Установка совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для производства биметаллических полос


О. С. Лехов, М. М. Шевелев









УСТАНОВКА СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛОС



Монография
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.74+621.771
ББК34.51
    Л53



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры металлургических и роторных машин УрФУ В. В. Каржавин;
доктор технических наук, профессор кафедры обработки металлов давлением УрФУ Ю. Н. Логинов





     Лехов, О. С.
Л53 Установка совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для производства биметаллических полос : монография / О. С. Лехов, М. М. Шевелев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 256 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-0715-1

     Изложены научные основы технологии производства трехслойных биметаллических полос. Освещены закономерности распределения температуры плакирующих слоев и основной полосы при ее прохождении через расплав легированной стали. Приведены результаты определения напряженного состояния бойков от усилия обжатия и температурной нагрузки. Представлены результаты определения напряжений в очаге циклической деформации и бойках при получении сталемедных трехслойных биметаллических полос. Проанализированы закономерности распределения в бойках установки температуры, термоупругих и суммарных напряжений.
     Для инженерно-технических работников. Может быть полезно студентам машиностроительных специальностей.

                                               УДК 621.74+621.771
                                               ББК34.51






ISBN 978-5-9729-0715-1    © Лехов О. С., Шевелев М. М., 2021
                           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение........................................................6

1. Аналитический обзор .........................................9
    1.1. Технология и оборудование для производства биметаллических полос ......................................9
    1.2. Установка совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для производства трехслойных биметаллических полос .....................................24
            1.2.1. Способ получения трехслойной биметаллической полосы ............................26
    1.3. Опытно-промышленная установка непрерывного литья и деформации ОАО «Уральский трубный завод» .................28
    1.4. Общая постановка задачи ............................. 31

2. Расчет температурных полей плакирующих слоев и основной полосы при получении трехслойного биметалла легированная сталь -конструкционная сталь - легированная сталь на установке
  непрерывного литья и деформации..............................34
    2.1. Постановка задачи, исходные данные, расчетная схема и граничные условия ........................................ 34
    2.2. Методика расчета температурных полей трехслойной биметаллической полосы .....................................35
    2.3. Модель для расчета и конечно-элементная модель .......39
    2.4. Температурные поля основной полосы и плакирующих слоев при получении трехслойного биметалла
        сталь 09Г2С - сталь Ст3 - сталь 09Г2С..................40

3. Напряженно-деформированное состояние металлов плакирующего слоя и основной полосы при получении трехслойных стальных биметаллических полос легированная сталь -конструкционная сталь - легированная сталь на установке непрерывного литья и деформации ..................54
    3.1. Постановка задачи, исходные данные, расчетная схема и граничные условия ...................................... 54
    3.2. Результаты расчета течения металлов плакирующих слоев
        и перемещения основной полосы при обжатии стального трехслойного биметаллического слитка ..................60
    3.3. Распределение осевых и касательных напряжений в очаге деформации при получении трехслойных биметаллических полос .....................................80
            3.3.1. Напряжения в очаге деформации при получении биметалла с толщиной плакирующего слоя 2 мм .......80
            3.3.2. Напряжения в очаге деформации при получении биметалла с толщиной плакирующего слоя 4 мм .......98

3

            3.3.3. Напряжения в очаге деформации при получении биметалла с толщиной плакирующего слоя 6 мм ......94
    3.4. Напряженное состояние и выбор материала бойков установки непрерывного литья и деформации при получении стальных биметаллических полос .................................. 103
4. Напряженно-деформированное состояние металла
  плакирующего слоя из алюминия при получении трехслойных биметаллических листов на установке непрерывного литья
  и деформации .................................................. 109
    4.1. Постановка задачи, исходные данные и расчетная схема ... 110
    4.2. Результаты расчета течения металла плакирующих слоев ... 114
    4.3. Результаты расчета осевых и касательных напряжений в очаге деформации ..................................... 120

5. Напряженно-деформированное состояние металла плакирующего слоя при получении трехслойных биметаллических полос медь - сталь - медь на установке
  непрерывного литья и деформации ............................ 134
    5.1. Постановка задачи, исходные данные, расчетная схема и граничные условия ...................................... 134
    5.2. Результаты расчета течения металла плакирующего слоя
        в очаге деформации трехслойного биметалла медь - сталь - медь ........................... 137
    5.3. Распределение осевых и касательных напряжений в очаге. Деформации по линиям контакта плакирующего слоя с бойком и основной полосой ..................................... 145

