Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный технологический университет»

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Разработка расчетных методов оценки живучести рабочих и опорных прокатных валков

01.02.06 - Динамика и прочность машин, приборов и аппаратуры

Бочектуева Елена Баторовна

Москва - 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный технологический университет» (ВСГТУ, г. Улан-Удэ)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Покровский Алексей Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сарбаев Б.С.

доктор технических наук, профессор Захаров М.Н.

Ведущее предприятие ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ», г. Орск

Защита диссертации состоится «27» января 2011 г. в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.141.03 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана.

Автореферат разослан «27» декабря 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Ю. Карпачев

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Значительная часть металлопродукции выпускается в настоящее время в России и за рубежом в виде листового проката. С каждым годом повышаются требования к качеству прокатываемого листа. Увеличивается степень обжатия при прокатке, возрастает доля труднодеформируемых материалов. Все это приводит к ужесточению условий работы прокатных валков, увеличению эксплуатационных напряжений, и как следствие, к повышению требований по их твердости и прочности. В настоящее время крупногабаритные прокатные валки холоднолистовой прокатки в основном закупают за рубежом. В связи с этим актуальной задачей является изготовление отечественных высококачественных крупногабаритных рабочих и опорных прокатных валков и оценка их живучести.

В настоящее время крупногабаритные прокатные валки производятся либо цельноковаными, либо биметаллическими. Для изготовления цельнокованых валков применяются, в основном, высокопрочные валковые стали 90Х, 90ХФ, 60ХСМ, 75ХМ, 75Х2СГФ, 9Х2МФ, 9Х3МФ, 9Х5МФ и другие. При изготовлении биметаллических валков на ось, выполненную из обычной валковой стали, например 60ХН, наплавляют, слой высоколегированной стали, например 175X7НМ5В2Ф5, или высокохромистого чугуна толщиной от 40 до 70 мм. Материалы наплавки обладают хорошей прокаливаемостью и не требуют для получения требуемой твердости жестких режимов термообработки. Основное преимущество биметаллических валков по сравнению с цельноковаными заключается в значительной экономии в связи с использованием для изготовления оси более дешевого материала.

Основным параметром, определяющим качество прокатного валка, является его стойкость, которая в первую очередь зависит от того из какого материала он сделан, и какая для него использовалась термическая обработка. Если с одной стороны режимы термообработки были недостаточно жесткими и на рабочей поверхности валка не сформировалась структура, отвечающая требованиям по твердости, валок быстро истирается и выкрашивается. С другой стороны, если режимы термообработки были излишне жесткими, то в валке возникают значительные остаточные напряжения, которые могут привести к разрушению валка на ранних стадиях эксплуатации, а иногда даже до ее начала. Случаи разрушения прокатных валков до эксплуатации зарегистрированы, например, на Южно-Уральском машиностроительном заводе (МК «ОРМЕТО-ЮУМЗ») и ЗАО “Новокраматорский машиностроительный завод” (Украина).

Экспериментальные методы определения остаточных термических напряжений малоэффективны, так как разрушающие методы предусматривают повреждение валка, представляющего собой уникальную дорогостоящую деталь, а неразрушающие методы обладают, как правило, высокой погрешностью. К тому же экспериментальные методы не позволяют определить временные напряжения, имеющие место непосредственно в процессе термообработки, а они в ряде случаев бывают выше остаточных. В связи с этим актуальной задачей является разработка численных методов компьютерного моделирования, позволяющих проследить всю кинетику формирования структуры и остаточных напряжений в валке при термообработке.

