Содержание
Перейти к:
Напряженное состояние системы заготовка – оправка при получении стальной полой заготовки на установке непрерывного литья и деформации. Часть 2
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2024-4-457-462
Аннотация
В статье представлены результаты теоретического исследования напряженно-деформированного состояния системы заготовка ‒ оправка при производстве стальных полых заготовок на установке совмещенного непрерывного литья и деформации, в которой рабочие поверхности калиброванных бойков выполнены с переменным радиусом. Обоснована необходимость выполнения рабочей поверхности калиброванных бойков с переменным радиусом и приведены исходные данные для расчетов. Результаты рассматриваются по линиям объемной модели, проходящим через характерные точки очагов деформации. Авторы определили усилия при обжатии бойками стенки полой заготовки и силу вытягивания полой заготовки из кристаллизатора установки. Исследованы закономерности осевых перемещений металла и напряжений в очагах деформации при сжатии стенки полой заготовки при совмещенном процессе непрерывного литья и деформирования. Характер напряженного состояния металлической стенки полой заготовки рассматривается с точки зрения повышения ее качества. Изученная методика позволяет определить напряженно-деформированное состояние оправки при изготовлении полой стальной заготовки с использованием установки непрерывного литья и деформации. Авторами представлены рекомендации для осуществления надежного захвата и обжатия калиброванными бойками полой стальной заготовки, поступающей из водоохлаждаемого медного кристаллизатора установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.
Ключевые слова
Для цитирования:
Лехов О.С., Михалев А.В., Непряхин С.О. Напряженное состояние системы заготовка – оправка при получении стальной полой заготовки на установке непрерывного литья и деформации. Часть 2. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2024;67(4):457-462. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2024-4-457-462
For citation:
Lekhov O.S., Mikhalev A.V., Nepryakhin S.O. Stress state of billet – mandrel system during production of hollow steel billet in a unit of continuous casting and deformation. Part 2. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2024;67(4):457-462. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2024-4-457-462
Введение
В работе [1] приведены результаты расчета напряженно-деформированного состояния металла в очагах деформации при получении стальной полой заготовки на установке непрерывного литья и деформации, в которой рабочие поверхности бойков выполнены по постоянному радиусу. В настоящей работе представлены результаты расчета зоны гибки и очага деформации трубы при обжатии заготовки бойком на 5 мм с одновременным опусканием последнего на 5 мм, причем рабочая поверхность бойка выполнена по переменному радиусу. Это позволяет надежно осуществлять захват и обжатие бойками полой заготовки, выходящей из кристаллизатора установки.
Результаты расчета
Проведено моделирование обжатия 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 приведены через точки по линиям, расположенным в плоскости Y = 0 (рис. 1).
Рис. 1. Положение точек для представления результатов расчета |
Характер перемещений и напряжений приведен на рис. 1, 2
Рис. 2. Характер перемещений (а) и напряжений (б, в, г) |
Для линий перемещения и напряжения в декартовой системе координат совпадают с напряжениями в цилиндрической системе координат [2 ‒ 4].
При этом усилие при обжатии стенки полой заготовки бойками по оси Х составляет 694 кН, а по оси Y – 384 кН. Усилие вытягивания заготовки из кристаллизатора по оси Z ‒ 41 кН.
Дополнительно к графикам (рис. 2) в табл. 1 приведены конкретные значения перемещений и напряжений в точках 1 ‒ 15. Поскольку максимумы и минимумы параметров не всегда находятся в точках 1 ‒ 15, то дополнительно приведены также максимальные и минимальные перемещения и напряжения вдоль этих трех линий.
Таблица 1. Результаты расчета перемещений и напряжений
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Из полученных данных следует, что по длине очага деформации (линия 2 ‒ 3 ‒ 4) в точке 3 происходит обжатие стенки заготовки на 5 мм с одновременным перемещением заготовки на 5 мм по направлению литья (табл. 1, рис. 2, а). Следует отметить, что при обжатии калиброванными бойками стенки полой заготовки перемещение металла по оси X снижается до 3 мм (точка 8), а по оси Z увеличивается до 6,6 мм (рис. 2, б, точка 9).
