Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И СОЗДАНИЕ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ОБЖАТИЯ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК
|
ВВЕДЕНИЕ 9
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 11
1.1 Общие сведения о трубных сталях 11
1.2 Стали мартенситного класса содержащие 13 % хрома, применяемые в
трубной промышленности 16
1.3 Влияние основных легирующих элементов на фазовый состав, структуру и
свойства супермартенситных сталей 19
1.4 Применение высокотемпературной термомеханической обработки для
супермартенситных сталей 22
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 27
2.1 Материал и методика исследования 27
2.2 План исследования 30
3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 34
3.1 Исследования температурно-деформационных режимов 34
3.2 Разработка программного продукта на основе математической модели 48
3.3 Адаптация программного продукта «Reduction Motor Load 2020»,
предназначенного для расчета значений токовых нагрузок при обжатии заготовок 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 79
Приложение А (обязательное) Блок-схема программы «Reduction Motor Load 2020» 84
Приложение Б (справочное) Альбом графиков, проанализированных данных по кампаниям обжатий
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 11
1.1 Общие сведения о трубных сталях 11
1.2 Стали мартенситного класса содержащие 13 % хрома, применяемые в
трубной промышленности 16
1.3 Влияние основных легирующих элементов на фазовый состав, структуру и
свойства супермартенситных сталей 19
1.4 Применение высокотемпературной термомеханической обработки для
супермартенситных сталей 22
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 27
2.1 Материал и методика исследования 27
2.2 План исследования 30
3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 34
3.1 Исследования температурно-деформационных режимов 34
3.2 Разработка программного продукта на основе математической модели 48
3.3 Адаптация программного продукта «Reduction Motor Load 2020»,
предназначенного для расчета значений токовых нагрузок при обжатии заготовок 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 79
Приложение А (обязательное) Блок-схема программы «Reduction Motor Load 2020» 84
Приложение Б (справочное) Альбом графиков, проанализированных данных по кампаниям обжатий
В настоящее время наблюдается повышение спроса на производство труб из нержавеющих сталей, в особенности для нефтяной и газовой промышленности, в частности сталей типа 13Cr. Данные стали обладают рядом уникальных свойств, которыми, несмотря на высокую стоимость изделий из данного материала, обоснована необходимость их применения [1, 2].
Способность сталей и сплавов подвергаться обработке давлением на трубопрокатных агрегатах определяется двумя основными показателями - пластичностью и сопротивлением деформации, которые в совокупности обеспечивают технологическую пластичность металлов.
Оба этих показателя взаимосвязаны и зависят от природы металла, его структурного состояния, температурно-скоростных условий деформации, состояния поверхности заготовки, окружающей среды и других факторов.
Винтовая прокатка один из самых распространенных и производительных способов производства бесшовных труб. Благоприятная схема напряженного состояния, присущая процессу винтовой прокатки, позволяет деформировать мало пластичные материалы, такие как непрерывно литые заготовки или трудно деформируемые сплавы [3].
Схема напряженного состояния при обжатии на стане винтовой прокатки резко отличается от схемы напряженного состояния при любом применяемом способе испытания металлов. Поэтому экспериментальные данные о механических свойствах сталей, характеризующие возможность получения обжатой заготовки без дефектов при обжатии в горячем состоянии (сопротивление растяжению, сжатию, динамическая проба на удар и др.), не показательны в этом случае и практически не могут быть использованы. Значительно более надежные результаты дает способ испытания на горячее кручение.
С целью получения новых данных по изменению технологической пластичности сталей в зависимости от температуры в настоящей работе проведены испытания для образцов из кованной и непрерывнолитой заготовок из стали марки 15Х13Н2 и сравнение с уже полученными данными [4] для сталей марок 20 и 10ГФБЮ.
Даже при известных данных о температурно-деформационных режимах обжатия задача возможности его осуществления на имеющемся оборудовании остается крайне трудоемким процессом, хотя и представляет из себя четкий алгоритм действий, в результате которого, для определённой степени обжатия, температуры, марки стали и других параметров вычисляется токовая нагрузка на привод стана.
Расчет нагрузок на приводы раскатных станов Ассела при обжатии трубных заготовок даже с использованием математической модели является трудоемкой инженерной задачей, поскольку очаг деформации разбивается на трети шага подачи заготовки и на каждом этапе рассчитываются значения параметров, влияющих на следующий шаг. В случае изменения какого-либо параметра процесс расчета необходимо начинать заново. Поэтому задача разработки программного продукта, позволяющего использовать математическую модель для различных исходных данных, является актуальной.
Способность сталей и сплавов подвергаться обработке давлением на трубопрокатных агрегатах определяется двумя основными показателями - пластичностью и сопротивлением деформации, которые в совокупности обеспечивают технологическую пластичность металлов.
Оба этих показателя взаимосвязаны и зависят от природы металла, его структурного состояния, температурно-скоростных условий деформации, состояния поверхности заготовки, окружающей среды и других факторов.
Винтовая прокатка один из самых распространенных и производительных способов производства бесшовных труб. Благоприятная схема напряженного состояния, присущая процессу винтовой прокатки, позволяет деформировать мало пластичные материалы, такие как непрерывно литые заготовки или трудно деформируемые сплавы [3].
