CC BY
29
Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733
7. Shiryaev A.V. Razvitie kontaktno-ustalostnogo vykrashivaniia pri tsiklicheskom kontakte tel. Ano-tatsii dopovidei 11 Region. nauk.-prakt. konf. [Development of the pin-tireless painting at the cyclic contact of bodies. Abstracts of 11th. Region. Sci.-Pract. Conf.]. Mariupol, 2004, vol. 2, p. 17. (Rus.)
8. Morozov B.A. Kontaktno-ustalostnaia prochnost' opornykh valkov [Contact fatigue strength of rolls]. Napriazheniia, deformatsii i raschety naprochnost' metallurgicheskikh mashin: sb. nauch. trud. VNIIMETMASH - Stress, strain and strength calculations of metallurgical machines: collection of VNIIMETMASH scientific works, 1988, pp. 30-42. (Rus.)
9. Shiryaev A.V., Golovachjova I.V. Issledovanie kasatel'noi sily pri kachenii v usloviiakh uprugo-plasticheskogo i plasticheskogo kontakta [Research of tangent force at woobling in the conditions of resilient - plastic and plastic contact]. Zashchita metallurgicheskikh mashin ot polomok - Protection of metallurgical machinery from damage, 2010, no. 14, pp. 32-35. (Rus.)
10. Drozd M.S. Opredelenie mehanicheskih svoystv metalla bez razrusheniya [Determination of mechanical properties of metal non-destructive]. Moscow, Metallurgiya Publ. 72 p. (Rus.)
11. Kudryavtsev I.M. Vliianie krivizny poverkhnostei na glubinu plasticheskoi deformatsii pri uprochnenii detalei poverkhnostnym naklepom [Influence of curvature surfaces to a depth of plastic deformation when hardening details surface of work hardening]. Voprosy prochnosti i dolgovechnosti mashinostroitel'nykh materialov i detalei: Sb. nauch. tr. TsNIITMASh - Questions of strength and durability of engineering materials and components: collection of TSNIITMASH scientific works, 1966, no. 61, pp. 111-116. (Rus.)
Рецензент: В.М. Кравченко
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 03.10.2016
УДК 669.184-412:539.4.011
© Лоза А.В.1, Чигарев В.В.2, Шишкин В.В.3
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СТАЛЬНЫХ ЛИТО-СВАРНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
Рассмотрены приемы качественного изготовления и ремонта стальных лито-сварных конструкций. Показаны преимущества комбинированных изделий и их недостатки, обусловленные структурой литого металла. Рассмотрено влияние дефектов сварного соединения на прочность конструкции. Даны рекомендации, обеспечивающие высокое качество сварного соединения и более длительный срок эксплуатации конструкций.
Ключевые слова: лито-сварная конструкция, углеродистые стали, сварное соединение, дефекты структуры, прочность, качество, долговечность.
Лоза А.В., Чигарьов В.В., Шиштн В.В. Шдвищення якостi сталевих лито-зварних конструкцш. Розглянут1 прийоми яюсного виготовлення i ремонту сталевих лито-зварних конструкцт. Показан переваги комбтованих виробiв i гх недолi-ки, обумовлен структурою литого металу. Розглянутий вплив дефектiв зварного з'еднання на мщтсть конструкцИ Дан рекомендации що забезпечують високу яюсть зварного з'еднання i бтьш тривалий термт експлуатацИ' конструкцт. Ключовi слова: лито-зварна конструкщя, вуглецевi сталi, зварне з'еднання, дефек-ти структури, мщтсть, яюсть, довговiчнiсть.
1 ст. преп., ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, loza a v@pstu.edu
2 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, chigarew07@rambler.ru
3 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, shishkin V V@pstu.edu
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
A.V. Loza, V.V. Chigarev, V.V. Shishkin. Quality improvement of steel cast-welded constructions. Among the various types of metallurgical equipment there are structures which are welded compounds of a cast base and additional elements produced by casting or any other means. Such structures are called cast-welded constructions. Besides new working properties such constructions appear to be more efficient and provide better durability as compared to the similar structures produced by other industrial means. Meanwhile the advantages of the technology are not used in full. One reason is low quality of the compound products caused by lack of proper preparation of the elements to be welded and poor quality of the welds themselves. In the article the methods of quality production and the maintenance of steel cast-welded constructions have been considered. A ladle of a blast-furnace slag car is used as the subject of investigation and further testing of the mentioned above technologies. The ladle is a cast product. Under operating conditions, the ladle undergoes mechanical and thermal load, which results in deformation of its sides that deflect inside. To prevent the deflection stiffening ribs are welded onto the outer surface of the ladle. However, there may be casting defects in the base metal that could reduce the durability of the welds. It has been proved that welds on the unprepared cast base of the steel product cannot guarantee the combination's durability and reliability. To prevent the influence of the casting defects it has been recommended to cover the base metal with one more metal layer before welding the elements on. Two-layer surfacing provides best result as the first layer serves for the weld penetration of the casting defects since this layer has a significant share of base metal therefore it is less malleable; the second layer is necessary for making the layer viscous enough. The viscous layer ensures the absence of sharp transition from the deposited metal to the base metal and increases the crack resistance of the weld. In case the recommendations are followed, the high quality of steel cast-welded constructions and their longer service life can be ensured.
