Научно-теоретические обоснования технических и технологических решений получения листов и сортовых заготовок в условиях совмещенных процессов непрерывной разливки с деформационным воздействием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Михалев Александр Викторович

• Михалев Александр Викторович
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Михалев Александр Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1 .АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1.Технология и оборудование процессов непрерывного литья и деформации для производства стальных листов

и сортовых заготовок

1.2.Моделирование процесса разливки стали в агрегатах машин непрерывного литья заготовок

1.3. Совмещенные процессы непрерывного литья и прокатки

для производства листов и сортовых заготовок из стали

1.4. Общая постановка задачи

1.5. Выводы

2. НАГРУЖЕННОСТЬ И НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ БОЙКИ-ПОЛОСА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ СТАЛЬНОЙ МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ НА УСТАНОВКЕ СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ

2.1. Технология работы и особенности устройства машины непрерывного литья и деформации для листов

2.2. Моделирование движения жидкой стали в кристаллизаторе

установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации

2.3. Расчет НДС металла в очагах деформации с использованием программного комплекса ANSYS

2.3.1. НДС металла в боковых стенках оболочки при

формировании тонкого сляба

2.3.2. Результаты расчета и их анализ

2.4. Расчет НДС металла в узких боковых стенках оболочки

с учетом их подпора боковыми стенками сборного кристаллизатора

2.4.1. Модель для расчета и постановка задачи

с граничными условиями

2.4.2.Результаты расчета НДС металла в зоне гибки узких

боковых стенок оболочки без подпора

2.4.3. Результаты расчета НДС металла в зоне гибки узких

боковых стенок оболочки с подпором

2.5.Исследование НДС металла в очаге циклической деформации

с учетом усилия вытягивания сляба из кристаллизатора

2.5.1 Расчетная схема и граничные условия

2.5.2. Результаты расчета и их анализ

2.5.3. Результаты расчета течения металла

2.6. Исследование напряжений в бойках от усилий обжатия

при получении листов

2.6.1. Постановка задачи, исходные данные и граничные условия

2.6.2.Решение задач теории упругости методом конечных элементов

в объемной постановке

2.6.3. Результаты расчета напряжений в бойке с каналами и их анализ

2.7.Вывод ы

3. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ БОЙКОВ УСТАНОВКИ СОВМЕЩЕННОГО

ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ

3.1. Методика расчета температурных полей и термоупругих

напряжений в бойках установки в пакете ANSYS

3.2. Теория расчета температурных полей и термоупругих напряжений в бойках методом конечных элементов

в объемной постановке

3.3.Определение системы коэффициентов для решения задачи

о тепловой нагруженности бойков

3.4.Численное определение плотности теплового потока по экспериментальным данным процесса деформации стальной полосы

на опытной установке непрерывного литья и деформации

3.5. Расчет температурного поля бойков без каналов при получении стальных листов на установке непрерывного литья и деформации

3.6. Выводы

4.НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ БОЙКОВ УСТНОВКИ СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ЛИСТОВ ИЗ СТАЛИ

4.1. Расчет температурных полей и термоупругих напряжений

в бойках с каналами установки при обжатии сляба и на холостом ходу

4.1.1. Постановка задачи, исходные данные и граничные условия

4.1.2. Температурное поле бойков с каналами

4.1.3. Напряженное состояние бойков с каналами

при обжатии сляба и охлаждении водой на холостом ходу

4.1.4. Распределение осевых термоупругих напряжений

в приконтактном слое бойка с каналами при обжатии сляба и на холостом ходу

4.1.5. Распределение осевых термоупругих напряжений

в приконтактном слое по длине бойка с каналами при обжатии сляба и на холостом ходу

4.1.6.Напряженное состояние бойков с каналами от усилия обжатия и температурной нагрузки при получении листов

из стали на установке непрерывного литья и деформации

4.1.7. Распределение осевых суммарных напряжений по толщине

и ширине приконтактного слоя бойков с каналами при обжатии сляба

4.2. Расчет температурных полей и напряжений в бойках

без каналов установки при обжатии сляба и на холостом ходу

4.2.1. Постановка задачи, исходные данные и граничные условия

4.2.2. Результаты расчета температурного поля бойков без каналов

4.2.3. Напряженное состояние приконтактного слоя бойка

без каналов от воздействия температурной нагрузки при обжатии

сляба и при охлаждении водой на холостом ходу

4.2.4. Распределение осевых термоупругих напряжений по толщине

и длине бойка без каналов при обжатии сляба и на холостом ходу

4.2.5. Распределение осевых термоупругих напряжений

в приконтактном слое по длине бойка без каналов при обжатии сляба и на холостом ходу

