Разработка научных основ и внедрение современной технологии производства железнодорожных колес с высокими эксплуатационными характеристиками
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В НАУЧНЫХ ЖУРНАЛАХ И ИЗДАНИЯХ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В НАУЧНЫХ ЖУРНАЛАХ И ИЗДАНИЯХ
Актуальность темы: Актуальной проблемой развития народного хозяйства России является повышение точности, уровня механических свойств и эксплуатационных характеристик железнодорожных колес, в частности уменьшение припуска на механическую обработку и массы заготовки, повышение твердости обода колеса до 320-360 НВ и увеличение долговечности колес в 1,5 раза. Решение этой проблемы связано с развитием известных технологических схем, разработкой новых способов обработки непрерывно-литых заготовок давлением, обеспечивающих равномерное радиальное течение металла по периметру поковки и высокую точность размеров чернового колеса, а также с методологией конечно-элементного моделирования технологических процессов обработки металлов давлением, основанной на применении вариационных принципов механики, моделей деформируемого тела с изменяющейся дислокационной и зеренной структурой, разработкой показателей точности поковок и чернового колеса, а также методов их расчета. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой научно-технического сотрудничества ОАО «РЖД» с металлургическими предприятиями ООО «ЕвразХолдинг» по повышению качества и созданию новых видов продукции для железнодорожного транспорта на 2006-2010 гг.; со стратегией инновационного развития ОАО «РЖД» до 2015 года, утвержденной на НТС ОАО «РЖД» 26.10.2010 года, а также со стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. №877-р. Некоторые разделы диссертационной работы были подготовлены в ходе выполнения проекта «Разработка новой комплексной металлургической технологии производства высококачественных изделий массового назначения» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 2009-2011 гг.; проектов «Развитие механики обработки металлов давлением с целью создания научных основ прогнозирования физико-механического состояния металла (2009-2011 гг.) и «Создание новых технологических процессов,, машин и систем автоматизированного проектирования в области обработки металлов давлением на основе современных достижений механики, прикладной математики и информатики» (2011-2013 гг.), проводимых в соответствии с программой Минвуза РФ, а также НИР «Исследование, промышленное испытание и внедрение новых способов производства железнодорожных колес» (2009-2010 гг.).
Цель диссертационной работы: Целью работы является решение актуальной научно-технической проблемы повышения качества и долговечности железнодорожных колес на основе обобщения результатов исследования физики и механики обработки металлов давлением, техники и технологии металлургического производства, а также снижение металлоемкости и повышение эффективности производства.
Основные задачи:
1. Развитие методов конечно-элементного моделирования технологических процессов обработки металлов давлением, разработка методики оценки влияния технологических факторов на точность черновых колес.
2. Исследование процессов упрочнения и разупрочнения колесной стали и разработка модели деформируемой среды с изменяющейся дислокационной и зеренной структурой.
3. Оценка влияния технологических факторов на точность колес в зависимости от калибровки инструмента и режимов деформации с использованием графо-аналитического метода.
4. Разработка, исследование и промышленное опробование способа самоцентрирования черновой поковки в штампах для окончательной штамповки.
5. Исследование и разработка технологических схем изготовления колеса диаметром 1250 мм для высокоскоростных локомотивов.
6. Теоретическое и экспериментальное исследование температурных и деформационных полей при штамповке заготовок, определение факторов, влияющих на стойкость инструмента деформации.
7. Физическое моделирование и изучение закономерностей превращения переохлажденного аустенита, а также разработка оптимальных режимов и системы поддержания их в узком диапазоне значений при термической обработке колес с целью достижения высоких и стабильных показателей твердости и вязкости разрушения стали.
8. Исследование технологии производства стали и непрерывнолитого слитка в промышленных условиях с целью повышения качества железнодорожных колес.
9. Разработка и внедрение операций финишной обработки и контроля качества колес.
Методы исследований: механика обработки металлов давлением; методы МКЭ- моделирования процесса штамповки с помощью программы «ПеГогш-ЗО». Системный анализ результатов вычислительного эксперимента по исследованию формоизменения заготовки, температурных и деформационных полей; физическое моделирование процессов упрочнения и разупрочнения на пластометрической установке, а также процесса превращения переохлажденного аустенита колесной стали с помощью исследовательского комплекса 01ееЫе-3500; методы математической теории планирования эксперимента и математической статистики.
