ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 13
1.1. Технология и оборудование совмещенных процессов непрерывного литья и деформации для производства листов из
черных и цветных металлов и сплавов 13
1.2. Технология и оборудование для производства биметаллических
полос 20
1.3. Установка совмещенного процесса непрерывного литья и
деформации 27
1.4. Выводы 33
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕЩЕННОГО
ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ЛИСТА ИЗ СТАЛИ 35
2.1. Моделирование совмещенного процесса непрерывного литья и
деформации с использованием программного комплекса ANSYS 35
2.1.1. Теория решения контактных задач упруго-пластичности с
учетом больших деформаций и перемещений 36
2.1.2. Этапы расчета по программе ANSYS 40
2.2. Исследование напряженно-деформированного состояния металла
в очагах деформации совмещенного процесса 44
2.2.1. Общая постановка задачи 44
2.2.2. Исходные данные и принятые допущения 46
2.2.3. Задание толщины стенки оболочки и температуры заготовки 47
2.2.4. Расчет величины ферростатического давления 48
2.2.5. Зависимость модуля упругости от температуры 48
2.2.6. Методика определения сопротивления деформации в
2.3. Напряженно-деформированное состояние металла при
формировании полосы в зоне гибки узких боковых стенок оболочки с жидкой фазой 50
2.3.1. Общая постановка задачи 50
2.3.2. Расчетная схема и граничные условия 51
2.3.3. Результаты расчета и их анализ 53
2.4 Напряженно-деформированное состояние металла в зоне очага деформации затвердевшего металла 61
2.4.1. Постановка задачи 61
2.4.2. Исходные данные и принятые допущения 62
2.4.3. Расчетная схема и граничные условия 63
2.4.4. Результаты расчета и их анализ 66
2.5. Оценка течения затвердевшего металла на границе с жидкой
фазой 71
2.6. Выводы 76
3. УСТАНОВКА СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА
НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛОС 78
3.1. Способ получения биметаллической полосы на установке
совмещенного процесса непрерывного литья и деформации 78
3.2 Расчет параметров совмещенного процесса непрерывного литья и
деформации 81
3.3 Напряженно-деформированное состояние металла в очаге
деформации при получении биметалла сталь-алюминий 82
3.4. Выводы 88
4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВОК СОВМЕЩЕННОГО
ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИСТОВОЙ МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ 89
4.1. Оптимизация параметров установки совмещенного процесса литья
и деформации при получении листовой металлопродукции 89
4.2. Математическая модель совмещенного процесса непрерывного
литья и деформации 91
4.3. Результаты решения задачи оптимизация основных параметров установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. 94
4.4. Установка совмещенного процесса непрерывного литья и
деформации для получения широкого листа из сплавов алюминия повышенной прочности 100
4.5. Установка совмещенного процесса непрерывного литья и
деформации для производства листов из магниевых сплавов 104
4.6. Оценка качества листовой металлопродукции 110
4.6.1. Оценка влияния параметров неразъемного кристаллизатора на
уровень растягивающих напряжений в боковых стенках оболочки с жидкой фазой 110
4.6.2. Исследование структуры металла при получении листовой
металлопродукции 113
4.7. Выводы 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 121
Купить

Актуальность темы исследования. На современном этапе развития металлургического производства все большее распространение получают совмещенные процессы непрерывного литья и деформации, которые позволяют получить как заготовки по форме и размерам близких к готовым изделиям, так и готовый прокат, тем самым снизить энергоемкость технологических процессов, металлоемкость оборудования, капитальные и эксплуатационные затраты [1-8]. Однако совмещение процессов непрерывного литья и деформации следует рассматривать не только с точки зрения согласования производительности этих процессов, а, что не менее важно, также и с точки зрения получения качественного проката, поскольку непрерывнолитые заготовки имеют поверхностные и внутренние дефекты. В связи с этим, агрегаты, входящие в состав литейно-прокатных комплексов, должны обеспечить получение проката высокого качества и увеличение выхода годного.