4.2.6. Напряженное состояние бойков без каналов

от усилия обжатия и температурной нагрузки

4.3. Оценка напряженного состояния, выбор конструкции

и материала бойков установки совмещенного процесса непрерывного

литья и деформации при получении стальных листов

4.4. Выводы

5. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛА

В ОЧАГАХ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ СОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ СТАЛИ НА УСТАНОВКЕ СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ

5.1. Технология и особенности получения стальных сортовых заготовок на установке совмещенного процесса непрерывного

литья и деформации

5.2. Постановка задачи, исходные данные, расчетная схема и

граничные условия

5.3. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния металла в очаге циклической деформации при получении трех

сортовых заготовок

5.4. Напряженно-деформированное состояние металла в зоне очага деформации при внедрении разделяющего бурта бойка в сляб

5.4.1. Постановка задачи, исходные данные и расчетная схема

5.4.2. Результаты расчета осевых перемещений и напряжений

при внедрении разделяющего бурта бойка в сляб

5.4.3.Результаты расчета осевых перемещений и напряжений по

линиям впадины очага деформации при внедрении бурта бойка в сляб

5.4.4. Результаты расчета осевых перемещений и напряжений по

линиям ребра очага деформации при внедрении бурта бойка в сляб

5.4.5. Результаты расчета осевых перемещений и напряжений в

характерных точках при внедрении бурта бойка в сляб

5.5. Выводы

6. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В БОЙКАХ С БУРТАМИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ТРЕХ СТАЛЬНЫХ СОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК НА УСТАНОВКЕ СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ

6.1. Постановка задачи, исходные данные и граничные условия

6.2. Напряженное состояние бойка с буртами от усилия обжатия

6.3. Расчет температурного поля калиброванного бойка с буртами установки непрерывного литья и деформации при получении

сортовых заготовок

6.4. Исследование термоупругих напряжений в бойке с буртами при получении трех сортовых заготовок на установке совмещенного

процесса непрерывного литья и деформации

6.4.1 Постановка задачи, исходные данные и граничные условия

6.4.2. Результаты расчета напряженного состояния бойков с буртами от температурной нагрузки

6.5. Напряженное состояние калиброванных бойков с буртами от усилия обжатия и температурной нагрузки при получении трех

сортовых заготовок на установке непрерывного литья и деформации

6.6. Выводы

7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ НА ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКЕ ОАО «УРАЛЬСКИЙ ТРУБНЫЙ ЗАВОД»

7.1. Опытно-промышленная установка непрерывного литья

и деформации ОАО «Уральский трубный завод»

7.2. Оборудование опытной установки непрерывного литья и

деформации

7.3. Основные положения по разработке методов конструирования и создания оборудования установки непрерывного литья и деформации

7.4. Методика эксперимента, используемая аппаратура и датчики

7.5. Результаты экспериментального исследования

7.6. Расчет силовых параметров тянущего устройства установки

при вытягивании полосы из кристаллизатора

7.7. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Документы о внедрении результатов работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Документы о внедрении результатов работы

в учебный процесс

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Документы об использовании результатов

научных исследований

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационной работы

Дальнейшее развитие нефтегазового и топливно-энергетического комплексов требует все большего количества труб самого разнообразного сортамента. В связи с этим перед трубной промышленностью стоит задача увеличить объем производства труб повышенного качества, расширить их сортамент и повысить степень обеспечения трубами необходимого сортамента ведущих отраслей страны.

При обжатии крупных непрерывно литых слябов на станах толстолистовой прокатки имеет место значительная неравномерность деформации по высоте сляба, что приводит к получению неоднородной структуры толстолистового проката [1-6]. Вследствие этого в осевой зоне сляба литая структура металла недостаточно прорабатывается, неметаллические включения и ликваты имеют строчечное расположение в металле по оси прокатки, что приводит к снижению механических характеристик толстолистового проката и к проблемам при получении сварных труб на электросварочном стане.