Кроме того актуальной задачей листопрокатного производства является обеспечение постоянной толщины изготавливаемого листа. Разнотолщинность листа возникает в первую очередь вследствие изгиба рабочих валков в процессе прокатки. В станах кварто для уменьшения изгиба рабочих валков используются опорные валки, на которые передается основная часть усилия прокатки, а также система противоизгиба, суть которой заключается в приложении к рабочим валкам сил выгибающих их в противоположном направлении, и тем самым выравнивающим стрелу прогиба. При использовании системы противоизгиба очень важно выбирать рациональные значения сил, обеспечивающих минимальный прогиб рабочих валков. Провести такой анализ возможно путем численного эксперимента с использованием программных средств для определения напряжено-деформированного состояния (НДС) в рабочих и опорных валках в процессе прокатки.

Важной проблемой при эксплуатации прокатных станов является своевременная замена дефектных валков с целью предотвращения их аварийной остановки и последующего длительного простоя. В связи с этим также актуальной задачей является оценка долговечности рабочих и опорных валков, позволяющая сделать правильный вывод о сроках замены валков.

Цель работы. Разработка подкрепленных экспериментальными исследованиями методов численного анализа НДС в цельнокованых и биметаллических прокатных валках в процессе эксплуатации в станах кварто с учетом остаточных термических напряжений, а также оценки долговечности валков посредством решения задачи живучести. В качестве объекта экспериментального исследования выбрана высоколегированная сталь 25Н12М6К10 с карбидно-интерметаллидным упрочнением. Данная марка стали является перспективной для изготовления высококачественных биметаллических прокатных валков нового поколения с наплавкой из этой стали.

Научная новизна. Получены результаты экспериментального исследования формирования структуры, пластичности и ползучести стали 25Н12М6К10 в температурном диапазоне термической обработки.

Разработана методика расчета кинетики формирования структуры и остаточных напряжений в биметаллических валках с наплавкой из стали 25Н12М6К10 при термообработке, основанная на модели упруговязкопластической среды с нестационарной структурой.

Разработана методика расчета НДС в рабочих и опорных валках стана кварто, основанная на решении МКЭ контактной задачи в объемной постановке. Методика позволяет учесть остаточные напряжения от термообработки и определить рациональные значения сил противоизгиба.

Разработана методика оценки живучести прокатных валков с целью определения их долговечности, учитывающая не только эксплуатационные, но и остаточные термические напряжения.

Достоверность результатов исследования вытекает из обоснованности использованных теоретических положений и математических методов и подтверждена численными экспериментами по оценке сходимости и точности разработанных алгоритмов, проверкой всех задач, составляющих математическую модель, на тестовых примерах, а также сравнительным анализом полученных результатов с экспериментальными данными других авторов.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанные положения, методики и алгоритмы реализованы в виде ЭВМ-программ, которые позволяют без проведения дорогостоящих и трудоемких экспериментальных исследований посредством математического моделирования подбирать рациональные режимы термообработки, при которых прокатные валки отвечают требованиям по твердости и прочности. Кроме того разработанные программные средства позволяют оценить долговечность цельнокованых и биметаллических прокатных валков в процессе эксплуатации, что позволяет предусмотреть своевременную замену валка после планового ультразвукового контроля. Расчеты, проведенные для реально существующих прокатных валков станов ТЛС-1500 и ТЛС-2500, позволили усовершенствовать технологические режимы их изготовления. Результаты работы в виде расчетных методик и результатов численных расчетов переданы для практического использования в ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ».

Апробация работы. В ходе выполнения диссертационной работы результаты исследования докладывались на Всероссийской молодежной научно-технической конференции: Молодые ученые Сибири (Улан-Удэ, 2008 и 2009), VI международной конференции «Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ, 2009), Первой Межвузовской научной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых (Братск, 2009), ЧVЙ международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 2010), научном семинаре кафедры «Сопротивление материалов» ВСГТУ в 2007-1010 годах, а также на научном семинаре по Динамике и прочности машин кафедры «Прикладная механика» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2008 и 2010 годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 143 наименований и приложения, содержащего акт внедрения результатов. Работа изложена на 164 страницах, содержит 75 рисунков и 13 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи диссертации, научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор имеющихся в литературе работ, посвященных математическому моделированию температурно-структурного и напряженно-деформированного состояний в термообрабатываемых деталях. Приведено описание основных проблем, возникающих при описании термомеханических процессов, протекающих при термической обработке деталей. Представлен обзор научных подходов к оценке живучести деталей при эксплуатации. На основании анализа состояния вопроса сформулированы основные задачи исследования.