Одним из перспективных вариантов создания совмещенных процессов непрерывного литья и деформации является применение в составе литейно - прокатного комплекса принципиально новых машин непрерывного литья заготовок, позволяющих получить непрерывнолитые заготовки, близкие по форме и размерам к готовому прокату [1, 2, 5].
Степень разработанности проблемы исследования. За рубежом [4, 5, 7-9] для совмещения процессов непрерывного литья и прокатки используются машины непрерывного литья тонких слябов толщиной 10 - 15мм. В частности, на установке непрерывного литья фирмы «Маннесман- Демаг» выходящий из кристаллизатора сляб толщиной 60 мм обжимается двумя парами валков зоны вторичного охлаждения до толщины 15 мм, что позволяет сократить количество клетей для последующей прокатки.
Для дальнейшего развития черной и цветной металлургии необходимо создание ресурсосберегающих технологических процессов и компактных установок совмещенных процессов непрерывного литья и деформации [6, 8, 10, 11], что позволит снизить энергетические и капитальные затраты,
увеличить выход годного и повысить качество металлопродукции и, соответственно, снизить объем продаж слитков, особенно из цветных металлов и сплавов.
Для оценки нового совмещенного процесса непрерывного литья и деформации важно провести теоретическое исследование напряженно- деформированного состояния металла при формировании листовой заготовки из оболочки с жидкой фазой и деформации затвердевшего металла, что позволит оценить течение металла, особенно на границе с жидкой фазой, определить уровень и характер распределения нормальных и касательных напряжений в очаге циклической деформации, то есть, прогнозировать качество листовой металлопродукции.
Широкое применение в различных областях техники находят биметаллы. Применение их позволяет достичь не только качественно новых свойств изделий, но и существенной экономии дорогостоящих материалов, и прежде всего, цветных металлов.
В связи с этим очень важно создание и внедрение ресурсосберегающих технологических процессов и оборудования на заводах цветной металлургии и улучшения качества биметаллических полос, т.е. создание принципиально новой отечественной установки совмещенных процессов непрерывного литья и деформации.
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 этого, реализация этих способов связана с высокими капитальными и эксплуатационными затратами.
Таким образом, разработка и внедрение установок совмещенных процессов непрерывного литья и циклической деформации позволит существенно снизить расход топлива, электроэнергии и металлоемкость оборудования, повысить качество металлопродукции и улучшить экологическую обстановку.
Разработка этого направления производства листовой металлопродукции требует решения принципиально новых задач, включающих разработку алгоритмов расчета параметров установок и оценку напряженно-деформированного состояния металла при получении листовых и биметаллических полос.
Изложенное выше позволило сформулировать цель диссертационного исследования: на основе применения современных методов решения задач упруго-пластичности и оптимизации разработать научные основы создания установок совмещенных процессов непрерывного литья и деформации для получения листов из черных и цветных металлов и сплавов и биметаллических полос.
Для реализации поставленной цели определены задачи диссертационного исследования:
- разработать алгоритм и решить задачу определения напряженно- деформированного состояния металла в очагах деформации при получении стального листа на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации;
- по результатам численного решения указанной задачи оценить течение металла и определить закономерности распределения нормальных и касательных напряжений в очагах циклической деформации при формировании листовой полосы из оболочки с жидкой фазой и деформации затвердевшего металла;
- поставить и решить задачу определения напряженно- деформированного состояния металла плакирующего слоя при получении биметалла сталь-алюминий на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации;
- поставить и решить задачу определения рациональных параметров установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации;
- оценить качество листовой металлопродукции.
Материал диссертации изложен в 4-х главах.
В первой главе представлен аналитический обзор по теме диссертации. Выполнен анализ современного состояния технологии и оборудования совмещенных процессов непрерывного литья и деформации для получения листовой металлопродукции. Рассмотрены технологические задачи в развитии процессов производства биметаллических полос. Описана конструкция установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для производства листов из черных и цветных металлов и сплавов и биметалла. Изложены технологические и конструктивные достоинства и область применения установок совмещенных процессов непрерывного литья и деформации.