Личный вклад автора состоит в постановке задач как теоретических исследований, так и экспериментальных работ по моделированию изучаемых процессов, а также промышленных испытаний при освоении нового производства; в разработке теоретических моделей деформируемого тела, показателей точности поковки и чернового колеса; в разработке и исследовании новых способов штамповки и термообработки колес; в модернизации металлургического передела и внедрении новых технологий в ОАО «ЕВРАЗ НТМК».
Научная новизна диссертации:
- разработана методология конечно-элементного моделирования процессов штамповки и прокатки колес, основанной на применении вариационных принципов механики, моделей деформируемого тела;
- разработан показатель точности штампованной поковки и исследовано асимметричное течение металла при штамповке;
- определены закономерности формоизменения непрерывно-литой заготовки при штамповке и прокатке в зависимости от технологической схемы, калибровки инструмента и режимов деформации;
- разработаны новые способы предварительной штамповки с целью обеспечения высокой точности черновых колес и минимального припуска под механическую обработку;
- получены результаты теоретического исследования новых способов предварительной штамповки заготовок, обеспечивающих совмещение операций осадки, разгонки и калибровки заготовки с целью повышения точности черновых колес и стойкости инструмента деформации;
- разработана методология построения диаграмм структурного состояния и изучения закономерностей изменения структуры, а также уровня механических свойств на различных стадиях технологического процесса изготовления черновых колес;
- выполнены исследования и осуществлен выбор рациональных полей температур, скорости и степени деформации в поковках и черновых колесах.
Практическая значимость диссертации определяется:
- разработкой и внедрением новых способов штамповки, обеспечивающих повышение точности поковок;
- снижением припуска на механическую обработку черновых колес до уровня 4 мм, связанного с ним уменьшения массы заготовки, повышения производительности станков для полнопрофильной мехобработки колес;
- снижением содержания вредных примесей в стали;
- разработкой и внедрением новой технологии закалки и отпуска колес, обеспечивающей повышение твердости обода колеса до 320-360 НВ;
- разработкой и внедрением новой технологии производства цельнокатаных колес, в том числе диаметром 1250 мм для высокоскоростных локомотивов;
- повышением долговечности железнодорожных колес с 400 000 до 650 000 км пробега в условиях увеличения нагрузки на ось до 300 кН.
В результате выполнения комплексной научно-технической работы решена важная народнохозяйственная проблема повышения качества железнодорожных колес, а на ОАО «ЕВРАЗ НТМК» создано современное высокомеханизированное и автоматизированное производство высококачественных железнодорожных колес. Технические решения новой технологии защищены одиннадцатью патентами Российской Федерации.
На защиту выносятся:
- усовершенствованная методика конечно-элементного моделирования
технологических процессов штамповки и прокатки заготовок;
- модель деформируемого тела с изменяющейся дислокационной и зеренной структурой;
- закономерности формоизменения заготовок при предварительной и окончательной штамповке в зависимости от калибровки штампов;
- результаты исследований температурных и деформационных полей на поверхности и в объеме заготовки;
- показатели точности поковок и железнодорожных колес, алгоритм их определения с помощью графо-аналитического метода;
- способы предварительной штамповки поковок с совмещением процесса осадки, разгонки и калибровки, обеспечивающие самоцентрирование черновой поковки в штампах для окончательной штамповки;
- результаты физического моделирования процесса превращения переохлажденного аустенита, разработка и освоение технологии термообработки колес для обеспечения твердости обода до 320-360 НВ;
- комплекс мероприятий в сталеплавильном и прокатном производстве, обеспечивающих улучшение качества колес и повышение эффективности производства.