6. Напряженное состояние бойков без каналов от усилия обжатия и температурной нагрузки при получении трехслойного биметалла медь - сталь - медь на установке совмещенного процесса
  непрерывного литья и деформации ............................... 154
    6.1. Постановка задачи, исходные данные и граничные условия . 154
    6.2. Методика решения задач теории упругости методом конечных элементов в объемной постановке ........................ 161
            6.2.1. Результаты расчета осевых и эквивалентных напряжений отусилия обжатия биметаллической полосы .......... 162
    6.3. Расчет температурных полей и напряжений в бойках
        без каналов при получении трехслойных биметаллических полос медь - сталь - медь на установке непрерывного литья
        и деформации ............................................ 175
            6.3.1. Методика расчета температурных полей и термоупругих напряжений в бойках без каналов методом конечных элементов в объемной постановке с использованием пакета ANSYS.....................................175
            6.3.2. Теория расчета температурных полей и термоупругих напряжений в бойках методом конечных элементов в объемной постановке............................. 177

4

            6.3.3. Постановка задачи, исходные данные и граничныеусловия ............................. 181
            6.3.4. Результаты расчета температурных полей бойков без каналов при обжатии
                  биметаллической полосы .......................... 182
            6.3.5. Распределение осевых термоупругих напряжений в бойках без каналов при обжатии биметаллического слитка и на холостом ходу ........................ 187
            6.3.6. Распределение осевых термоупругих напряжений по толщине приконтактного слоя и длине бойка при обжатии биметаллического слитка............... 199
            6.3.7. Распределение осевых и эквивалентных напряжений в бойках отусилий обжатия и температурной нагрузки при получении биметаллических полос медь - сталь - медь на установке
                  непрерывного литья и идеформации ................ 218

7. Экспериментальное исследование совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для производства биметаллических полос на опытно-промышленной установке
  ОАО «Уральский трубный завод».................................... 231
    7.1. Оборудование участка непрерывного литья и деформации ..... 231
    7.2. Методика эксперимента, используемая аппаратура и датчики . 232
    7.3. Результаты экспериментального исследования процесса получения трехслойных биметаллических полос.............. 233

Заключение..........................................................240

Список литературы...................................................243


5

            ВВЕДЕНИЕ



     Основной тенденцией развития современного производства является устойчивое стремление к повышению качества и эксплуатационных свойств конструкционных материалов для различных отраслей техники. Все это вызвало необходимость разработки и внедрения прогрессивных ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих создание и освоение принципиально новых металлических материалов, обладающих требуемым комплексом служебных свойств. Следует заметить, что во многих случаях отдельные металлы и сплавы не могут обеспечить необходимую работоспособность изделия, когда особые свойства требуются от части его объема, чаще всего поверхностного контактного слоя. В этом случае сложное объемное легирование, как правило, нецелесообразно и для подобных условий весьма широкое применение нашли слоистые металлические композиции, которые могут быть изготовлены путем соединения разнородных металлов в единый целостный монолит, сохраняющий надежную связь его составляющих при дальнейшей технологической обработке и в условиях эксплуатации [1-5].
     К числу таких многослойных материалов, состоящих из двух и более слоев, относятся биметаллы, которые позволяют существенно повысить эффективность производства широкого класса деталей и оборудования для предприятий машиностроения и других отраслей техники [1]. В настоящее время все биметаллы классифицированы по назначению и представляют собой важнейшую группу промышленных материалов с широким спектром служебных свойств, таких как коррозионно-стойкие, антифрикционные, инструментальные и ряд других [2]. Анализ литературы показал, что существует ряд способов получения слоистых композиционных материа

6

лов [1-7]. Различные способы получения биметаллов не исключают, а взаимно дополняют друг друга, причем наиболее распространены отливка, наплавка и прокатка.
     Основными технологическими задачами в развитии рассмотренных процессов получения качественного биметаллического материала выделяют обеспечение на границе жидкого и твердого металлов устойчивого и контролируемого теплового режима, достаточного для их однородной сварки и исключающего непровары, неравномерное или чрезмерное оплавление введенной в кристаллизатор заготовки и другие возможные дефекты на границе слоев компактируемой многослойной композиции. Кроме того, весьма важным можно считать необходимость увеличения ширины биметаллических листов, производимых рулонными методами, а также получение композиции с повышенной толщиной плакирующих слоев (до 10-15 %) от толщины основного металла [2, 3]. Это обстоятельство вызывает необходимость развития современных отечественных технологий производства биметаллов с высокими показателями качества. При этом технология их получения должна не только обеспечивать комплекс требуемых свойств, но быть экономной и конкурентоспособной как на внутреннем, так и на мировом рынках. Также известно, что биметаллы позволяют не только повысить надежность и долговечность большого класса деталей и оборудования, но и существенно сократить расходы на их изготовление в результате экономии дорогостоящих цветных металлов.
     Основные задачи при создании биметалла заключаются в обеспечении прочного соединения и заданного соотношения толщины слоев композиции, а также структуры, механических, технологических и других свойств биметалла [2]. Однако, несмотря на высокую техническую и экономическую эффективность применения биметаллов их производство существенно отстает от потребностей химической, нефтяной, транспортной, энергетической и других отраслей промышленности [7].