Напряжения при термообработке стальных изделий возникают вследствие неравномерного распределения температуры и неодновременного протекания структурных превращений, поэтому для их определения необходимо знать температурные и структурные поля в детали. В связи с этим математическая модель термомеханических процессов при термической обработке должна включать расчет температурного, структурного и напряженно-деформированного состояний.

Математическому моделированию термомеханических процессов, протекающих в крупногабаритных стальных деталях при термообработке посвящены работы В.В.Абрамова, В.А.Ломакина, Н.П.Морозова, В.П.Полухина, В.А.Николаева, А.М.Легуна, Р.К.Вафина, В.Г.Лешковцева, А.М.Покровского, В.Т.Фирсова, И.А.Борисова, В.С.Морганюка, Г.Г.Немзера, В.Е.Лошкарева, Н.А.Адамовой, Н.И.Загряцкого, А.С.Киселева, T.Inoe, K.Tanaka, H.-Y.Yn, Z.-G.Wang, S.Denis, A.Bakota, M.Ehlers, S.Iskierka,, D.Lohe, P.Martins, H.Muller, J. Rodrigues и др.

Выполненный анализ литературных источников показал, что, несмотря на значительные успехи российских и зарубежных ученых в этом направлении, данная проблема в силу своей сложности, еще не является до конца исследованной. Решение задачи в значительной степени осложняется протеканием структурных превращений, оказывающих существенное влияние на физико-механические и теплофизические характеристики, а также приводящих к выделению или поглощению тепла и проявлению эффекта «сверхпластичности» в процессе структурообразования.

Реальные процессы термообработки крупногабаритных деталей протекают таким образом, что при длительной выдержке при высоких температурах в стали в полной мере проявляются реономные свойства, а при интенсивном охлаждении формируются области пластического деформирования. В связи с этим в решении необходимо использовать модель упруговязкопластической среды с нестационарной структурой.

Опубликованные в литературе математические модели термомеханических процессов, протекающих при термообработке прокатных валков, обладают рядом недостатков. Большинство исследователей термических напряжений в валках (Н.П. Морозов, А.М. Легун, Н.А. Адамова и др.) используют в расчете одномерную модель бесконечного цилиндра. В двумерных осесимметричных моделях (В.С. Морганюк, А.С. Киселев и др.) определение термонапряжений производится в упругопластической постановке. Использование в работах этих и других авторов модели упругопластической среды объясняется в первую очередь отсутствием экспериментальных данных по ползучести различных структур стали в широком температурном диапазоне, характерном для термообработки. Наиболее перспективный подход предлагается в работах В.Г. Лешковцева и А.М. Покровского, в которых определение НДС в валках при термообработке проводится в двумерной осесимметричной постановке с использованием модели упруговязкопластической среды с нестационарной структурой.

Вопросам живучести прокатных валков посвящены работы В.В. Панасюка и С.Я. Яремы. Основная заслуга указанных авторов заключается в опубликовании результатов экспериментального исследования валковых сталей при циклическом нагружении. К недостаткам данных работ можно отнести использование балочной схемы для расчета эксплуатационных напряжений в валках и использование ориентировочных значений остаточных термических напряжений, полученных другими авторами.

Проведенный анализ литературных источников показал, что в настоящее время не существует законченного исследования, освещающего проблему живучести прокатных валков от начала и до конца, от всестороннего изучения физико-механических свойств валковой стали, до построения на его основе математической модели, позволяющей не только определить НДС в валках, в том числе и биметаллических, при темообработке и эксплуатации с учетом всех основных особенностей задачи, но и оценить живучесть валков.