При обжатии полой заготовки бойками с рабочей поверхностью, выполненной по переменному радиусу, изменяется характер напряженного состояния металла в очаге деформации [5 ‒ 7]. В этом случае возникают наибольшие сжимающие напряжения в стенке заготовки по оси Χ и линии 3 ‒ 8 ‒ 13 и, соответственно, равные ‒152,0, ‒187,5 и ‒190,0 МПа (табл. 1, рис. 2, в, г, 3). Причем максимальное сжимающее напряжение (‒190 МПа) возникает на контактной поверхности стенки полой заготовки с оправкой (табл. 1, точка 13).
Расчет напряженно-деформированного состояния оправки
Приведены результаты расчета напряженно-деформированного состояния оправки диаметром 60 мм с диаметром канала 10 мм. Для этого решена упругопластическая задача методом конечных элементов в объемной постановке в многофункциональном пакете ANSYS [8 – 10].
Проведено моделирование [11 ‒ 13] обжатия 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 приведены по линии, проведенной через точки 16 ‒ 20 (рис. 3). Характер напряжений приведен на рис. 4. Дополнительно к графикам в табл. 2 приведены конкретные значения перемещений и напряжений в точках 16 ‒ 20. Поскольку максимумы и минимумы параметров не всегда находятся в точках 16 ‒ 20, то дополнительно приведены также максимальные и минимальные перемещения и напряжения вдоль этой линии [14 ‒ 16].
Рис. 3. Положение точек для представления результатов расчета оправки
Рис. 4. Характер напряжений по линиям, проведенным
Таблица 2. Результаты расчета в точках линий,
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Из расчетных данных следует, что на контактной поверхности оправки со стенкой заготовки в зоне очага деформации (по линии 17 ‒ 18 ‒ 19) в оправке возникают максимальные сжимающие напряжения (‒130,8 МПа) в направлении оси X. Это следует учитывать при выборе конструктивных параметров и материала оправки [17 – 20].
Выводы
Определены закономерности распределения перемещений металла и осевых напряжений в очагах деформации при обжатии стенки полой заготовки бойками, рабочая поверхность которых выполнена по переменному радиусу. Определено напряженное состояние оправки при получении стальной полой заготовки на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.
Список литературы
1. Лехов О.С., Михалев А.В., Непряхин С.О. Напряженное состояние системы заготовка – оправка при получении стальной полой заготовки на установке непрерывного литья и деформации. Часть 1. Известия вузов. Черная Металлургия. 2023;66(4):485‒491. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-4-485-491
2. Вюнненберг К. Производство непрерывнолитых заготовок, отвечающих высшим требованиям качества. В кн.: Труды шестого международного конгресса железа и стали. Т. 3. Москва: Машиностроение; 1990:364–376.
3. Fujii Н., Ohashi Т., Hiromoto Т. On the formation of the internal cracks in continuously cast slabs. Tetsu-to-Hagane. 1978;18(8):510–518. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane1955.62.14_1813
4. Sorimachi K., Emi Т. Elastoplastic stress analysis of bulging as a major cause of internal cracks in continuously cast slabs. Tetsu-to-Hagane. 1977;63(8):1297–1304. https://doi.org/10.2355/tetsutohagane1955.63.8_1297
5. Лехов О.С., Михалев А.В. Установка непрерывного литья и деформации для производства стальных листов и сортовых заготовок. Екатеринбург: Изд-во УМЦ УПИ; 2020:307.
6. Лехов О.С., Гузанов Б.Н., Лисин И.В., Билалов Д.Х. Исследование совмещенного процесса непрерывной разливки и циклической деформации для получения листов из стали. Сталь. 2016;(1):59–62.
