждаемых оправок при прошивке легированных сталей и разработка на этой основе способов увеличения их износостойкости.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
произвести сравнительный анализ и выбрать рациональный метод расчета температурных полей водоохлаждаемых прошивных оправок;
определить тепловое и термонапряженное состояние водоохлаждаемых оправок, исследовать влияние на них технологических факторов прошивки и оценить адекватность полученных результатов в промышленных условиях;
изучить механизм износа водоохлаждаемых оправок из конструкционных хромоникелевых сталей и эффект термоциклического упрочнения;
определить тепловые поля оправок различных конструкций и проверить в промышленных условиях их эффективность;
предложить конструкцию оправки без выпрыска воды и пара для прошивки высокохромистых сталей;
разработать методику прогнозирования износостойкости оправок при прошивке углеродистых и легированных сталей и проверить её адекватность.
Научная новизна:
Выполнен сравнительный анализ методов конечных разностей и конечных элементов, на основе которого последний выбран для расчета тепловых полей водоохлаждаемых оправок.
Разработана методика и произведен расчет теплового состояния водоохлаждаемых оправок, исследовано влияние основных технологических факторов прошивки на тепловое поле, адекватность которого установлена промышленным экспериментом.
В результате решения линейной квазистатической задачи термоупругости определены термические напряжения, возникающие в переменном тепловом поле оправок, установлены потенциально опасные области.
На основании экспериментальных исследований определены закономерности износа оправок из хромоникелевых сталей и обоснован эффект термоциклического упрочнения обеспечивающий увеличение их износостойкости при прошивке легированных сталей.
Разработаны методики и произведен расчет теплового и термонапряженного состояния оправок с наплавкой, жаропрочным наконечником и развитой полостью охлаждения, позволяющий усовершенствовать их конструкцию для увеличения износостойкости.
Реализация результатов работы:
сформулированы рекомендации по изготовлению оправок различных конструкций и использованию жаропрочных материалов позволяющие повысить их износостойкость, опробованные в промышленных условиях;
разработаны конструкция водоохлаждаемой оправки и стержня прошивного стана (патент РФ № 2423194);
результаты исследования внедрены путем передачи в виде комплексной компьютерной программы прогнозирования износостойкости оправок на ОАО «СинТЗ»;
результаты работы внедрены в процесс обучения студентов по направлению «Металлургия» с профилем «Обработка металлов давлением».
Методы исследований и достоверность результатов. При разработке методики создания моделей теплового состояния водоохлаждаемых прошивных оправок использована система твердотельного моделирования SolidWorks, для расчета тепловых и термонапряженных полей использованы интегрированная среда разработки приложений RAD Studio 2007 и расчетный модуль COSMOSWorks. При изучении эффективности системы охлаждения водоохлаждаемых прошивных оправок применялся расчет с помощью модуля Flow Simulation. Также использовались методы металлографических исследований при изучении механизма износа.
Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, имеют теоретическое и практическое обоснование, получены с использованием экспериментальных и теоретических методов исследования, математической обработки результатов на современной вычислительной технике. Промышленное опробование подтвердило адекватность полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации изложены и обсуждены на: международной, межвузовской научно-технической конференции «64-е дни науки студентов МИСиС» (Москва, 2009); международной, межвузовской научно-технической конференции «65-е дни науки студентов МИСиС» (Москва, 2010); научно-технической конференции «Павловские чтения» (Москва, ИМЕТ РАН, 2010).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 10 печатных работах, из которых 7 статей – в научно-технических журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов, изложена на 155 страницах машинописного текста, включающего 120 рисунков, 11 таблиц, библиографический список из 84 наименований отечественных и зарубежных авторов.