Во второй главе отображены результаты экспериментального исследования и теоретического описания физико-механических свойств высоколегированной стали 25Н12М6К10 с карбидно-интерметаллидным упрочнением.

Для изучения кинетики формирования структуры и деформирования стали при термообработке проведено дилатометрическое исследование. Испытания выполнены на дилатометре «Ulvac Sinku-Riko (DL-1500)», оснащенном электронными блоками записи удлинений и температур. Результатами дилатометрического исследования явились дилатограммы (зависимости деформации от температуры) стали при нагреве и охлаждении (рис.1).

Сталь 25Н12М6К10 относится к сталям мартенситного класса, в которых мартенситная структура формируется при любой, даже при очень низкой, скорости охлаждения в интервале температур от 165 до 30 ^оС (прямое мартенситное превращение). При нагреве мартенситной структуры в интервале температур от 570 до 820 ^оС происходит обратное мартенситное превращение, при котором мартенсит превращается в аустенит. Свободную деформацию гетерогенной структуры можно вычислить на основании правила смеси по уравнениям дилатограмм отдельных структур и их удельным долям

, (1)

где - зависимость свободной деформации аустенита и мартенсита от температуры и их удельные доли соответственно.

Рис. 1. Дилатограммы стали: 1 - при нагреве; 2 - при охлаждении

Обработка экспериментальных данных по методу наименьших квадратов (МНК) привела к следующим зависимостям от температуры, описывающих кинетику прямого мартенситного превращения

, (2)

и кинетику обратного мартенситного превращения

. (3)

Дилатограммы аустенита и мартенсита были аппроксимированы по МНК параболами

,

. (4)

Подстановка зависимостей (2)-(4) в (1) позволяет рассчитать свободную деформацию гетерогенной структуры, а следовательно и суммарный коэффициент линейного расширения, учитывающий температурные и структурные деформации.

Изучение пластичности стали проведено в аустенитном и мартенситном состояниях. Аустенит исследовался при температурах 800, 700, 500 и 300 ^оС. В процессе экспериментов образцы нагревались до температуры 1100 ^оС и затем охлаждались до температуры испытания. При исследовании пластических свойств мартенсита образец сразу нагревался до температуры испытания, так как исходная структура образцов была мартенсит. Температуры испытаний составляли 800, 700, 600, 400 и 200 и 20^о С. Опыты показали, что все кривые растяжения хорошо описываются по схеме упругопластического материала со степенным упрочнением. На рис. 2 и 3 представлены кривые растяжения аустенита и мартенсита (сплошные линии - эксперимент; штриховые - расчет).

Рис. 2. Кривые растяжения аустенита

Рис. 3. Кривые растяжения мартенсита

Применяя правило смеси для определения свойств гетерогенной структуры, и обобщая результаты, найденные из опытов при одноосном растяжении, на случай сложного напряженного состояния можно получить уравнения состояния при пластичности

при ,

при , (5)

Температурные зависимости предела текучести (в МПа) и показателя степенного упрочнения аустенита и мартенсита были аппроксимированы с использованием МНК следующими зависимостями

, ,

, . (6)

Испытания на ползучесть также, как испытания на пластичность проведено для аустенитной и мартенситной структур. Аустенит исследовался при температурах 800, 650, 500 и 350 ^оС, а мартенсит при 800, 700, 600, 400, 300 и 200 ^оС. В качестве иллюстрации на рис. 4 и 5 представлены кривые ползучести аустенита и мартенсита при 800 ^оС. Сплошными линиями изображены экспериментальные кривые, а штриховыми теоретические кривые, полученные по теории ползучести с изотропным упрочнением. При использовании для описания ползучести гетерогенной структуры правила смеси и переходя от одноосного растяжения к сложному напряженному состоянию выражение для интенсивность скоростей деформации ползучести гетерогенной структуры при условии V=const можно записать в следующем виде

, (7)

- параметры уравнений состояния при ползучести аустенита и мартенсита соответственно, для которых согласно МНК получены эмпирические температурные зависимости.