7

     Для решения указанных задач при производстве трехслойных биметаллических полос может быть эффективно использована установка совмещенного процесса непрерывного литья и деформации, конструктивные особенности которой описаны в работах [8-17].
     Для оценки новой технологии производства непрерывных трехслойных биметаллических полос с учетом вышеизложенного необходимо проведение исследования температурного режима и напряженно-деформированного состояния металлов плакирующих слоев и основной полосы при получении трехслойных биметаллических полос на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Это позволит определить температурные поля металлов плакирующих слоев и основной полосы, закономерности течения металлов плакирующих слоев и основной полосы и распределение осевых напряжений в очаге деформации трехслойного биметаллического слитка. Также важно оценить напряженное состояние бойков установки непрерывного литья и деформации от усилия обжатия и температурной нагрузки, что позволит обоснованно выбрать материал бойков с целью повышения их стойкости. Для оценки результатов теоретического исследования необходимо провести экспериментальное исследование совмещенного процесса получения трехслойных биметаллических полос на опытной установке непрерывного литья и деформации ОАО «Уральский трубный завод».

8

            1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР



        1.1. Технология и оборудование для производства биметаллических полос

      Широкое применение в различных областях техники находят биметаллы. Их использование позволяет достичь не только качественно новых свойств изделий, но и существенной экономии дорогостоящих материалов и прежде всего цветных металлов [1-7].
      В связи с этим необходимо создание и внедрение ресурсосберегающих технологических процессов и оборудования на заводах цветной металлургии и улучшения качества биметаллических полос.
      Производство биметаллических полос на заводах ОЦМ, в частности сталь - алюминий, путем прокатки связано с высокими капитальными и эксплуатационными затратами и имеет низкую производительность.
      Существующие способы непрерывного литья биметалла не позволяют получить биметаллический слиток высокого качества, поскольку соединение слоев биметалла осуществляется после выхода слоев из двух кристаллизаторов, что приводит к образованию на поверхностях слоев окисных пленок, которые ухудшают условия сцепления слоев, при этом плакирующий слой имеет литую структуру металла. Кроме того, реализация этих способов связана с высокими капитальными и эксплуатационными затратами.
      Известны различные квалификационные схемы способов получения биметаллов, среди них авторы работы [4] предлагают классифицировать способы получения слоистых металлов по признаку наличия и отсутствия пластического деформирования. Они делят все методы получения биметалла на две большие группы: способы с применением пластического

9

деформирования (хотя бы одного из компонентов) и способы без пластического деформирования. В первую группу входят прессование, прокатка, во вторую - литье, наплавка, сварка плавлением.
      В работе [18] сделан вывод о том, что при получении биметаллических листов способом совместной пластической деформации осуществляется совмещение процессов требуемого формоизменения компонентов с их соединением в биметалл. При этом на характер деформации компонентов существенное влияние оказывают как температурно-скоростные условия, объемное соотношение компонентов биметалла, так и особенности приложения внешних сил, обусловленные конструктивными особенностями деформирующего инструмента (двухстороннее или многостороннее обжатие). При совместной прокатке заготовок, состоящих их разнородных металлических компонентов, сложные закономерности развития их пластического течения по длине очага деформации обуславливают сложный характер развития межслойной поверхности, по которой происходит формирование соединения.
      Основной задачей большинства исследований является отыскание термомеханических условий схватывания слоев под действием пластической деформации. Между тем последующая за схватыванием равномерная совместная пластическая деформация может приводить не только к росту прочности соединения, но и к ее потере вследствие частичного или полного разрушения связей на контактной поверхности.
      В работе [2] отмечается, что биметаллы позволяют не только повысить надежность и долговечность большого класса деталей и оборудования, но и существенно сократить расходы на их изготовление в результате экономии дорогостоящих цветных металлов (меди, никеля, хрома, титана, молибдена, алюминия и др.). Применение биметаллов (низколегированная сталь + быстрорежущая сталь) позволяет на 70-80 % сократить расходы