Keywords: cast-welded construction, carbon steels, welded combination, structure defects, durability, quality, longer service life.
Постановка проблемы. В металлургии и других отраслях промышленности часто применяются комбинированные конструкции, представляющие собой сварное соединение литой основы и дополнительных элементов, изготовленных литьем или другим способом. Конструкции такого рода называют лито-сварными. Необходимость в их создании возникает, если указанные элементы трудно получить отливкой в моноблоке или их качество в литом состоянии является негарантированным. Комбинированные конструкции позволяют получить изделия с новыми эксплуатационными свойствами и, в ряде случаев, являются более экономичными и более долговечными по сравнению с аналогами, изготовленными другими промышленными способами. Несмотря на рациональность и перспективность таких изделий, их преимущества используются пока не в полной мере. Одной из причин этого является низкое качество комбинированных изделий, связанное с отсутствием качественной подготовки свариваемых деталей и неудовлетворительным качеством самого сварного соединения. Поэтому анализ и уточнение мероприятий по рациональным способам изготовления и ремонта комбинированных лито-сварных конструкций имеет важное практическое значение. Улучшение качества этих изделий позволит существенно повысить их надежность и срок эксплуатации.
Анализ последних исследований и публикаций. В литературе вопросам повышения качества лито-сварных изделий уделено крайне мало внимания [1, 2]. Обзор статей и патентов показывает, что результаты исследований по этому направлению не опубликованы. В то же время данная проблема является актуальной и требует решения.
Цель статьи - анализ причин выхода из строя лито-сварных конструкций из углеродистых сталей и выработка рекомендаций к технологии их изготовления и ремонта, обеспечивающих повышение надежности и увеличение срока эксплуатации изделий.
Изложение основного материала. Одной из задач проектирования конструкций, работающих в условиях механических и температурных нагрузок, является обеспечение их конструктивной прочности. Это в полной мере относится и к лито-сварным конструкциям. Для обеспечения этого выполняют прочностные расчеты и моделирование поведения объекта при дей-
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
ствии на него заданных сил. Применение методов каркасного проектирования позволяет рассмотреть и виртуально испытать 3-хмерные модельные объекты при любых сочетаниях нагрузок [3]. Это дает возможность установить основные и второстепенные факторы, оказывающие влияние на работу рассматриваемого узла оборудования, а также анализировать их действие на изделие при различных вариантах конструктивного исполнения. Эти же расчетные модели могут быть использованы для анализа работоспособности уже изготовленных и работающих на производстве узлов оборудования при возникновении в них повреждений, износа, в момент начала аварийных ситуаций. При этом в теоретическую модель вносятся определенные поправки, которые отражают особенности работы действующего промышленного оборудования. Такие уточнения к теоретически построенным моделям имеют принципиально важное значение, т.к. позволяют перейти от идеальных условий к реальным, установить основные причины разрушения и наметить пути предупреждения этого.
Современное металлургическое производство характеризуется большим парком металлоемкого оборудования, в связи с чем расходы на его содержание являются весьма значительными. При работе предприятия в непрерывном режиме от каждой единицы оборудования требуется максимальная надежность и долговечность. Рассмотрение проблемы надежности и ремонтопригодности можно проводить для различных узлов оборудования. Решение такой проблемы наиболее эффективно для металлоёмких изделий, на примере которых напрямую видна целесообразность усовершенствования технологии и экономии средств предприятия. Одним из примеров работы комбинированной лито-сварной конструкции является чаша шлаковоза, изготавливаемая из углеродистых сталей, как и десятки других позиций основного и вспомогательного металлургического оборудования. Шлаковоз обладает значительной металлоемкостью (масса чаши более 20 тонн) и значительной стоимостью. Для таких изделий особенно наглядна рациональность применения незначительной технической доработки и получения экономического эффекта за счет применения сварочных технологий. Чаша шлаковоза имеет корпус из углеродистой стали (30Л, 35Л) толщиной 90...120 мм, который служит для приема и последующей транспортировки расплавленных продуктов металлургического производства - жидкого шлака. Температура шлака в момент заливки находится в пределах 1500...1600°С. При эксплуатации чаша нагревается до различных температур: до 900°С на внутренней поверхности и от 300 до 450 °С на наружной. В области опорного кольца, в которое устанавливается чаша, в месте поворотных цапф происходит перегрев корпуса до 600-620°С на наружной поверхности, что снижает прочность корпуса и приводит к его деформации, т.к. механические характеристики при таких температурах значительно снижаются. Остаточные пластические деформации затрудняют работу шлаковозов, способствуют образованию трещин и раннему выходу чаши и привода шлаковоза из строя [4].