Апробация работы: основные результаты доложены и обсуждены международных конференциях «Трансмет-2007» «Современные технологии транспортного металла» (Нижний Тагил 2007); на международных конгрессах прокатчиков (Череповец, 2003 и 2013, Москва, 2007, Магнитогорск, 2010); «Современные материалы и технологии (СММ 2009, 2013)» (Санкт-Петербург); международных симпозиумах по десульфации чугуна и стали (Нижний Тагил, 2004, Галатия, Румыния, 2006, Лиссабон, Португалия, 2008); металлургическом саммите (Москва, 2005); международной конференции «Современная технология и оборудование для внепечной обработки и непрерывной разливки стали» (Москва, 2007); международной конференции «Металлургия-РЖД: стратегия взаимного успеха» (Москва, 2008); конгрессе сталеплавильщиков (Магнитогорск, 2008, Н-Тагил, 2010, Москва, 2011, Челябинск, 2013); международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2011); международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа по обработке металлов имени профессора А.Ф. Головина» (Екатеринбург, 2012, 2013); научно-практической конференции с международным участием и элементами школы для молодых ученых и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2013); конгрессе «ОМД-2014». Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии (Москва, 2014); «Новые технологии и достижения в металлургии и металловедении» (Честохова, Польша, 2013, 2014).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 95 статей, в том числе 54 в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК, 20 из них вошли в базу данных «Scopus» и «Web of Science», 2 монографии и 11 патентов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, выводов по каждой главе и заключения по диссертации, списка литературы, включающего 352 работы отечественных и зарубежных авторов, трех приложений со сведениями о практической реализации основных положений и выводов работы, личного вклада автора, а также иллюстративного материала. Диссертация изложена на 346 страницах машинописного текста, содержит 212 рисунков и 47 таблиц.
Цель диссертационной работы: Целью работы является решение актуальной научно-технической проблемы повышения качества и долговечности железнодорожных колес на основе обобщения результатов исследования физики и механики обработки металлов давлением, техники и технологии металлургического производства, а также снижение металлоемкости и повышение эффективности производства.
Основные задачи:
1. Развитие методов конечно-элементного моделирования технологических процессов обработки металлов давлением, разработка методики оценки влияния технологических факторов на точность черновых колес.
2. Исследование процессов упрочнения и разупрочнения колесной стали и разработка модели деформируемой среды с изменяющейся дислокационной и зеренной структурой.
3. Оценка влияния технологических факторов на точность колес в зависимости от калибровки инструмента и режимов деформации с использованием графо-аналитического метода.
4. Разработка, исследование и промышленное опробование способа самоцентрирования черновой поковки в штампах для окончательной штамповки.
5. Исследование и разработка технологических схем изготовления колеса диаметром 1250 мм для высокоскоростных локомотивов.
6. Теоретическое и экспериментальное исследование температурных и деформационных полей при штамповке заготовок, определение факторов, влияющих на стойкость инструмента деформации.
7. Физическое моделирование и изучение закономерностей превращения переохлажденного аустенита, а также разработка оптимальных режимов и системы поддержания их в узком диапазоне значений при термической обработке колес с целью достижения высоких и стабильных показателей твердости и вязкости разрушения стали.
8. Исследование технологии производства стали и непрерывнолитого слитка в промышленных условиях с целью повышения качества железнодорожных колес.
9. Разработка и внедрение операций финишной обработки и контроля качества колес.
Методы исследований: механика обработки металлов давлением; методы МКЭ- моделирования процесса штамповки с помощью программы «ПеГогш-ЗО». Системный анализ результатов вычислительного эксперимента по исследованию формоизменения заготовки, температурных и деформационных полей; физическое моделирование процессов упрочнения и разупрочнения на пластометрической установке, а также процесса превращения переохлажденного аустенита колесной стали с помощью исследовательского комплекса 01ееЫе-3500; методы математической теории планирования эксперимента и математической статистики.
Личный вклад автора состоит в постановке задач как теоретических исследований, так и экспериментальных работ по моделированию изучаемых процессов, а также промышленных испытаний при освоении нового производства; в разработке теоретических моделей деформируемого тела, показателей точности поковки и чернового колеса; в разработке и исследовании новых способов штамповки и термообработки колес; в модернизации металлургического передела и внедрении новых технологий в ОАО «ЕВРАЗ НТМК».
Научная новизна диссертации:
- разработана методология конечно-элементного моделирования процессов штамповки и прокатки колес, основанной на применении вариационных принципов механики, моделей деформируемого тела;
- разработан показатель точности штампованной поковки и исследовано асимметричное течение металла при штамповке;
- определены закономерности формоизменения непрерывно-литой заготовки при штамповке и прокатке в зависимости от технологической схемы, калибровки инструмента и режимов деформации;
- разработаны новые способы предварительной штамповки с целью обеспечения высокой точности черновых колес и минимального припуска под механическую обработку;
- получены результаты теоретического исследования новых способов предварительной штамповки заготовок, обеспечивающих совмещение операций осадки, разгонки и калибровки заготовки с целью повышения точности черновых колес и стойкости инструмента деформации;
- разработана методология построения диаграмм структурного состояния и изучения закономерностей изменения структуры, а также уровня механических свойств на различных стадиях технологического процесса изготовления черновых колес;
- выполнены исследования и осуществлен выбор рациональных полей температур, скорости и степени деформации в поковках и черновых колесах.