10

быстрорежущей стали. Использование биметаллических контактов в электрических цепях дает экономию не только электроэнергии, но и цветных металлов, идущих на изготовление токоведущих деталей. Основные задачи при создании биметалла заключаются в обеспечении прочного соединения и заданного соотношения толщин слоев композиции, а также структуры, механических, технологических и других свойств биметалла. Все существующие способы соединения металлов можно объединить в две большие группы: сварка плавлением (литейный метод, наплавка и др.) и сварка давлением (совместная горячая и холодная пластическая деформация, сварка взрывом и др.). Возрастающие потребности в биметаллах вызвали необходимость создания высокопроизводительных процессов их производства. Например, имеет перспективы инверсионное литье - процесс, при котором полоса-основа проходит через ванну с жидким металлом, который кристаллизуется на основе и вместе с ней вытягивается в виде биметалла с контролируемой конечной толщиной. Способ холодного рулонного плакирования основан на способности большинства пластически деформируемых металлов соединяться (сцепляться) при совместной деформации. Основной показатель качества биметалла - прочность соединения составляющих, которая определяется свойствами металлов (химическим составом, состоянием контактных поверхностей, механическими свойствами, структурой) и параметрами процесса (давлением, температурой, скоростью деформации и др.). Биметаллы можно подразделить на коррозионно-стойкие (сталь -коррозионно-стойкая сталь, сталь - титан, сталь - медь или медные сплавы), антифрикционные (сталь - медь и медные сплавы, сталь - алюминиевые сплавы), электротехнические (сталь - медь или медные сплавы, сталь -алюминий, сталь - никель, сталь - титан), износостойкие и инструментальные (углеродистая сталь - легированная сталь, низкоуглеродистая сталь -карбидная сталь).

11

      В работе [3] отмечается, что биметаллы используются различными отраслями промышленности: электротехнической и электронной, автотракторной, химической, оборонной, машиностроением для легкой пищевой промышленности. Ряд способов производства биметаллов основан на способности соединения металлов при высоких температурах. В ряде технологий соединение металлов достигается при взаимодействии расплавленного металла с твердым, когда протекают процессы смачивания поверхности твердого металла жидким и растворение первого в последующем. Однако высокие температуры интенсифицируют процессы окисления металлов и образования окисных пленок на контактных поверхностях, что вызывает необходимость их защиты. В связи с этим особую роль приобретают способы, не требующие технологических операций нагрева зоны соединения. К этим способам относятся холодное плакирование и сварка взрывом.
      Использование сварки взрывом - технически и экономически целесообразный способ получения следующих видов биметаллов: листов, в том числе крупногабаритных (площадью более 4-6 м²) с плакирующим слоем из коррозионно-стойких, износостойких и антифрикционных металлов. Дальнейшую обработку давлением сваренных взрывом биметаллических заготовок можно вести в горячем, теплом и холодном состоянии. Холодная прокатка - один из самых перспективных способов производства биметаллов, обладающий большими технологическими и экономическими достоинствами. Технологический процесс включает подготовку исходных составляющих, совместную холодную прокатку слоистых заготовок с высоким обжатием и термообработку биметалла. Во всех случаях холодной прокатки (пакетной и рулонной) для получения биметаллов исходные заготовки подвергают обезжириванию, травлению (при необходимости) и зачистке контактных поверхностей. К настоящему времени разработаны технологии холодного плакирования широкого класса биметаллов: сталь + медные

12

сплавы, сталь + алюминиевые сплавы, сталь + никелевые сплавы и др. Полученные этим способом композиции из двух, трех и более слоев общей толщиной 0,1-10 мм (и более) и шириной до 300 мм находят широкое применение в электронной, электротехнической, автомобильной, оборонной промышленности. К основным технологическим задачам в развитии этих процессов относятся увеличение ширины биметаллических листов, производимых рулонным методом, а также получение композиции с повышенной толщиной плакирующих слоев (до 10-15 %)от толщины основного слоя).
       В работе [19] показано, что существует необходимость получения непрерывнолитых биметаллических и армированных заготовок с целью повышения их прочности. Приведены результаты моделирования на свинце получения непрерывнолитых кованых стальных армированных заготовок. Исследовали процесс изготовления непрерывнолитых кованых свинцовых заготовок прямоугольного сечения 7-12 *30 мм², армированных медными и алюминиевыми шинами. Размеры поперечного сечения последних составили соответственно 3 х 8и 4,5 х 15 мм², диаметр алюминиевого провода 5 мм. Экспериментальная установка включает разливочную емкость со стопором, погружной разливочный стакан, водоохлаждаемый кристаллизатор с приводом, редуктором и электродвигателем. Основным элементом установки является кристаллизатор, обеспечивающий обжатие металла на стенках, выполненных под наклоном в верхней части. Предварительно перед заливкой металла в кристаллизатор одновременно с затравкой устанавливают шину (провод) и ее проковывают. Металл заливают при зафиксированной шине, что исключает необходимость наличия приводных роликов. Исследование качества непрерывнолитых кованых армированных свинцовых заготовок показало, что при скорости литья выше 0,5 м/мин и температуре свинца 430-500 °C и при поддержании уровня расплава в зоне обжатия кристаллизатора обеспечивается получение непрерывнолитых кованых армированных заготовок с отсутствием на поверхности трещин и пор в металле.

13