Для увеличения срока эксплуатации шлаковоза предложен [5] и опробован в промышленных условиях рациональный и экономичный способ сохранения первоначального профиля корпуса чаши за счет её упрочнения дополнительно прикрепленными к ней ребрами жесткости. Данный метод позволяет компенсировать недостатки литейной технологии и низкое качество более дешёвого литого металла преимуществами нескольких недорогих упрочняющих элементов, закрепленных при помощи сварки. Для чаши шлаковоза такие ребра должны быть выполнены из металла более высокого качества (катаных заготовок) толщиной не менее 30 мм и закреплены сваркой в зоне максимальных деформаций корпуса. Решение рациональное, удобное для реализации в любых производственных условиях, тем не менее, на практике при некорректном исполнении технологии возможно преждевременное разрушение элементов лито-сварной конструкции. Анализ работы металлургического оборудования показывает, что лито-сварные конструкции в основном выходят из строя по двум причинам: а) разрушение сварного соединения; б) разрушение упрочняющего элемента (одного или нескольких). В первую очередь разрушение может возникать в районе сварных швов комбинированной конструкции.
Применение любой сварочной технологии в случае сварки плавлением подразумевает возможность образования в металле дефектов даже при использовании качественного основного металла. В литом металле чаши, который является основой для лито-сварной конструкции, литейные дефекты могут присутствовать на любом участке корпуса. Такие дефекты могут значительно влиять на прочность и надежность сварной конструкции. Технология изготовления лито-сварных изделий должна учитывать это изначально, предусматривая соответствующие
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
операции подготовки и возможного устранения дефектов в металле-основе. Сквозные значительные дефекты не допускаются на стадии приемки ОТК литейного цеха, несквозные (рис. 1) должны быть исправлены сваркой на стадии подготовки к привариванию дополнительных упрочняющих элементов - рёбер.
Рис. 1 - Литейные дефекты в сечении отливки из углеродистой стали 35Л
Проведенными экспериментами установлено, что выполнение сварных швов на неподготовленной литой основе любого стального изделия не может гарантировать прочность и надёжность соединения. Для предупреждения влияния литейных дефектов на работу конструкции предусмотрено выполнение специальной наплавки: промежуточного слоя на корпус чаши в месте установки ребер. Литой металл изначально обладает недостаточной пластичностью [6]. Поэтому операция наплавки должна быть выполнена с предварительным подогревом корпуса чаши до температуры 200°С. В комбинированных изделиях с разнородной структурой большое значение имеет качество металла в зоне сплавления. Изделия, которые подвергаются циклическим нагрузкам, должны иметь в переходной зоне металл с повышенной вязкостью. Для комбинированных изделий из углеродистых сталей хорошие результаты получены при наплавке электродами УОНИ 13/45, УОНИ 13/55. Наличие промежуточного слоя является обязательным. В связи с тем, что литые изделия характеризуются повышенным количеством неметаллических включений, наплавка обеспечивает отсутствие хрупких прослоек, что положительно влияет на прочность сварного соединения. Лучший результат (более высокие механические свойства металла шва) может быть получен при выполнении промежуточного слоя (подслоя) двухслойным. Первый слой предназначен для проплавления литейных дефектов. Поэтому для первого слоя следует выбирать режим наплавки с максимальной глубиной проплавления для заваривания приповерхностных металлургических дефектов, с применением соответствующих технических приемов (выбор угла наклона электрода, сварка на подъём, прогрев корня шва). При этом подповерхностные дефекты завариваются [7], но в проплавленном слое велика доля основного литого металла, который, как правило, имеет незначительный запас пластичности. Скорость охлаждения металла будет заметно снижена при выполнении второго слоя наплавки, в котором глубину проплавления следует уменьшать. Это дает возможность увеличить его вязкость. Такой промежуточный слой на основном литом металле конструкции позволяет сформировать сварной шов в тавровом соединении с требуемыми свойствами и минимальным количеством неметаллических включений. Вязкий слой наплавки обеспечивает отсутствие резкого перехода от наплавленного металла к основному, что повышает стойкость шва к образованию трещин [8] и надежность лито-сварной конструкции. Ориентировочный химический состав наплавленного слоя, масс. %: С < 0,11; Si 0,18-0,50; Мп 0,45-1,20; S < 0,030; Р < 0,035. Металл с таким химическим составом обеспечивает высокие механические свойства: ов = 460-490 МПа, от = 350-400 МПа, 5 = 20-22%.