В мире [7-9] ведутся работы по созданию ресурсосберегающих литейно-прокатных комплексов для производства сортовых заготовок, в частности процессов продольного разделения непрерывнолитых слябов на ряд сортовых заготовок [10-11].

Для решения изложенных выше проблем производства стальных листов и сортовых заготовок целесообразно использовать компактную установку совмещенного процесса непрерывного литья и деформации, технологические возможности которой предусматривают отливку тонких слябов и их обжатие с высокой степенью деформации за проход и в узком температурном интервале [12-18]. Разработка и внедрение установки обеспечивает уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат, улучшение качество металлопродукции и создать ресурсосберегающие комплексы для производства стальных листов и сортовых заготовок [19-24].

На основании вышеизложенного весьма актуальным является проведение исследований, направленных на разработку научных основ создания установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для производства стальных листов и сортовых заготовок.

Степень разработанности темы исследования

За рубежом для получения стальных листов разработана технология, при которой выходящий из машины непрерывного литья тонкий сляб толщиной 60-70 мм с жидкой сердцевиной обжимается роликами зоны вторичного охлаждения до толщины 15-28 мм, что позволяет уменьшить величину зерна и область осевой ликвации. В современном металлургическом производстве технологически процесс производства сортовых заготовок для мелкосортных и проволочных станов сопровождается высокими капитальными, эксплуатационными и энергетическими затратами.

Предлагаемый процесс продольного разделения непрерывнолитой слябовой заготовки калиброванными валками прокатного стана на ряд сортовых заготовок не находит широкого применения в производстве.

В связи с этим весьма актуальным является создание компактной и ресурсосберегающей установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформаций для получения стальных листов и сортовых заготовок.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научно-теоретические обоснования технических и технологических решений получения листов и сортовых заготовок в условиях совмещенных процессов непрерывной разливки с деформационным воздействием»

Цель работы

Повышение эффективности производства листовых и сортовых заготовок в условиях совмещенных процессов непрерывной разливки с деформационным воздействием.

Задачи исследования:

1. Провести оценку НДС металла при гибке боковых стенок оболочки при получении стальных листов на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.

2. Выполнить исследования закономерностей формоизменения на установках непрерывного литья и деформации при получении стальных листов на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации:

- Определить напряженное состояние бойков от усилия обжатия и установить закономерности распределения в них осевых и эквивалентных напряжений при получении на установке стальных листов.

- Определить в условиях нестационарной теплопроводности и термоупругости температурные поля и напряженное состояние бойков при получении листов из стали. Установить закономерности распределения температуры в бойках, термоупругих и суммарных напряжений от усилия обжатия и температурной нагрузки при обжатии стальной заготовки и на холостом ходу.

-Разработать методику и выполнить оценку напряженного состояния и выбора материала бойков различной конструкции при получении стальных листов на установке.

3. На основании результатов математического моделирования разработать концепции компоновок МНЛДЗ.

4.Разработать ресурсосберегающую технологию получения сортовых заготовок за один проход на установке непрерывного литья и деформации:

- Определить напряженно-деформированное состояние с установлением закономерностей распределения перемещений метала и осевых, касательных и эквивалентных напряжений в очаге циклической деформации при получении трех стальных сортовых заготовок на установке.

- Определить напряженно-деформированное состояние металла в очаге циклической деформации при внедрении разделяющего бурта калиброванного бойка в сляб при получении трех сортовых заготовок.

- Определить закономерности распределения в калиброванных бойках суммарных напряжений от усилия обжатия и температурной нагрузки при получении на установке трех стальных сортовых заготовок.

5. Внедрение разработанных технических и технологических решений по совершенствованию технологических процессов и агрегатов МНЛДЗ.

6.Выполнить теоретические и экспериментальные промышленные исследования закономерностей формоизменения процессов на опытно-промышленной установке.

7. Провести опытно-промышленное опробование созданных конструкций элементов установки непрерывного литья и деформации для оценки эффективности их работы и внедрить в производство.

Методология и методы исследования

При выполнении работы использовались методы МКЭ-моделирования совмещенного процесса непрерывного литья и деформации при получении стальных листов и сортовых заготовок с использованием пакета ANSYS. Исследование микроструктуры металла проведены на металлографическом микроскопе Olympus BX51 и сканирующем электронном микроскопе Tascan MIRALMV.

