CC BY
55
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.735.36
Ковка крупных валков без применения осадки слитка
М. В. Ефимов, Ю. Н. Станков, О. Е. Марков
Введение
Мировые тенденции развития металлургической промышленности таковы, что производители, работающие в сфере тяжелого машиностроения, должны разрабатывать и внедрять в производство новые технологические процессы изготовления деталей большой массы и обеспечивать получение высокого комплекса механических свойств и приемлемой себестоимости. К таким деталям относятся опорные валки толстолистовых станов. В тяжелом машиностроении крупные детали можно изготовить двумя способами — литьем или ковкой слитков гидравлическими прессами. Так как речь идет об опорных валках прокатных станов, которые относятся к поковкам ответственного назначения, рациональный способ их производства — ковка, которая позволяет исправить дефекты металлургического происхождения, улучшить механические свойства металла, а значит, повысить надежность и долговечность работы прокатного стана [1].
ПАО «Энергомашспецсталь» обладает огромными производственными мощностями и научно-техническим потенциалом, является крупнейшим мировым производителем уникальных комплектующих и оборудования, развивает производство крупногабаритных, многотоннажных цельнокованых изделий. По заказу фирмы ТКМЕ компания изготовила две заготовки для особо крупных опорных прокатных валков толстолистового стана (чистовая масса — 165 т), для выпуска которых требовалась отливка и ковка уникальных слитков массой 355 т, аналогов которым на территории Украины не было. Готовое изделие имеет диаметр бочки 2000 мм, длину бочки 5500 мм, общая длина детали — более 10 000 мм, материал — сталь 45Х3М1Ф бейнитного класса.
Поковки с массой более 100 т считаются уникальными, и технологиям их изготовления уделяют особое внимание. Подобные детали выпускаются в единичных экземплярах, следовательно, опыта изготовления именно таких поковок нет. Проводить специальное экспериментальное исследование на натурных образцах в этом случае нерентабельно. Исследование на уменьшенных моделях не дает полной картины того, как протекает процесс деформирования. Все
это обуславливает сложность проектирования таких технологий и их реализации в производственных условиях. Следовательно, единственно приемлемым инструментом для разработки технологии ковки крупных поковок является компьютерное моделирование разрабатываемого технологического процесса [2].
Качество поковки и готовой детали в целом определяется степенью проработки литой структуры слитка, завариванием внутренних пустот и несплошностей, определяемых ультразвуковым контролем. Другими словами, качество изделия формируется в основном на стадии ковки слитка. В данной статье представлено получение исходной информации для проектирования технологического процесса ковки и теоретическое исследование процесса ковки прокатного валка из слитка массой 355 т методом конечных элементов (МКЭ).
Цели работы
Цели работы — исследование влияния операции осадки слитка на распределение деформаций (укова) в металле заготовки, замена кузнечной операции осадки протяжкой укороченных слитков выпуклыми бойками с применением специальных термомеханических режимов ковки; разработка рационального технологического процесса ковки. Качественно и количественно проработку структуры металла и заваривание внутренних дефектов слитков можно оценить на основании данных о распределении деформаций в теле заготовки в процессе ковки.
Метод исследования
На сегодняшний день существует большое количество разнообразных коммерческих продуктов на основе МКЭ, которые способны моделировать процессы ковки слитков с определением напряженно-деформированного состояния (НДС) заготовки в процессе деформации. При компьютерном моделировании процессов ковки крупных поковок необходимо учитывать такие важные факторы, как чередование различных операций (протяжка — осадка — протяжка), многократные подачи, кантовки, обжатия, смены инструмента, разупрочнение при ковке проходами, применение
промежуточных подогревов заготовки и пр. Не все существующие коммерческие программные продукты способны учесть эти важные параметры, применение универсальных конечно-элементных программ (КЭП) сопряжено с высокой трудоемкостью расчета, который может занять несколько месяцев. Кроме того, на сегодняшний день отсутствуют специализированные КЭП для моделирования процессов ковки слитков с учетом сложных процессов разупрочнения горячей стали, которое влияет на энергосиловые характеристики и выбор оборудования. Поэтому на кафедре «Обработка металлов давлением» Донбасской государственной машиностроительной академии (ДГМА) для моделирования процессов ковки крупных слитков были разработаны математический аппарат МКЭ для учета реологии стали в горячем состоянии и специальная программа на основе МКЭ, которая специализированна для расчетов технологических процессов ковки крупных поковок из слитков [3]. Для разработки оптимального технологического процесса необходимо провести несколько компьютерных экспериментов с различными вариантами применения операций и инструмента и выбрать наиболее эффективный среди них с точки зрения получения высокого качества при низких затратах на производство.
Ковка вала с осадкой
За основу был выбран классический технологический процесс ковки с осадкой слитка. Температурный интервал моделирования ковки составлял 1200-800 °С, сталь 45Х3М1Ф, коэффициент укова — 3,4. Эскизы продольного разреза заготовки по технологическим переходам с информацией о распределении укова, которые получены путем пересчета логарифмических деформаций, представлены на рис. 1, 2. Технологический процесс ковки предполагается реализовать за восемь нагревов (выносов).