Рис. 4. Кривые ползучести аустенита

Рис. 5. Кривые ползучести мартенсита

В третьей главе приведена методика математического моделирования температурно-структурного и напряженно-деформированного состояний при термической обработке прокатных валков, приведены результаты расчетов реальных рабочих и опорных валков. В основу решения физически нелинейной задачи термоупруговязкопластичности для матриала с нестационарной структурой положен МКЭ. Применен шаговый метод расчета, при котором на каждом шаге по времени последовательно решаются три задачи. Сначала - задача теплопроводности и определяется температурное поле по сечению валка. Затем по температурным значениям рассчитывается структурный состав и коэффициент линейного расширения в каждом конечном элементе, и наконец, производится расчет НДС.

Решение задачи нелинейной нестационарной теплопроводности проведено в двумерной осесимметричной постановке. Для изотропного тела в случае переменных теплофизических коэффициентов эта задача описывается следующим дифференциальным уравнением

, (8)

где - температура; r, z - координаты, направленные по радиусу и оси соответственно; - время; - коэффициент теплопроводности; - плотность; - удельная мощность внутренних источников энерговыделения; с - теплоемкость.

Для описания условий теплообмена при термической обработке прокатных валков использованы граничные условия третьего рода

. (9)

где h - суммарный коэффициент теплоотдачи, учитывающий теплообмен конвекцией и излучением; t_c - температура окружающей среды; n - нормаль к поверхности; п - индекс относящийся к значениям на поверхности. сталь аустенитный теплопроводность

Сложные режимы термической обработки крупногабаритных бандажей и цельнокованых валков предъявляют особые требования к расчету структурного состава. Известно, что наилучшее согласование с экспериментом достигается в случае прогнозирования структурных превращений при произвольном изменении температуры по теории изокинетических реакций.

Для описания изотермического распада аустенита в перлит использовано уравнение Авраами, а для бейнитного превращения более сложное уравнение, учитывающее ускорение хода превращения под нагрузкой и снижение предельной степени распада

, (10)

где K_Б и n_Б - коэффициенты, определяемые по изотермической диаграмме; V_A^Б - объемная доля аустенита, сохранившаяся к началу бейнитного превращения; A - предельная степень распада аустенита в бейнит при данной температуре.

Согласно теории изокинетических реакций переход от изотермической кинетики распада аустенита к неизотермическим условиям осуществлен на основании правила аддитивности. Уравнения для определения объемной доли бейнита на -ом шаге имеют вид

, (11)

Выражения для расчета объемной доли перлита получаются из уравнений (11), если положить значения V_A^Б, А, В и равными единице.

Расчет НДС проведен в геометрически линейной постановке, но с учетом физической нелинейности, посредством решения задачи термоупруговязкопластичности. В работе используется подход к решению данной задачи, при котором принимается, что тензор полной скорости деформации можно представить в виде суммы

, (12)

где - компоненты скорости упругой, пластической и деформации ползучести соответственно; -свободная деформация, учитывающая температурные и структурные изменения объема; - символ Кронекера.

Описание пластического и вязкого деформирования стали осуществлено соответственно по теориям пластического течения и ползучести упрочнения, распространенным на случай нестационарности структуры. В основу решения положен шаговый метод дополнительных деформаций, изложенный в работах И.А.Биргера и Б.Ф.Шорра. В этом случае приращение тензора полной деформации можно представить в виде суммы

, (13)

где - компоненты приращений упругой, пластической и деформации ползучести соответственно; - приращение свободной деформации, учитывающей температурные и структурные изменения объема; - символ Кронекера.

Согласно методу дополнительных деформаций решение задачи термоупруговязкопластичности сводится к последовательному решению задачи термоупругости. При этом три последних слагаемых в уравнении (12) объединяются в одно, тогда

, (14)

где - дополнительная деформация. Величина остается постоянной на шаге, итерационно уточняются.