Схема напряженного состояния при обжатии на стане винтовой прокатки резко отличается от схемы напряженного состояния при любом применяемом способе испытания металлов. Поэтому экспериментальные данные о механических свойствах сталей, характеризующие возможность получения обжатой заготовки без дефектов при обжатии в горячем состоянии (сопротивление растяжению, сжатию, динамическая проба на удар и др.), не показательны в этом случае и практически не могут быть использованы. Значительно более надежные результаты дает способ испытания на горячее кручение.
С целью получения новых данных по изменению технологической пластичности сталей в зависимости от температуры в настоящей работе проведены испытания для образцов из кованной и непрерывнолитой заготовок из стали марки 15Х13Н2 и сравнение с уже полученными данными [4] для сталей марок 20 и 10ГФБЮ.
Даже при известных данных о температурно-деформационных режимах обжатия задача возможности его осуществления на имеющемся оборудовании остается крайне трудоемким процессом, хотя и представляет из себя четкий алгоритм действий, в результате которого, для определённой степени обжатия, температуры, марки стали и других параметров вычисляется токовая нагрузка на привод стана.
Расчет нагрузок на приводы раскатных станов Ассела при обжатии трубных заготовок даже с использованием математической модели является трудоемкой инженерной задачей, поскольку очаг деформации разбивается на трети шага подачи заготовки и на каждом этапе рассчитываются значения параметров, влияющих на следующий шаг. В случае изменения какого-либо параметра процесс расчета необходимо начинать заново. Поэтому задача разработки программного продукта, позволяющего использовать математическую модель для различных исходных данных, является актуальной.
1. Из полученных данных следует, что наиболее рациональным, с точки зрения технологической пластичности, для процесса обжатия кованой заготовки из стали 15Х13Н2 является температурный интервал 1050^1125 °С (в данном интервале относительное отклонение показателей пластичности не превышает 11 %). Среднее число кручений образцов до разрушения в пределах рационального интервала температур составляет 17,2 ± 1,4 оборота.
Максимальное количество кручений до разрушения (18,5 оборотов) наблюдается при температуре нагрева образцов 1100 °С. Минимально (11,1 оборотов) - при температуре нагрева образцов 1250 С. С увеличением температуры нагрева образцов выше 1100 С наблюдается монотонное снижение пластичности стали.
2. Для стали 15Х13Н2 в литом состоянии наблюдается монотонное повышение пластичности с увеличением температуры деформации. При этом полученные значения пластичности расположены существенно ниже (на 8т 14 оборотов) значений, полученных для данной марки стали в кованом состоянии. Таким образом, использование НЛЗ из стали марки 15Х13Н2 для получения обжатой заготовки связано с образованием большого количества дефектов.
3. В испытании на горячую осадку наблюдается хорошая воспроизводимость результатов. Также показано, что наблюдаемый участок подъема напряжений при больших деформациях связан с условиями трения между образцом и рабочим инструментом.
4. Проведенные испытания на горячую осадку не позволили определить критическую степень деформации для стали марки 15Х13Н2 в кованом состоянии, при которой наступает разрушение материала, поскольку разрушение боковой поверхности образца не было достигнуто при максимальной степени деформации, которую способно развить испытательное оборудование во всем диапазоне температур. Таким образом, для данной марки стали не являются критическими степени деформации при осадке от 77,5% и ниже, что соответствует вытяжке 4,44.
5. Сравнительный анализ результатов испытаний на горячее кручение различных марок сталей показал, что стали марок 20 и 10ГФБЮ в литом состоянии имеют значительно лучшую технологическая пластичность по сравнению со сталью марки 15Х13Н2 в кованом состоянии (количество кручений до разрушения образцов в 2 и более раз выше). При этом НЛЗ и сталей марок 20 и 10ГФБЮ имеют существенную неоднородность свойств по поперечному сечению (технологическая пластичность значительно ухудшается от периферийных областей к осевой зоне). Сталь марки 15Х13Н2 в кованом состоянии лишена данного недостатка. Благодаря тому, что заготовка прошла предварительную деформационную обработку - достигнута однородность свойств по поперечному сечению заготовки, поэтому данную марку стали можно успешно обжимать на станах винтовой прокатки с получением обжатой заготовки надлежащего качества.
6. Разработан программный продукт для ЭВМ ««Reduction Motor Load 2020» (сокращенное название: RML2020), позволяющий осуществлять расчет токовых нагрузок на приводы трехвалковых раскатных станов Ассела при обжатии трубных заготовок из различных марок сталей, в различных условиях и на различных режимах деформации.
7. Программный продукт RML2020 дополнительно оснащен модулем анализа исходных данных, который позволяет определять возможные диапазоны варьирования исходных данных, которые обеспечивают стабильную работу оборудования раскатных станов без превышения допустимых значений токовых нагрузок.