Практическая значимость диссертации определяется:
- разработкой и внедрением новых способов штамповки, обеспечивающих повышение точности поковок;
- снижением припуска на механическую обработку черновых колес до уровня 4 мм, связанного с ним уменьшения массы заготовки, повышения производительности станков для полнопрофильной мехобработки колес;
- снижением содержания вредных примесей в стали;
- разработкой и внедрением новой технологии закалки и отпуска колес, обеспечивающей повышение твердости обода колеса до 320-360 НВ;
- разработкой и внедрением новой технологии производства цельнокатаных колес, в том числе диаметром 1250 мм для высокоскоростных локомотивов;
- повышением долговечности железнодорожных колес с 400 000 до 650 000 км пробега в условиях увеличения нагрузки на ось до 300 кН.
В результате выполнения комплексной научно-технической работы решена важная народнохозяйственная проблема повышения качества железнодорожных колес, а на ОАО «ЕВРАЗ НТМК» создано современное высокомеханизированное и автоматизированное производство высококачественных железнодорожных колес. Технические решения новой технологии защищены одиннадцатью патентами Российской Федерации.
На защиту выносятся:
- усовершенствованная методика конечно-элементного моделирования
технологических процессов штамповки и прокатки заготовок;
- модель деформируемого тела с изменяющейся дислокационной и зеренной структурой;
- закономерности формоизменения заготовок при предварительной и окончательной штамповке в зависимости от калибровки штампов;
- результаты исследований температурных и деформационных полей на поверхности и в объеме заготовки;
- показатели точности поковок и железнодорожных колес, алгоритм их определения с помощью графо-аналитического метода;
- способы предварительной штамповки поковок с совмещением процесса осадки, разгонки и калибровки, обеспечивающие самоцентрирование черновой поковки в штампах для окончательной штамповки;
- результаты физического моделирования процесса превращения переохлажденного аустенита, разработка и освоение технологии термообработки колес для обеспечения твердости обода до 320-360 НВ;
- комплекс мероприятий в сталеплавильном и прокатном производстве, обеспечивающих улучшение качества колес и повышение эффективности производства.
Апробация работы: основные результаты доложены и обсуждены международных конференциях «Трансмет-2007» «Современные технологии транспортного металла» (Нижний Тагил 2007); на международных конгрессах прокатчиков (Череповец, 2003 и 2013, Москва, 2007, Магнитогорск, 2010); «Современные материалы и технологии (СММ 2009, 2013)» (Санкт-Петербург); международных симпозиумах по десульфации чугуна и стали (Нижний Тагил, 2004, Галатия, Румыния, 2006, Лиссабон, Португалия, 2008); металлургическом саммите (Москва, 2005); международной конференции «Современная технология и оборудование для внепечной обработки и непрерывной разливки стали» (Москва, 2007); международной конференции «Металлургия-РЖД: стратегия взаимного успеха» (Москва, 2008); конгрессе сталеплавильщиков (Магнитогорск, 2008, Н-Тагил, 2010, Москва, 2011, Челябинск, 2013); международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2011); международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа по обработке металлов имени профессора А.Ф. Головина» (Екатеринбург, 2012, 2013); научно-практической конференции с международным участием и элементами школы для молодых ученых и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2013); конгрессе «ОМД-2014». Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии (Москва, 2014); «Новые технологии и достижения в металлургии и металловедении» (Честохова, Польша, 2013, 2014).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 95 статей, в том числе 54 в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК, 20 из них вошли в базу данных «Scopus» и «Web of Science», 2 монографии и 11 патентов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, выводов по каждой главе и заключения по диссертации, списка литературы, включающего 352 работы отечественных и зарубежных авторов, трех приложений со сведениями о практической реализации основных положений и выводов работы, личного вклада автора, а также иллюстративного материала. Диссертация изложена на 346 страницах машинописного текста, содержит 212 рисунков и 47 таблиц.