Согласно работам T.Inoue сделано предположение о существовании пластического потенциала, зависящего не только от параметра Удквиста и температуры, но также и от структурного состава

, (15)

где S_ij - девиатор напряжений; q_p - параметр Удквиста при пластичности; Q - параметр, характеризующий температурное и структурное состояние стали.

Рис. 6. Распределение температур в ^оС в продольном сечении рабочего валка: 1 - валок; 2 - индуктор; 3 - спрейер

Вычисление приращений пластических деформаций произведено на основании уравнений Прандтля-Рейсса по интенсивностям приращений пластических деформаций, рассчитанным итерационным способом по мгновенным кривым растяжения. Определение приращений деформаций ползучести проведено по скоростям деформации ползучести, вычисленным по уравнению (7), с применением схемы Эйлера с итерациями.

На рис. 6 представлено распределение температур в продольном сечении рабочего валка диаметром 600 мм из стали 90ХФ при закалке ТПЧ.

Рис. 7. Распределение структуры

На рис. 7 представлено распределение структуры в срединном сечении такого валка после закалки в зависимости от расстояния до рабочей поверхности. Из рисунка видно, что глубина закаленного слоя, содержащего 85-100 % мартенсита и имеющего твердость 93-98 HSD составляет около 30 мм. На рис. 8 представлено распределение наиболее опасных остаточных осевых напряжений по сечению валка.

Рис. 8. Распределение остаточных осевых напряжений в продольном сечении рабочего валка (значения указаны в МПа)

Из рис. 8 видно, что максимальные растягивающие напряжения наблюдаются в осевой зоне и составляют около 310 МПа, вблизи рабочей поверхности валка формируются сжимающие напряжения, достигающие 700 МПа. Вблизи шеек формируеися зона краевого эффекта.

В четвертой главе приведены методики вычисления эксплуатационных напряжений в рабочих и опорных валках стана кварто и оценки их живучести. В качестве объекта исследования выбран холоднолистовой четырехвалковый прокатный стан КВАРТО 600/1500х1700, упрощенная схема которого представлена на рис. 9. Усилие прокатки принималось равным 20 МН, а ширина прокатываемого листа - 1,4 м.

Рис. 9. Упрощенная схема нижней половины стана КВАРТО 600/1500х1700 (Q - силы противоизгиба)

Для определения НДС в рабочих и опорных валках при прокатке в конечно-элементной среде ANSYS создана математическая модель клети кварто. Разработанная модель позволяет описывать совместное деформирование рабочего и опорного валков в объемной (3D) постановке. Межвалковое давление найдено из решения объемной контактной задачи. Размеры и форма контактной поверхности определены в процессе численного счета. При создании математической модели учтена симметрия задачи относительно прокатываемого листа, продольного сечения и срединной плоскости. Формирование конечно-элементной сетки осуществлено посредством процедуры «протягивания» плоской фигуры, разбитой на четырехугольные 8-узловые вспомогательные конечные элементы MESH200 вдоль продольной оси валков. В результате «протягивания» была получена конечно-элементная модель, состоящая из 20-узловых объемных элементов SOLID95. Поверхности рабочего и опорного валков в зоне контакта покрыты 8-узловыми поверхностными трехмерными контактными CONTA174 и ответными TARGE170 элементами.

В процессе численного эксперимента задавались различные значения сил противоизгиба и анализировалась разнотолщинность листа. Результаты численного эксперимента по выбору усилий противоизгиба сведены в табл.1.

Из таблицы видно, что при недостаточном усилии противоизгиба прокатываемый лист получает выпуклую форму (валок прогибается вниз), а при излишнем - вогнутую (валок выгибается вверх). При задании усилия противоизгиба, отвечающего требованию по разнотолщинности радиальные перемещения узлов лежащих в зоне контактирования с листом колеблются относительно нулевого уровня. Установлено, что рациональное значение сил противоизгиба составляет 14% от усилия прокатки. На рис. 10 представлены изолинии наиболее опасных осевых суммарных напряжений от термообработки и прокатки в рабочем валке для этого случая.

