Напряженное состояние системы заготовка – оправка при получении стальной полой заготовки на установке непрерывного литья и деформации. Часть 1

Введение

В связи с увеличением выпуска и расширением сортамента бесшовных труб и повышением требований к их качеству особенно актуальны исследования по разработке новых способов и установок для получения непрерывнолитых трубных полых заготовок из углеродистых и легированных сталей. Установлено, что качество внутренней поверхности труб, полученных из полых заготовок, более высокое по сравнению с качеством труб, прокатанных из сплошных заготовок. Это объясняется тем, что в непрерывнолитой полой заготовке ликвационные зоны и усадочная рыхлость расположены внутри ее стенки, тогда как в сплошной заготовке они сосредоточены в осевой зоне.

Для промышленной реализации разработана новая технология получения стальных трубных полых заготовок на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации (рис. 1) [1 – 3].

Предлагаемая технология включает формирование в неразъемном медном кристаллизаторе стальной кольцевой оболочки со стенкой с жидкой фазой, смыкание бойками корочек стенки с вытеснением из нее жидкой фазы, обжатие затвердевшей стенки оболочки калиброванными бойками по всему периметру за один проход и калибровку готовой полой заготовки.

Постановка задачи и исходные данные для расчета

Для оценки новой технологии получения стальных полых заготовок и выбора основных параметров установки проведено теоретическое исследование. Общая модель кристаллизатора, бойка, оправки и корочек стенки полой заготовки представлены на рис. 2. Приведены размеры очагов деформации при гибке и обжатии бойками стенки полой заготовки, калибрующего участка и оправки. Для этой цели необходимо определить напряженно-деформированное состояние (НДС) металла в очагах деформации при гибке и обжатии стенки полой заготовки, а также напряжения в оправке при получении на установке стальной полой заготовки.

Для расчета НДС решали упругопластическую контактную задачу с учетом больших перемещений и деформаций [4 – 6].

Расчет выполнен методом конечных элементов в многофункциональном пакете ANSYS 15.0 [7 – 9]. На рис. 2 представлен общий вид элементов установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации, входящих в модель для расчетов. Наружный диаметр трубы составляет 100 мм; диаметр оправки – 60 мм; внутреннего канала оправки – 10 мм; длина калибрующего участка – 60 мм; очага деформации – 49 мм; толщина корочек в зоне гибки – 15 мм; жидкой фазы между корочками (где действует ферростатическое давление) принята равной 30 мм; угол наклона рабочей поверхности бойка – 12,5°; наклона оправки – 1°. Температура внутренней поверхности оболочек трубной заготовки (со стороны действия ферростатического давления) составляет 1450 °С, наружной поверхности оболочек (в зоне контакта с оправкой, стенками кристаллизатора и бойками) – 1200 °С. По толщине оправки и оболочек температура меняется по логарифмическому закону. Температура трубной заготовки в зоне входа в боек принята равной 1200 °С, а после выхода из бойков – 1000 °С. Угловая скорость эксцентриковых валов 40 об/мин. При такой скорости эксцентрикового вала время контакта заготовки с бойками при рабочем ходе составляет 0,375 с, а время паузы – 1,125 с. Материал оправки и трубной заготовки принят упругопластическим; бойка – упругим. Материал оправки и бойка – сталь марки 4Х4ВМФС; заготовки трубы – сталь марки 09Г2С. Зависимости модуля упругости и сопротивления пластической деформации от степени, скорости деформации и температуры для рассматриваемой стали представлены в работе [1], в которой графики приведены для диапазона температур 1200 – 1450 °С.