Путем моделирования базовой технологии ковки прокатного вала [4] установлено, что после осадки слитка на 0 4200мм и последующей протяжки на 0 3200 мм возможен наплыв металла на цапфу с образованием зажима (рис. 1). Количественно проработку литой структуры можно оценить на основании данных об интенсивности распределения деформаций в теле поковки, которые могут быть пересчитаны на уков (рис. 1). Светлые участки сечения блока в центральной прибыльной части, осевой и концевой донной, которые не выделены контуром, свидетельствуют о слабой проработке (коэффициент укова — 1,2-2,0) по сравнению с зоной заготовки между поверх-
Уков = 1
1
■ "->__ ___
/¿1 — -1 Уков < 2,5
1 Уков = 9 Уков 9
Уков < 2,5 1 у- Т44^
_
Уков = 9 \
9
Уков < 2
Уков < 2,5
1,14 5,4 9,67 13,94 18,21 Уков
Рис. 1. Распределение укова после осадки и протяжки на 0 3200 мм:
1 — непродеформированная зона
ностью и центром (коэффициент укова — 3,57,5). Среднеарифметический коэффициент укова равен 3,0-3,5, но он не равномерен по сечению.
Последующая ковка до поковочных размеров приводит к тем результатам, что представлены на рис. 2. Бочка вала получила меньшую проработку (уков), чем шейки вала. Подсты-вание металла на поверхности поковки привело к образованию утяжин на уступах между бочкой и шейкой вала при оттяжке шеек поковки. Осадка повышает общий уровень накопленных деформаций в теле заготовки, полученные результаты свидетельствуют о высокой проработке металла в периферии шеек поковки валка (уков в среднем около 7,5), что превышает заданный уков (2,65), но данный техпроцесс приведет к повышенным энергетическим затратам, связанным с большим количеством операций и подогревов недокова. Более того, уков больше 2,5-3,0 не обеспечивает значительного повышения механических свойств. Опасения вызывают поверхностные дефекты и дефекты формы поковки (зажимы, трещины, утяжины). С точки зрения недостаточного заваривания осевых дефектов, серьезные опасения вызывает осевая часть шейки валка поковки с прибыльной стороны слитка, которая имеет меньшую величину проработки. Это объясняется осадкой слитка на плите с отверстием под обкатанную прибыльную часть слитка, получением большого сечения заготовки и невозможностью проникновения очага деформации до оси поковки при протяжке, поэтому необходимо корректировать механические режимы ковки, инструмент и применяемые операции. Расчетное усилие осадки превышает возможности имеющегося в парке оборудования ПАО «Энергомашспецсталь» гидравлического пресса 150МН, поэтому необходимо заменить энергоемкую операцию осадку протяжкой специальным инструментом и обеспечить термомеханические режимы ковки для соблюдения условия устранения металлургических дефектов. Возможно применение слитков с отношением
Уков < 2,5
Уков = 9
Уков < 2,5 Уков = 9
Уков < 2,5
1,14 5,4 9,67 13,94 18,21 Уков
Рис. 2. Распределение укова по сечению поковки прокатного валка: 1 — непродеформированная зона
Уков= 10
Уков = 3,5 ... 6,5
Уков = 2,5 ... 3,0
i /
/
Уков = 3,5 ... 6,0
1 3,5 6,01 8,51 11,0212,2 Уков
Рис. 3. Распределение укова в поковке без применения операции осадки
H/D = 1,0 -г 1,2 (где H — высота; D — диаметр тела слитка) широких бойков (для обеспечения подач большей величины) выпуклой геометрии [5] и использование эффекта естественного подстуживания поверхности заготовки в процессе ковки посредством оптимально подобранных температур поверхности недокова перед его подогревом.
Ковка вала без осадки
После внесения корректировок в технологический процесс и его моделирования получили результаты распределения укова по сечению поковки (рис. 3). Они качественно повторяют предыдущие (см. рис. 2), за исключением меньшего уровня накопленного укова (деформаций) за счет исключения операции осадки. При этом в шейках обеспечен уков « 3,5 г 6,5, а в бочке « 3,0. Таким образом, исключение операции осадки слитка протяжкой позволит обеспечить для укороченного по сравнению с исходными размерами слитка уков требуемой величины. В результате количество нагревов уменьшится с 8 до 6. Производительность процесса ковки увеличилась примерно на 25 %.
Промышленная апробация и внедрение нового техпроцесса
По результатам проведенных теоретических исследований в ДГМА для гарантированного получения качественной заготовки в соответствии
с требованиями заказчика разработан, апробирован на ПАО «Энергомашспецсталь» и внедрен технологический процесс ковки поковки «Опорный валок» на гидравлическом прессе усилием 150 МН (рис. 4). Для изготовления поковки вместо осадки схема ковки была заменена протяжкой подстуженного слитка выпуклым бойком с окончательной протяжкой вырезными бойками, в осевой зоне слитка НДС обеспечено всестороннее неравномерное сжатие для заваривания осевой рыхлости слитка.