7. Лехов О.С., Михалев А.В., Шевелев М.М. Нагруженность и напряженное состояние бойков установки непрерывного литья и деформации полосы при получении листов из стали для сварных труб. Сообщение 1. Известия вузов. Черная металлургия. 2018;61(4):268–273. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-4-268-273
8. ANSYS. Structural Analysis Guide. Rel. 15.0.
9. Богатов А.А., Нухов Д.Ш., Пьянков К.П. Конечно-элементное моделирование процесса толстолистовой прокатки. Металлург. 2015;(2):19–23.
10. Takashima Y., Yanagimoto I. Finite element analysis of flange spread behavior in H-beam universal rolling. Steel Research International. 2011;82(10):1240–1247. https://doi.org/10.1002/srin.201100078
11. Karrech A., Seibi A. Analytical model of the expansion in of tubes under tension. Journal of Materials Processing Technology. 2010;210:336–362.
12. Kazakov A.L., Spevak L.F. Numeral and analytical studies of nonlinear parabolic equation with boundary conditions of a special form. Applied Mathematical Modelling. 2013; 37(10–13):6918–6928. https://doi.org/10.1016/j.apm.2013.02.026
13. Kobayashi S., Oh S.-I., Altan T. Metal Forming and Finite-Element Method. New York: Oxford University Press; 1989:377.
14. Jansson N. Optimized sparse matrix assembly in finite element solvers with one-sided communication. In: High Performance Computing for Computational Science – VECPAR 2012. Springer: Berlin, Heidelberg; 2013:128–139.
15. Matsumia Т., Nakamura Y. Mathematical model of slab bulging during continuous casting. In: Applied Mathematical and Physical Models in Iron and Steel Industry. Proceedings of the 3rd Process Tech. Conf., Pittsburgh, Pa, 28–31 March 1982. New York; 1982:264–270.
16. Park C.Y., Yang D.Y. A study of void crushing in large forgings: II. Estimation of bonding efficiency by finite-element analysis. Journal of Materials Processing Technology. 1997; 72(1):32–41.
17. Ефименко Л.А., Прыгаев А.К. Определение фактических механических свойств металла трубопроводов на основе измерения твердости. Москва: изд. РТУ нефти и газа; 2007:18.
18. Кудря А.В. Критические факторы металлургического качества сталей повышенной прочности. В кн.: Перспективные материалы. Т. V. Тольятти: изд. ТГУ; 2013: 332–362.
19. Казаков А.А., Киселев Д.В. Современные методы оценки качества структуры материалов на основе панорамных исследований на основе анализатора изображений TXIXOMET. В кн.: Перспективные материалы. Т. V. Тольятти: изд. ТГУ; 2013:270–329.
20. Kyung-Moon L., Hu-Chul L. Grain refinement and mechanical properties of asymmetrically rolled low carbon steel. Journal of Materials Processing Technology. 2010;210(12):1574–1579. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2010.05.004
Об авторах
О. С. Лехов
Российский государственный профессионально-педагогический университет
Россия
Россия
Олег Степанович Лехов, д.т.н., профессор кафедры инжиниринга и профессионального обучения в машиностроении и металлургии
Россия, 620012, Екатеринбург, ул. Машиностроителей, 11
А. В. Михалев
ОАО «Уральский трубный завод»
Россия
Россия
Александр Викторович Михалев, к.т.н., генеральный директор
Россия, 623107, Свердловская обл., Первоуральск, ул. Сакко и Ванцетти, 28
С. О. Непряхин
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия
Россия
Сергей Олегович Непряхин, к.т.н., доцент кафедры обработки металлов давлением
Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19
Рецензия
Для цитирования:
Лехов О.С., Михалев А.В., Непряхин С.О. Напряженное состояние системы заготовка – оправка при получении стальной полой заготовки на установке непрерывного литья и деформации. Часть 2. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2024;67(4):457-462. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2024-4-457-462
For citation:
Lekhov O.S., Mikhalev A.V., Nepryakhin S.O. Stress state of billet – mandrel system during production of hollow steel billet in a unit of continuous casting and deformation. Part 2. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2024;67(4):457-462. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2024-4-457-462
Просмотров:
281
Послать статью по эл. почте 