Вторая глава посвящена теоретическому исследованию напряженно- деформированного состояния металла в очагах деформации при получении стальной полосы на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Разработана математическая модель и алгоритм расчета, которые позволили оценить течение металла при формировании листовой полосы из оболочки с жидкой фазой и деформации затвердевшего металла и установить закономерности распределения нормальных и касательных напряжений в очагах циклической деформации.
В третьей главе описана установка совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для получения трехслойных биметаллических полос. Поставлена и решена задача определения напряженно-деформированного состояния плакирующих слоев при получении биметалла сталь - алюминий. В результате установлены закономерности распределения нормальных и касательных напряжений в очаге деформации плакирующего слоя биметаллической полосы.
В четвертой главе поставлена и решена задача оптимизации основных параметров установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Определены оптимальные по энергоемкости технологические, конструктивные и скоростные параметры установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. С учетом полученных результатов определены основные параметры вертикальной установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для получения широких листов из сплавов алюминия повышенной прочности и магния. Проведена оценка влияния радиуса сопряжения стенок неразъемного кристаллизатора установки на качество листовых полос.
Изложены результаты металлографического исследования изменения структуры металла по длине очага циклической деформации при получении полос из стали.
Научную новизну и теоретическую ценность представляют следующие разработки диссертации:
- закономерности распределения нормальных и касательных напряжений по длине очагов деформации, при формировании полосы из стальной оболочки с жидкой фазой и деформации затвердевшего металла, при получении листа из стали на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации;
- закономерности течения металла на границе с жидкой фазой при формировании стальной полосы из оболочки слитка с жидкой фазой и деформации затвердевшего металла;
- закономерности распределения нормальных и касательных напряжений по длине очага деформации плакирующего слоя алюминия при получении биметалла сталь-алюминий на установке совмещенного процесса на установке непрерывного литья и деформации;
- постановка и решение задачи по определению оптимальных по энергоемкости технологических и конструктивных параметров установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.
Практическую ценность диссертации составляют:
- результаты моделирования в программном комплексе ANSYS напряженно-деформированного состояния металла при получении на установке совмещенного процесса литья и деформации листов из стали и биметаллических полос;
- параметры установки совмещенного процесса литья и деформации для получения стальных полос;
- параметры установок совмещенного процесса литья и деформации для получения широкого листа из сплавов алюминия повышенной прочности и магния;
- параметры установки совмещенного процесса литья и деформации для получения биметалла сталь-алюминий.
Полученные результаты использованы при разработке технологического и технического заданий на проектирование установки непрерывного литья и деформации для получения листа из алюминия для завода «Уралтрансмаш».
Методология и методы исследования:
- методы МКЭ - моделирования совмещенного процесса непрерывного литья и деформации в программном комплексе ANSYS;
- методы случайного поиска и симплекса.
На защиту выносятся:
- постановка задач и результаты расчета напряженно- деформированного состояния металла в очагах деформации при получении листа из стали и биметалла сталь - алюминий на установке совмещенного процесса литья и деформации;
- постановка и результаты решения задачи оптимизации параметров установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации;
- основные параметры установок совмещенных процессов непрерывного литья и деформации при получении металлопродукции из черных и цветных металлов и сплавов, в том числе биметаллических полос.
Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается применением современных методов расчета напряженно- деформированного состояния металла в очагах деформации и оптимальных параметров установок непрерывного литья и деформации, а так же результатами исследования на опытной установке непрерывного литья и деформации.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Казань, 2015); Международная научно-практическая конференция «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика» (Воронеж, 2015); XIII Международный Конгресс «Цветные металлы и минералы - 2016» (г. Красноярск, 2016); X Международная конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2016).
Публикации. Основные научные результаты работы отражены в 8 публикациях, в том числе в 4 статьях в рецензируемых научных журналах определенных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 54 наименования. Содержание диссертации изложено на 127 страницах, включает 44 рисунка и 6 таблиц.
Купить