Выплавка металла производилась в дуговых сталеплавильных печах ДСП-100 и ДСП-50. Вне-печная обработка жидкой стали осуществлялась в установке «Ковш-печь». Заливка слитка
Рис. 4. Ковка валка из слитка массой 355 т
1
МП^ППООБ^^Ш
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
производилась в вакуумной камере через промежуточный ковш с защитой струи металла аргоном, что обеспечило высокую чистоту металла по содержанию серы и фосфора и низкое содержание водорода, кислорода и азота. Слиток кристаллизовался в 16-гранной изложнице с последующим гомогенизирующим отжигом. В настоящее время произведено четыре таких слитка. Расчетный коэффициент укова через площади поперечного сечения слитка и поковки по бочке составил 3,4. Полученная поковка весом 255 т подвергалась первичной термообработке, которая заключалась в нагреве под перекристаллизацию для получения равновесной мелкозернистой структуры перлита, изотермической выдержке с контролируемым охлаждением поковки в качестве антифлокеновой обработки для снижения твердости перед первичной механообработкой. После предварительной механической обработки поковки производилась промежуточная и окончательная термообработка (закалка с объемного нагрева в спрейерной установке с подачей воды, а затем водо-воздуш-ной смеси) для придания структуре требуемых механических свойств и получения дифференцированных требований по твердости бочки и шеек валка. Затем выполнялась окончательная механическая обработка. После каждого вида термообработки производился ультразвуковой контроль заготовки.
По результатам промышленной апробации сравнивались результаты моделирования процесса ковки слитка и реальной производственной технологии ковки поковки «Опорный валок» из слитка массой 355 т. Согласно данным карты фиксации, результаты моделирования с помощью КЭП по формоизменению и тепловому состоянию заготовки в процессе ковки соответствуют реальным производственным данным. Размеры заготовки в процессе ковки совпадают с прогнозируемыми с точностью 5-7 %. Полученные в результате МКЭ утяжи-ны на переходе с бочки вала на шейки были отмечены и на реальной поковке.
В течение 2010 года откованы и поставлены заказчику поковки опорных валков из слитков 355 т с массой поковки 205 т общей длиной 10 650мм, изготовленные по разработанной схеме, с обеспечением требуемого уровня механических свойств и требований ультразвукового контроля (УЗК) по зонам поковки (поверхностные слои диаметром 200-400 мм, средние и центральные — 400 мм). Согласно заключению УЗК, в объеме поковки внутренних дефектов, превышающих требования европейского стаедарта 81аЫ-Е1веп-Рги:?Ь1а11ег, не обнаружено. Полученная поковка соответствует техническим условиям заказчика.
Выводы
С применением разработанной КЭП исследовано деформированное состояние заготовки в процессе ковки и спроектирован новый энергосберегающий технологический процесс ковки крупных опорных валков без осадки. Полученные результаты показали, что применение операции осадки для получения достаточной величины укова не обязательно. Возможно обеспечить равномерное распределение деформаций, достаточных для получения заданного укова, за счет протяжки выпуклыми бойками укороченных слитков. Разработанное технологическое решение позволило производить ковку особо крупных слитков без осадки, расширить номенклатуру поковок и повысить конкурентоспособность предприятия за счет обеспечения высокого качества продукции и снижения затрат на ковку. Освоена и внедрена уникальная технология ковки опорных валков большого сечения из особо крупных слитков без осадки и с использованием выпуклых бойков и специальных термомеханических режимов деформирования. В результате примерно на 25 % повысилась производительность процесса ковки крупных валов, количество нагревов снизилось с 8 до 6. Полученные поковки соответствуют требуемым механическим свойствам и УЗК.
Литература
1. Алиев И. С., Марков О. Е., Олешко М. В. и др.
Применение способа осадки слитков кольцами в процессах ковки валов // Обработка материалов давлением: Сб. науч. тр. № 2 (23). Краматорск: ДГМА, 2010. С. 94-98.
2. Марков О. Е. Deform — 3d для конечно-элементного моделирования процессов ковки крупных слитков // Инженерные системы — 2011: Междунар. науч.-практ. конф. Москва, 5-8 апреля 2011. М.: РУДН, 2011. С. 30-31.
3. Марков О. Е., Алиев И. С., Обухов А. Н. и др. Установление связи напряжений и деформаций для конечно-элементного моделирования процессов ковки слитков // Обработка материалов давлением: Сб. науч. трудов. № 4 (25). Краматорск: ДГМА, 2010. С. 11-16.
4. Марков О. Е., Янчук С. В. Особенности ковки прокатных валков из слитков массой более 300 тонн // Енергомашспецсталь: II наук.-техн. конф. Краматорськ: Энергомашспецсталь, 2008. С. 22-24.
5. Каргин С. Б., Каргин Б. С., Кухарь В. В. и др. Разработка конструкции профилированных бойков и элементов технологии ковки трехлепестко-вой и четырехлепестковой заготовки для последующей протяжки // Вестник Харьковск. политехн. ин-та: Сб. науч. тр. № 17. Харьков: НТУ «ХП1», 2010. С. 81-85.
