CC BY
28
УДК 669.189; 621.74
ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАЛИВКИ НА КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ И ДЕФЕКТЫ СТРУКТУРЫ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ Роготовский Александр Николаевич, к.т.н., доцент Шипельников Алексей Александрович, к.т.н., доцент Бобылева Наталия Александровна, учебный мастер (e-mail: bobyleva.n.a@yandex.ru) Липецкий государственный технический университет, г.Липецк, Россия
В статье представлены результаты компьютерного моделирования влияния температуры заливки на кристаллизацию и дефекты структуры классических кузнечных восьмигранных слитков массой 10, 12, 15 и 19 тонн. Рассмотрены особенности формирования усадочных дефектов и их различия при варьировании массы стальных слитков.
Ключевые слова: стальной слиток, моделирование, температура заливки, кристаллизация, усадочная раковина, усадочная пористость, изложница, разливка стали.
В настоящее время классические восьмигранные кузнечные слитки остаются затребованной продукцией сталелитейного производства, которые используются в кузнечно-ремонтном производстве для получения ответственных поковок достаточно широкой номенклатры. Основной проблемой производства является наличие усадочных дефектов (раковин и усадочной пористости) в верхней трети высоты слитков. Варьирование существующих параметров разливки, таких как скорость и температура разливки, отношение слитка высоты к среднему диаметру (Н/Оср), является основным условием минимизации дефектов стальных слитков [1-4].
Одним из способов контроля и оптимизации этапов производства от разливки до извлечения слитка из изложницы является использование методов численного компьютерного моделирования процесса разливки и формирования макроструктуры литой заготовки. Использование в практике исследований методов компьютерного моделирования позволяет сократить временные издержки на проектирование и оптимизацию слитков, дает возможность получать более высококачественную продукцию благодаря возможности рассмотреть несколько вариантов технологии. Также современные программы моделирования литейных процессов позволяют получить более полное представление о влиянии параметров разливки на процессы происходящие при кристаллизации стальных слитков [5-8].
В работе исследовались классические кузнечные восьмигранные слитки различной массы, отливаемые из стали 35Л в чугунную изложницу с шамотной прибылью при различной температуре заливки. Построение рабочих чертежей слитка, изложницы, поддона и прибыльной надставки, с
созданием ЭБ-моделей, проводилось в лицензионной CAD-системе «Компас 3D V14» (рисунок 1). Окончательная сборка слитка с последующим моделирование заливки и затвердевания слитка проводилось с помощью программного комплекса моделирования литейных процессов «LVM Flow_CV», использующей метод конечных разностей. Шаг сетки составил 25 мм. Модель теплопереноса «расплав-стенка» не учитывала конвективный теплообмен. Шаг сетки составил 25 мм. Модель теплопереноса «расплав-стенка» не учитывала конвективный теплообмен. В качестве аппаратного обеспечения моделирования использовалась инженерная станция на базе «Intel Core i7», Э600 ГЦ, 64 Гб, HDD 1 Тб. Исследование было выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Липецкой области в рамках научного проекта №17-48-48020Эр_а.
Рисунок 1 - Технологическая сборка 3D-модели слитка и изложницы в
«КОМПАСА Viewer»
Исходя из основных типов размеров крупных кузнечных слитков произведены расчеты по усадочной раковине и пористости (критерий Ниямы) для слитков массой 10, 12, 15, 19 тонн, результаты которых приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Варианты и результаты моделирования
Слиток, т Масса тела с прибылью, т Температура заливки, °С Пористость, отн. ед. Усадка, %
10 11,9 1560 1580 1600 1,10 3,19 3,498 3,693
12 13,8 1560 1580 1600 0,94 3,31 3,502 2,927
15 16,9 1560 1580 1600 0,47 3,32 3,509 3,701
19 22,1 1560 1580 1590 0,31 3,22 3,516 3,706
ХМ
Рисунок 2 - Усадка (вверху) и усадочная пористость (внизу) при температуре заливки 1560° С, слева направо слитки 10, 12, 15, 19 тонн
Критерий Нияма, ^гЦ'К"с)/мм
I
Рисунок 3 - Усадка (вверху) и усадочная пористость (внизу) при температуре заливки 1580° С, слева направо слитки 10, 12, 15, 19 тонн
Усадка, %
I I
I
и
4.00 3.00 2.00 100
и-
Критерий Нияма, $яЛ(*К*с)/мм
Рисунок 4 - Усадка (вверху) и усадочная пористость (внизу) при температуре заливки 1600° С, слева направо слитки 10, 12, 15, 19 тонн
Моделированием установлено, что оптимальной температурой заливки, при которой наблюдается наименьшая величина сосредоточенной усадочной раковины является 1560° C: в слитке 10 т наименьшая усадка 3,19%, но наблюдается развитая центровая пористость; слиток 12 т имеет наименьшую усадку 3,31%, с усадочной пористостью только в прибыльной части заготовки; а слиток 15 т имеет усадку 3,32% при этом наблюдается незначительная по высоте раковина и сильная пористость в прибыли. Кузнечный слиток 19 т имеет усадку 3,22%, но большую V-образную раковину и сильно развитую усадочную пористость проникающую в тело слитка, что говорит о недостатке питающего расплава в прибыльной части при температуре 15600 С; с увеличением температуры заливки до 1600° С наблюдается трансформация усадочной раковины в менее протяженную по высоте форму с одновременным уменьшением глубины зоны центральной пористости, что предопределяется особенностью конфигурации классической конической прибыли и интенсивностью теплоотвода через футерованную стенку. Эти особенности формирования усадочных дефектов и их различия при варьировании массы классических кузнечных восьмигранных слитков следует учитывать при разработке технологических регламентов персоналу сталелитейных цехов.