Существенное влияние на прочность шва оказывают дефекты типа непровар, которые встречаются в изделиях и могут служить концентраторами напряжений в металле шва. Моделирование показывает, что при наличии таких дефектов напряжения в металле могут возрастать в несколько раз (рис. 2, а).
Кроме того, в структуре литого металла в зоне непровара наблюдается отсутствие вязкого промежуточного слоя, т. е. локально отсутствует проплавление металла (рис. 2, б), а в его приграничной зоне присутствует значительное количество неметаллических включений. Такой участок потенциально служит источником образования трещин при нагружении.
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
а) б)
Рис. 2 - Исследование сварного соединения с дефектом: а - распределение напряжений в сечении соединения с дефектом шва, б - макроструктура сварного соединения
В связи с этим, обязательной операцией технологии сварки является проваривание корня шва таврового соединения электродом диаметром 3-4 мм. При условии выполнения указанных технических требований в сварном шве и околошовной зоне отсутствуют хрупкие прослойки, металл шва обладает высокими механическими свойствами, а разрушение лито-сварных соединений происходит по основному металлу (рис. 3).
а) б)
Рис. 3 - Испытания лито-сварного соединения «Сталь 35Л-09Г2С»: а - схема отбора пробы, б - образец после испытания
Другой причиной преждевременного выхода из строя комбинированной конструкции может быть разрушение упрочняющего элемента. Изначально составные конструкции рассчитываются для стандартных условий, которые подразумевают среднестатистические свойства материала упрочняющего элемента (ребра). Значения механических свойств используются в модели, которая позволяет определить оптимальную форму упрочняющего элемента - ребра, его минимальную толщину, конструктивные особенности исполнения и габаритные размеры. Для чаш шлаковозов варианты исполнения упрочняющего элемента были просчитаны при сопоставимых нагрузках (рис. 4). Установлено, что на работоспособность упрочняющих элементов решающее влияние оказывает уровень напряжений в них в наиболее нагруженной области. Для ребра чаши шлаковоза таким участком является зона перехода от опорной поверхности ребра к ступенчатому выступу, на который передается горизонтальное усилие. Сравнительный
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
анализ расчетных напряжений в указанной области позволил рекомендовать выполнение скругления радиусом 15 мм. Такой вариант выбран как наиболее оптимальный и рекомендован для производства чаш. При обслуживании комбинированных конструкций расчетные размеры следует соблюдать также и в подвергаемых ремонту элементах.
Рис. 4 - Сравнительные варианты конструкции ребра жесткости
В связи с этим технология создания лито-сварной конструкции подразумевает применение сертифицированного металла для изготовления ребер без отклонений по химическому составу и механическим свойствам от требований ГОСТ, а также соблюдение расчетных размеров упрочняющих элементов (ребер) с положительными допусками. Несоблюдение по любым причинам указанных условий приводит на практике к местным перегрузкам приваренных упрочняющих элементов (рис. 5).
а) б)
Рис. 5 - Фрагмент лито-сварной конструкции чаши на стадии изготовления (а) и
через 12 месяцев эксплуатации (б)
При этом упрочняющие элементы с отклонениями от расчетных размеров могут пластически деформироваться и не выполняют свою функцию в полной мере, что является результатом отклонения от технологии. Анализ состояния чаш лито-сварной конструкции и соблюдения правил эксплуатации показал, что работники обслуживающего персонала могут преднамеренно подрезать выступы ребер, например, для облегчения операции установки чаш в опорное кольцо вместо применения регулировочных
Выводы
1. Преждевременный выход из строя лито-сварных конструкций из углеродистых сталей связан, прежде всего, с наличием литейных дефектов, которые значительно снижают механические характеристики любого изделия. Для уменьшения влияния металлургических дефектов необходимо обеспечить выполнение промежуточного слоя с максимальной глубиной проплав-ления основного металла.