Таблица 1 Радиальные перемещения точек контактируемой с листом поверхности рабочего валка (мм)

Значение сил противоизгиба, %	Расстояние от края листа, м	Разнотолщинность листа, %
	0,233	0,467	0,700
0	6,37 10-2	0,11	0,12	8,31
2,5	4,06 10-2	6,87 10-2	7,99 10-2	5,33
4,5	2,16 10-2	3,81 10-2	4,41 10-2	2,94
6,0	7,46 10-3	1,45 10-2	1,73 10-2	1,15
7,0	2,71 10-3	6,64 10-3	8,33 10-3	0,56

Анализ имеющихся статистических данных по разрушению крупногабаритных цельнокованых прокатных валков в процессе эксплуатации показывает, что в подавляющем большинстве случаев, выход из строя таких валков происходит за счет возникновения поперечных трещин. Поэтому в настоящей работе рассмотрены только внутренние дефекты, ориентированные перпендикулярно оси валка, как представляющие наибольшую опасность, с точки зрения хрупкой прочности. Форма трещина принята круговой.

Рис. 10. Изолинии суммарных осевых напряжений (МПа)

Из рис. 10 видно, что максимальные суммарные осевые растягивающие напряжения формируются в осевой зоне валков, но амплитуда этих напряжений близка к нулю. Наиболее опасными областями являются центральные области, немного смещенные от оси валка в сторону, где циклически изменяющиеся суммарные напряжения имеют ненулевую амплитуду, а также области в зоне краевого эффекта вблизи шеек.

Оценка живучести прокатных валков осуществлена в детерминированной постановке с использованием уравнения, описывающего линейный участок кинетической диаграммы усталостного разрушения

, (16)

где K_{I max} - максимальное КИН за цикл, определяемое исходя из суммарных напряжений от прокатки и остаточных напряжений от термообработки; l - радиус дисковой трещины; N - число циклов; C=10^-7, m=2,85 - эмпирические коэффициенты, зависящие от материала. Коэффициент D кроме материала зависит еще от коэффициента асимметрии R.

Рис. 11. Долговечность цельнокованого рабочего валка

Рис. 12. Долговечность цельнокованого опорного валка

На рис. 11 и 12 представлены результаты расчета долговечности цельнокованых рабочего и опорного валков соответственно. Из рассмотрения графиков видно, что наибольшую опасность представляют дефекты, расположенные в зоне краевого эффекта. Несмотря на то, что максимальные значения суммарных осевых напряжений, и, следовательно, K_{I max} в осевой зоне как рабочего, так и опорного валков выше, размах КИН больше в зоне краевого эффекта, а снижение коэффициента асимметрии ведет, как известно, к повышению скорости роста трещины.

Рис. 13. Долговечность биметаллических прокатных валков

Кроме расчета цельнокованых валков в работе проведен анализ живучести биметаллических валков. В расчете принималось, что ось валков изготовлена из стали 60ХН, а наплавка толщиной 45 мм для рабочего валка и 70 мм для опорного из стали 25Н12М6К10. На рис. 13 представлены результаты оценки живучести. Сравнительный анализ результатов, представленных на рис. 11, 12 и 13 свидетельствует, что использование наплавки из стали с карбидно-интерметаллидным упрочнением 25Н12М6К10 значительно повышает живучесть валков. Например, долговечность рабочего валка с начальной трещиной радиусом 10 мм увеличивается в три раза, а опорного в два с половиной раза. Таким образом, проведенный анализ живучести прокатных валков показывает целесообразность изготовления биметаллических рабочих и опорных валков с наплавкой из перспективной стали 25Н12М6К10 вместо цельнокованых валков из традиционной стали 90ХФ.

