Расчет температуры и термоупругих напряжений в бойках при получении стальных полых заготовок на установке совмещенного литья и деформации. Часть 1

Введение

Технология получения стальных полых заготовок на трубных заводах отличается высокими капитальными, энергетическими и эксплуатационными затратами, поскольку включает литье сплошных круглых заготовок на горизонтальных машинах непрерывной разливки стали, их нагрев в печах и прошивку на прессах или валковых прошивочных станах. Следует отметить, что это оборудование в основном зарубежного исполнения и в условиях антироссийских санкций его поставки могут быть прекращены. В связи с этим разработана отечественная установка совмещенного процесса непрерывного литья и деформации, которая успешно заменяет зарубежное оборудование, ее можно использовать для получения стальных полых заготовок за один проход [1 ‒ 3]. Наиболее нагруженными элементами установки при получении полых заготовок являются калиброванные бойки, которые во время рабочего хода одновременно обжимают стенку полой заготовки и вытягивают ее из кристаллизатора. При этом в калиброванных бойках возникают суммарные напряжения от усилия обжатия и температурной нагрузки, которые снижают стойкость бойков. Для обоснованного выбора конструктивных параметров и материала калиброванных бойков необходимо определить их напряженное состояние при получении полых заготовок на установке совмещенного литья и деформации. Для этого необходимо определить температурное поле и термоупругие напряжения в бойках при обжатии стенки полой заготовки [4 ‒ 6].

В настоящей работе приведена методика расчета температурных полей и термоупругих напряжений в бойках установки совмещенного литья и деформации. Материал трубной заготовки – сталь марки 09Г2С; внутренний и наружный диаметры трубной заготовки 60 и 100 мм соответственно. Угловая скорость эксцентриковых валов 40 об/мин. При такой скорости время контакта бойка при рабочем ходе составляет 0,375 с, время паузы – 0,375·3 = 1,125 с. Температура трубной заготовки в зоне входа в боек 1200 °С, а после выхода из бойков 1000 °С.

Материал бойка – сталь инструментальная штампованная 4Х4ВМФС. Для расчета для этой стали в интервале температур от 20 до 700 °С принимали модуль упругости Е, плотность ρ, теплопроводность λ, теплоемкость с, коэффициент линейного расширения α и предел текучести σ_т [2].

Геометрия бойка с размерами представлена на рис. 1.

В силу симметрии расчет выполняли для половины бойка (рис. 2). Приведена часть видимых линий, для которых будут ниже приведены результаты расчета

Результаты расчета температур и напряжений приведены для трех сечений (1, 2 и 3), в каждом сечении результаты представлены для пяти линий. Положение сечений, линий для каждого сечения, а также точек, через которые проходят линии по этим сечениям, представлены на рис. 3. В табл. 1 приведены наименования всех линий, а также указаны точки, через которые проходят эти линии.

Расчеты теплового и напряженного состояний бойков для каждой тепловой нагрузки (граничных условий теплообмена), заданных теплофизических и механических свойств материала бойков, а также геометрии бойков выполняли в следующей последовательности:

1. При принятом тепловом элементе SOLID 70, заданных граничных условиях теплообмена и теплофизических параметрах (плотности, теплопроводности, теплоемкости) материала бойка определяли квазиустановившееся температурное поле бойка в конце обжатия и в конце паузы [7 ‒ 9].

2. При принятом структурном элементе SOLID 185, модуле упругости и коэффициенте Пуассона, а также температурном поле в конце рабочего хода (из решения задачи на первом этапе) определяли термонапряженное состояние бойка в конце рабочего хода в направлении длины бойка [10 ‒ 12].

Температурное поле бойков определяется на основе решения уравнения нестационарной теплопроводности с соответствующими начальными и граничными условиями с использованием пакета ANSYS [10]:

Все коэффициенты принимаем в зависимости от температуры бойков.

Начальное условие для функции T(\(\vec X\), t) имеет вид:

Начальная температура бойков 20 °С.

Для рабочей поверхности бойка граничные условия второго рода

где q – плотность теплового потока от металла очага деформации.

В период паузы для рабочей поверхности бойка граничные условия третьего рода имеют вид

где α₁ – эффективный коэффициент теплоотдачи на рабочую поверхность во время паузы; Т_к = 60 °С – температура воды, подающейся на рабочую поверхность бойков во время паузы.

На торце бойка, задней стенке, сверху и снизу бойка граничные условия третьего рода имеют вид

где α₂ – коэффициент теплоотдачи при охлаждении задней стенки, верха и низа бойка водой или воздухом в зависимости от варианта расчета; Т_в = 60 °С – температура окружающей среды со стороны торца бойка, задней стенки, верха и низа бойка.

В такой постановке одним из допущений является то, что при расчете температурных полей бойков пренебрегаем тепловым потоком от излучаемого металла [13 ‒ 15].

Уравнения (1) – (5) образуют начальную краевую задачу определения нестационарного поля температур для бойков установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации [16 ‒ 18].

Такая схема определения температуры и термоупругих напряжений в бойках установки методом конечных элементов реализована в одном из модулей пакета ANSYS [19; 20].

Значения температур во всех точках линий приведены в табл. 2.

Анализ результатов расчета

От воздействия теплового потока во время обжатия заготовки температура контактной поверхности бойка составляет 370 ‒ 451 °С (результаты представлены только для части бойка между сечениями 1 – 3, табл. 1, точки 7_S3 и 1_S1). Максимум температуры находится в сечении 1 на плоскости симметрии бойка. Далее на холостом ходу при охлаждении бойка водой температура контактной поверхности бойка снижается и находится в диапазоне 289 ‒ 370 °С (точки 7_S3 и 1_S1). Максимум температуры находится в сечении 1 на плоскости симметрии бойка.

На глубине 5 мм температуры в конце контакта и в конце паузы при квазиустановившемся режиме одинаковые и зависят только от места положения, диапазон температур 295 ‒ 392 °С (точки 8_S3 и 2_S1). Максимум температуры находится в сечении 1 на плоскости симметрии бойка.

Характер изменения температур как по толщине бойка, так и по радиусу подобен. Максимум температур в контакте и в паузе на рабочей поверхности бойка и на глубине 5 мм находится в части бойка, расположенной ближе к кристаллизатору; к калибрующему участку температура снижается. Изменение температуры по радиусу: максимум на плоскости симметрии; снижение к боковой поверхности бойка.

Температура бойка по толщине уменьшается, на поверхности со стороны суппорта составляет 285 ‒ 370 °С (точки 6_S3 и 3_S1). Со стороны боковой поверхности бойка температура составляет 221 ‒ 286 °С (точки 9_S3 и 9_S1).

Выравнивание температур наступает на глубине 2 мм от контактной поверхности бойка, что имеет место как по толщине бойка, так и по его радиусу.

На рис. 4 и 5 показано распределение температуры по характерным линиям калиброванного бойка в сечении 2 при обжатии заготовки и на холостом ходу при охлаждении бойка водой. Следует отметить, что температуры в характерных точках сечений 1 и 2 бойка отличаются незначительно (табл. 2).

Выводы

Разработана методика расчета температурных полей и термоупругих напряжений в калиброванных бойках установки совмещенного литья и деформации при получении стальных трубных заготовок. Определено распределение температур по характерным линиям калиброванного бойка при обжатии заготовки и на холостом ходу при охлаждении бойка водой. Установлено, что от воздействия теплового потока во время обжатия заготовки температура контактной поверхности бойка составляет 370 – 451 °С.