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
2. Так как швы с большой глубиной провара имеют несколько большую склонность к образованию горячих трещин, при выполнении промежуточного слоя в лито-сварных изделиях
необходимо применять предварительный подогрев и замедленное охлаждение.
Список использованных источников:
1. Готальский Ю.Н. Сварка разнородных сталей / Ю.Н. Готальский - М. : Книга по требованию, 2012. - 180 с.
2. Максимов А.А. Наплавка деталей черпаковой цепи драги 250Л / А.А. Максимов, Г.А. Вольферц, С.А. Осак // Ползуновский альманах. - 2004. - № 4. - С. 165-166.
3. Алямовский А.А. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов / А.А. Алямовский. - М. : ДМК Пресс, 2004. - 432 с.
4. Емелин М.В. К вопросу оценки термонапряженного состояния и термопрочности чаш шла-ковозов / М.В. Емелин, С.Р. Рахманов // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2009. - № 2. - С. 103-108.
5. Пат. 49434 Украша, МПК С 21 В 3/00. Чаша доменного шлаковоза / А.В. Лоза, В.В. Шиш-кш, С.М. Доля, М.В. Косолап, П.А. Гладкий, О.В. Осадчий, П.М. Кирильченко, СЛ. Сенокосов, А.М. Асташин, Р.В. Тиненк. - № u200912329; заявл. 30.11.09; опубл. 26.04.10, Бюл. № 8. - 3 с.
6. Марочник сталей и сплавов / под ред. В.Г. Сорокина. - М. : Машиностроение, 1989. - 639 с.
7. Лоза А.В. Особенности изготовления лито-сварных конструкций из углеродистых сталей / А.В. Лоза, В.В. Чигарев // Вюник Нащонального техшчного ушверситету «ХП1». Серiя : Механко-технолопчш системи та комплекси. - Харюв : НТУ «ХП1», 2016. - Вип. 17 (1189). - С. 8-13.
8. Nakashima K. Fatigue properties of welded joints using steel with high resistance to fatigue crack growth / K. Nakashima, H. Shimanuki, T. Nose // Welding International. - 2010. - V. 24, № 5. -P. 343-349.
References:
1. Gotal'skii Ju.N. Svarka raznorodnykh stalei [Welding of heterogeneous steels]. Moscow, Kniga po trebovaniju Publ., 2012. 180 p. (Rus.)
2. Maksimov A.A. Naplavka detalei cherpakovoi tsepi dragi 250L [Metal layer details bailer chain of dredge of 250L]. Polzunovskii al'manakh - Polzunovsky vestnik, 2004, no. 4, pp. 165-166. (Rus.)
3. Aljamovskij A.A. SolidWorks / COSMOSWorks. Inzhenernyi analiz metodom konechnykh elemen-tov [SolidWorks / COSMOSWorks. Engineering analysis by the method of eventual elements]. Moscow, DMK Press Publ., 2004. 432 p. (Rus.)
4. Emelin M.V. K voprosu otsenki termonapriazhennogo sostoianiia i termoprochnosti chash shlako-vozov [To the question of estimation the state and durability bowls of slag car]. Metallur-gicheskaia i gornorudnaia promyshlennost' - Metallurgical and Mining Industry, 2009, no. 2, pp. 103-108. (Rus.)
5. Loza A.V., Shishkin V.V., Dolia S.M., Kosolap M.V., Gladkii P.A., Osadchii O.V., Kiril'chenko P.M., Senokosov E.L., Astashin A.M., Tinenik R.V. Chasha domennogo shlakovoza [Bowl blast slag]. Patent UA, no. 49434, 2010. (Ukr.)
6. Sorokin V.G. Marochnik stalei i splavov [Steels and alloys]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1989. 639 p. (Rus.)
7. Loza A.V. Osobennosti izgotovleniia lito-svarnykh konstruktsii iz uglerodistykh stalei [Features making of the weld-fabricated constructions from carbon steels]. Visnik Natsional'nogo tekhnichnogo universitetu «KhPI». Seriia: Mekhaniko-tekhnologichni sistemi ta kompleksi - Bulletin of the National technical university «Kharkiv polytechnic institute»: Mechanical-technological systems and complexes, 2016, no. 17 (1189), pp. 8-13. (Rus.)
8. Nakashima K. Fatigue properties of welded joints using steel with high resistance to fatigue crack growth. Welding International, 2010, vol. 24, no. 5, pp. 343-349.
Рецензент: В.И. Щетинина
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 17.10.2016