Общие выводы и основные результаты работы

1. Усовершенствована, основанная на решении нелинейной нестационарной задачи теплопроводности и теории изокинетических реакций, методика расчета температурно-структурного состояния прокатных валков, в том числе и биметаллических, в процессе современных видов термической обработки, учитывающая зависимость теплофизических коэффициентов от температуры и структуры, а также выделения или поглощения тепла при структурообразовании.

2. Разработана методика расчета НДС прокатных биметаллических валков с наплавкой из высоколегированной стали с карбидно-интерметаллидным упрочнением при термообработке, основанная на решении двумерной осесимметричной задачи термоупруговязкопластичности для материала с нестационарной структурой.

3. Проведено дилатометрическое исследование стали 25Н12М6К10 с карбидно-интерметаллидным упрочнением, что позволило получить эмпирические формулы для вычисления свободной деформации гетерогенной структуры в зависимости от температуры и структуры, а также описать кинетику прямого и обратного мартенситного превращений при термообработке.

4. Проведены испытания на пластичность и ползучесть стали 25Н12М6К10, получены уравнения состояния, необходимые для решения задачи термоупруговязкопластичности для материала с нестационарной структурой, применительно к термической обработке крупногабаритных биметаллических прокатных валков с наплавкой из этой стали.

5. Для определения эксплуатационных напряжений в валках решена контактная задача в объемной постановке с учетом остаточных термических напряжений в конечно-элементной среде ANSYS.

6. Разработана методика оценки долговечности рабочих и опорных валков прокатного стана КВАРТО, основанная на решении задачи живучести в детерминированной постановке с учетом остаточных напряжений от термической обработки.

7. Посредством проведенного компьютерного анализа установлено, что долговечность биметаллических прокатных валков с наплавкой из стали с карбидно-интерметаллидным упрочнением 25Н12М6К10 в два-три раза выше, чем цельнокованых валков из традиционной валковой стали 90ХФ, что предопределяет целесообразность изготовления таких валков нового поколения.

Основное содержание диссертации изложено в работах

1. Бочектуева Е.Б. Численное определение напряженно-деформированного состояния в валках и усилий противоизгиба в четырехвалковой клети прокатного стана // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Машиностроение. 2010. № 1 (78). С. 45-53.

2. Покровский А.М., Бочектуева Е.Б. Расчет НДС в рабочих и опорных валках клети кварто холоднолистового стана // Проблемы механики современных машин: Материалы четвертой международной конференции. Улан-Удэ, 2009. Том 2. С. 201-208.

3. Покровский А.М., Бочектуева Е.Б. Расчет усилий противоизгиба прокатного стана кварто с учетом остаточных термонапряжений в валках // Производство проката. 2009. № 2. С. 14-18.

4. Моделирование структурного состояния и напряжений в прокатных валках при индукционной закалке / Бочектуева Е.Б. [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 9. С. 40-43.

5. Бочектуева Е.Б. Расчет усилий противоизгиба валков клети кварто холоднолистового стана // Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации: Материалы I Межвузовской научной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. Братск, 2009. С. 38-43.

6. Бочектуева Е.Б. Определение величины усилия противоизгиба для клети кварто прокатного стана // Молодые ученые Сибири: Материалы Всероссийской молодежной научно-технической конференции. Улан-Удэ, 2008. С. 35-39.

7. Бочектуева Е.Б., Пнев А.Г., Филлипова К.А. Компьютерное моделирование прокатного стана кварто в среде ANSYS // Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Улан-Удэ, 2009. Ч.1. С. 155-157.

8. Бочектуева Е.Б. Расчет температурно-структурного и напряженного состояний при термической обработке прокатных валков // Современные техника и технологии: Cб. трудов ЧVЙ международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск, 2010. Том 1. С. 303-304.

Размещено на Allbest.ru

...