8. Проведена адаптация программного продукта RML2020 для условий работы раскатных станов Ассела РС-1 и РС-2 ТПЦ-1 АО «ВТЗ»:
а) Установлено различие в задаваемой и фактической частоте вращения
двигателя на РС-1, в то же время на РС-2 такого не наблюдается. Предположительно, это может быть следствием некорректной работы оборудования фиксации данных.
b) Установлено что значения, рассчитанные с помощью математической
модели занижены по отношению к фактическим значениям токовой нагрузки.
с) Выбран метод адаптации, который заключается в использовании
определенных поправочных коэффициентов, различных для РС-1 и РС-2, ввиду разницы отклонений на каждом из них, 34% и 48% соответственно. Поправочный коэффициент для РС-1 составил 1,51, для РС-2 - 2,08.
9. Разработанная программа показала, в частности, что обжатие кованых заготовок из стали 15Х13Н2 с исходного диаметра 156 мм до 120 мм в предлагаемом интервале температур максимальной технологической пластичности 1050-1125 С на имеющемся оборудовании невозможно: нужны более высокие температуры нагрева заготовок 1183 С и 1235 С, а их исходный диаметр не должен превышать153 мм и 151 мм для РС-1 и РС-2 соответственно.
Максимальное количество кручений до разрушения (18,5 оборотов) наблюдается при температуре нагрева образцов 1100 °С. Минимально (11,1 оборотов) - при температуре нагрева образцов 1250 С. С увеличением температуры нагрева образцов выше 1100 С наблюдается монотонное снижение пластичности стали.
2. Для стали 15Х13Н2 в литом состоянии наблюдается монотонное повышение пластичности с увеличением температуры деформации. При этом полученные значения пластичности расположены существенно ниже (на 8т 14 оборотов) значений, полученных для данной марки стали в кованом состоянии. Таким образом, использование НЛЗ из стали марки 15Х13Н2 для получения обжатой заготовки связано с образованием большого количества дефектов.
3. В испытании на горячую осадку наблюдается хорошая воспроизводимость результатов. Также показано, что наблюдаемый участок подъема напряжений при больших деформациях связан с условиями трения между образцом и рабочим инструментом.
4. Проведенные испытания на горячую осадку не позволили определить критическую степень деформации для стали марки 15Х13Н2 в кованом состоянии, при которой наступает разрушение материала, поскольку разрушение боковой поверхности образца не было достигнуто при максимальной степени деформации, которую способно развить испытательное оборудование во всем диапазоне температур. Таким образом, для данной марки стали не являются критическими степени деформации при осадке от 77,5% и ниже, что соответствует вытяжке 4,44.
5. Сравнительный анализ результатов испытаний на горячее кручение различных марок сталей показал, что стали марок 20 и 10ГФБЮ в литом состоянии имеют значительно лучшую технологическая пластичность по сравнению со сталью марки 15Х13Н2 в кованом состоянии (количество кручений до разрушения образцов в 2 и более раз выше). При этом НЛЗ и сталей марок 20 и 10ГФБЮ имеют существенную неоднородность свойств по поперечному сечению (технологическая пластичность значительно ухудшается от периферийных областей к осевой зоне). Сталь марки 15Х13Н2 в кованом состоянии лишена данного недостатка. Благодаря тому, что заготовка прошла предварительную деформационную обработку - достигнута однородность свойств по поперечному сечению заготовки, поэтому данную марку стали можно успешно обжимать на станах винтовой прокатки с получением обжатой заготовки надлежащего качества.
6. Разработан программный продукт для ЭВМ ««Reduction Motor Load 2020» (сокращенное название: RML2020), позволяющий осуществлять расчет токовых нагрузок на приводы трехвалковых раскатных станов Ассела при обжатии трубных заготовок из различных марок сталей, в различных условиях и на различных режимах деформации.
7. Программный продукт RML2020 дополнительно оснащен модулем анализа исходных данных, который позволяет определять возможные диапазоны варьирования исходных данных, которые обеспечивают стабильную работу оборудования раскатных станов без превышения допустимых значений токовых нагрузок.
8. Проведена адаптация программного продукта RML2020 для условий работы раскатных станов Ассела РС-1 и РС-2 ТПЦ-1 АО «ВТЗ»:
а) Установлено различие в задаваемой и фактической частоте вращения
двигателя на РС-1, в то же время на РС-2 такого не наблюдается. Предположительно, это может быть следствием некорректной работы оборудования фиксации данных.
b) Установлено что значения, рассчитанные с помощью математической
модели занижены по отношению к фактическим значениям токовой нагрузки.
с) Выбран метод адаптации, который заключается в использовании
определенных поправочных коэффициентов, различных для РС-1 и РС-2, ввиду разницы отклонений на каждом из них, 34% и 48% соответственно. Поправочный коэффициент для РС-1 составил 1,51, для РС-2 - 2,08.
9. Разработанная программа показала, в частности, что обжатие кованых заготовок из стали 15Х13Н2 с исходного диаметра 156 мм до 120 мм в предлагаемом интервале температур максимальной технологической пластичности 1050-1125 С на имеющемся оборудовании невозможно: нужны более высокие температуры нагрева заготовок 1183 С и 1235 С, а их исходный диаметр не должен превышать153 мм и 151 мм для РС-1 и РС-2 соответственно.