Для расчета НДС оправки и участков трубной заготовки при обжатии ее бойками, совершающими движение по траектории эксцентрикового вала, разработана конечно-элементная модель [10 – 12]. В модель для расчета входят корочки заготовки трубы внутри кристаллизатора, стенки кристаллизатора, контактирующие с корочками в кристаллизаторе, оправка, участок гибки, очаг деформации и боек. При этом корочки внутри кристаллизатора, оправка, участок гибки и очаг деформации представляют собой объемные тела. Материал оправки, корочек внутри кристаллизатора, участок гибки, очаг деформации и зона калибрующего участка приняты упругопластическими. В модели боек и стенки кристаллизатора приняты абсолютно жесткими, что позволило снизить размерность задачи [13 – 16]. Основные размеры элементов модели приведены на рис. 2. В сетке конечных элементов использованы элементы SOLID185, CONTA 174 и TARGE 170. Размер конечного элемента в зоне гибки, очага деформации и зоне калибрующего участка принят равным 1 мм, в остальных зонах – 2 мм.

Для моделирования НДС оправки, зоны гибки и очага деформации созданы четыре контактные пары: между оправкой и зоной гибки и очага деформации; между внутренней корочкой заготовки в кристаллизаторе и стенкой кристаллизатора; между наружной корочкой заготовки в кристаллизаторе и стенкой кристаллизатора; между участком зоны гибки, зоной очага деформации и рабочей поверхностью бойка.

В силу симметрии расчет проводился для четверти элементов, входящих в модель для расчета. При этом на поверхностях симметрии задавались кинематические граничные условия (отсутствие нормальных перемещений). Моделировали обжатие заготовки бойком на 5 мм (перемещение бойка на –5 мм по оси Х) с одновременным опусканием бойка на 5 мм (перемещение бойка на –5 мм по оси Z).

Результаты расчета

Результаты расчета приведены по линиям через точки (рис. 3), расположенным в плоскости Y = 0.

Усилие обжатия бойка по оси Х составляет 722 МПа, по оси Y – 399 МПа, усилие вытягивания по оси Z – 42 МПа.

Результаты расчета представлены в таблице (приведены конкретные значения перемещений и напряжений в точках 1 – 15). Поскольку максимумы и минимумы параметров не всегда находятся в точках 1 и 15, то дополнительно приведены также максимальные и минимальные перемещения и напряжения вдоль этих трех линий.

Характер напряжений в очагах деформации в направлении трех осей координат (SX, SY, SZ) показан на рис. 4 (обжатие заготовки бойком на 5 мм с одновременным опусканием последнего на 5 мм; рабочая поверхность бойка по постоянному радиусу).

Из эпюр осевых напряжений следует, что по мере обжатия бойками полой заготовки на их контактной поверхности в точке 3 возникает максимальное сжимающее напряжение SX, равное –147,9 МПа, при этом напряжения SY и SZ значительно ниже и равны –102,2 и –86,4 МПа (рис. 4). Наибольшее касательное напряжение SXZ в точке 3 составляет 19,8 МПА. По линии смыкания корочек стенки полой заготовки характер осевых напряжений изменяется, наибольшее значение, равное –164,6 МПа, имеет напряжение SX в точке 8, при этом по другим осям координат напряжения значительно меньше (рис. 4, б, таблица). Следует отметить, что максимальные осевые напряжения SX, SY, SZ фиксируются на контактной поверхности заготовки с оправкой в точке 13 (–179,0; –116,4 и –102,4 МПа) (рис. 4, в). Также в этой точке возникает максимальное касательное напряжение (44,6 МПа).

Представленные результаты свидетельствуют о том, что при циклической деформации бойками затвердевшей стенки оболочки из стали в ней возникают высокие (до –179,0 МПа) сжимающие напряжения по трем осям координат. Стенка оболочки при ее обжатии калиброванными бойками находится практически в условиях всестороннего сжатия, что особенно важно при обработке непрерывнолитого металла для получения стальных полых заготовок высокого качества [17 – 20].

Выводы

Изложена новая технология получения стальных полых заготовок на ресурсосберегающей и компактной установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Определены закономерности распределения перемещений металла и осевых напряжений в очагах циклической деформации при получении на установке стальных полых заготовок. Установлено, что металл при деформации стенки полой заготовки находится в условиях всестороннего сжатия, что способствует получению стальных трубных заготовок высокого качества.