Список литературы
1. The effect of boundary conditions of casting on the size of porosity of heavy steel ingot / M. Tkadleckova, K. Michalek, K. Gryc, B. Smetana, P. Machovcak, L. Socha // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. - 2013. - Vol. 56. - рр. 29-37.
2. Управление процессом снижения усадочных дефектов отливок/ Воронин Ю.Ф., Лосев А.Г., Матохина А.В., Куликов Д.Ю. // Литейщик. России. 2004. №12. - С. 37- 40
3. Kermanpus, A., Eskandari, M., Purmohamad, H., Soltani, M., A., Shateri, B. Influence of mould design on the solidification of heavy forging ingots of low alloy steels by numerical simulation, Materials and Design, vol.31, 2010. p.1096-1104.
4. Heidarzadeh, M.; Keshmiri, H. Influence of mould and insulation design on soundness of tool steel ingot by numerical simulation, J. Iron Steel Res. Int, 2013, 20, 78-83.
5. Роготовский А.Н. Компьютерное моделирование металлургических процессов в среде современных САПР / А.Н. Роготовский, А.А. Шипельников, Н.А. Бобылева // Современные сложные системы управления: мат-лы XII междунар. науч.-практ. конф. -Липецк: Изд-во ЛГТУ. - 2017. Том 1.- С. 259-263.
6. Шипельников А.А. Влияние параметров разливки на направленную кристаллизацию стальных отливок/А.А.Шипельников, А.Н. Роготовский, Н.А. Бобылева // Моделирование и анализ сложных технических и технологических систем: сборник статей Международной научно-практической конференции. - Волгоград. -2017. - С. 131-134.
7. Моделирование и анализ разливки стали в изложницу/ Шипельников А.А., Рого-товский А.Н., Бобылева Н.А., Яшин А.А. // Вестник Липецкого государственного технического университета. - 2015. - № 4 (26). - С. 45-51.
8. Zhang С. Influence of casting parameters on shrinkage porosity of a 19 ton steel ingot/С. Zhang , Y. Bao, M. Wang//La Metallurgia Italiana, 2016. - №1. - рр. 37-44.7.
Rogotovskii Alexander N., PhD., Associate Professor
Shipelnikov Alexey A., PhD., Associate Professor
Bobyleva Natalya A., Researcher, (e-mail: bobyleva.n.a@yandex.ru)
Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia
RESEARCH AND SIMULATION OF THE INFLUENCE OF TEMPERATURE OF FILLING ON CRYSTALLIZATION AND DEFECTS OF STRUCTURE OF STEEL INGOTS
Abstract. Presents the results of computer simulation of the influence of casting temperature on crystallization and defects in the structure of classical forging octagonal ingots with a mass of 10, 12, 15 and 19 tons. The features of the formation of shrinkage defects and their differences are considered when varying the mass of steel ingots.
Keywords: steel ingot, modeling, filling temperature, solidification, shrinkage cavity, shrinkage porosity, mold, steel casting.
УДК 621.9.02
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ЧИСЛЕННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗУБОРЕЗНОГО ДОЛБЯКА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ ЭВОЛЬВЕНТНЫХ КОЛЕС НАРУЖНОГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ
Савельев Сергей Валерьевич, магистрант (e-mail: savelevvv19992@mail.ru; тел: +7-920-107-03-68) Волков Дмитрий Иванович, д.т.н. профессор (e-mail: d_i_volkov@rsatu.ru) Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева, г.Рыбинск, Россия
На основе графо-аналитического анализа характера функций, ограничивающих величины смещений долбяка, были сделаны выводы о наилучшей методике численного проектирования данного инструмента.
Ключевые слова: долбяк, ограничения на величину смещения, численные методы, графический анализ зависимостей, автоматизированное проектирование, универсальная математическая модель.
Одним из наиболее сложных инструментов с точки зрения проектирования является зуборезный долбяк. В большинстве случаев, методики расчета долбяков, в силу невозможности аналитического решения задачи, сводятся к тому, что по приближенным зависимостям, номограммам или таблицам назначаются величины положительного и отрицательного смещения, которые в последствии проверяют на предмет удовлетворения определенных условий, невыполнение которых, является поводом для изменения исходных данных, повторного расчета и проверки.
Основным недостатком описанного подхода является не только длительный перебор различных вариантов в случае не выполнения тождеств, но и занижение возможного ресурса инструмента, вызванного тем, что в большинстве случаев значения смещения полученные по приближенным формулам, не являются максимально допустимыми. Тем