Объектом исследования являются технологические процессы и агрегаты МНЛДЗ, их функционирование, представляющие собой совокупность комплексных процессов непрерывной разливки с обработкой давлением.

Предмет исследования - взаимовлияние и взаимосвязи между параметрами комплексных процессов непрерывной разливки с обработкой давлением, при которых будут обеспечиваться требуемая производительность и надежное функционирование МНЛДЗ.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Содержание диссертации соответствует паспорту научной специальности 2.5.7. «Технологии и машины обработки давлением»: пункт 4. Технологии ковки, прессования, листовой и объемной штамповки, а также формования и комплексных процессов с обработкой давлением, например, непрерывного литья и прокатки заготовок.

Научная новизна работы

1. Развиты научные основы выбора рациональных процессов непрерывной разливки с обработкой давлением для оценки напряженного состояния бойков, что позволило установить закономерности распределения в них осевых и эквивалентных напряжений при получении на установке стальных листов и сортовых заготовок.

2. Сформулированы принципы построения установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации, в том числе при получении на установке

стальных листов и сортовых заготовок, что позволило разработать ряд новых конструктивных решений с использованием бойков различных конструкций.

3. Создана методика расчета температурных полей и термоупругих напряжений в бойках установки непрерывного литья и деформации, включающая определение в условиях нестационарной теплопроводности и термоупругости температурные поля и напряженное состояние бойков.

4. Установлены закономерности распределения температуры в бойках с каналами и без них от технологических параметров процесса деформации. Использование бойков с каналами позволило снизить температуру контактной поверхности с 460 °С до 370 °С.

5. Разработана методика оценки напряженного состояния бойков различной конструкции и определены геометрические параметры бойков. Установлено, что рациональный угол наклона рабочей поверхности бойка а относительно поверхности заготовки изменяется от 9 до 12 градусов.

6. Определено влияние на закономерности распределения перемещений металла и осевых и эквивалентных напряжений в очаге деформации при внедрении разделяющих буртов калиброванных бойков в сляб при получении на установке трех стальных сортовых заготовок.

Практическая значимость работы

1. Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации, напряженного состояния бойков различной конструкции и выбора материала бойков установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.

2. Разработаны модели для определения и получены результаты оценки напряженного состояния системы кристаллизатор-бойки-полоса при получении на установке стальных листов и сортовых заготовок.

3. Создана и освоена опытно-промышленной установка совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для получения металлопродукции на ОАО «Уральский трубный завод». Новизна технических решений подтверждается патентами Российской Федерации на изобретения № 2658761, № 2761373, №

2754336 описывающей процессы функционирования системы непрерывной разливки и деформирования.

4. Суммарный экономический эффект составляет 151 млн. рублей. Он получен от внедрения новых технических и технологических решений, полученных при разработке и внедрении установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации для получения металлопродукции на ОАО «Уральский трубный завод».

5. Разработаны рациональные режимы технологии совмещенного процесса непрерывного литья и деформации, что позволило создать ряд систем для получения непрерывно литых заготовок, что обеспечивает повышение качества листов и сортовых заготовок и повышение эффективности производства.

6. Разработана технология, позволяющая с высокой степенью деформации до 75 % производить разливку слябов и их обжатие, с целью снижения энергетических и эксплуатационных затрат.

7. Практические и научные результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Положения, выносимые на защиту:

1. Оценка напряженного состояния системы кристаллизатор-бойки-полоса при получении стальных листов и сортовых заготовок на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.

2. Закономерности распределения напряжений в очаге циклической деформации и осевых и эквивалентных напряжений в бойках без каналов от усилия нажатия при получении на установке стальных листов.

3. Закономерности распределения в бойках с каналами температуры, термоупругих и суммарных напряжений от усилия обжатия и температурной нагрузки при обжатии сляба и на холостом ходу при получении на установке стальных листов.

4. Методика оценки напряженного состояния бойков различной конструкции и выбора материала бойков при получении на установке стальных листов.

5. Новая технология получения нескольких стальных сортовых заготовок за один проход на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.

6. Закономерности распределения перемещений металла и напряжений в очаге циклической деформации при получении на установке трех стальных сортовых заготовок.

7. Закономерности распределения перемещений металла и осевых и эквивалентных напряжений в очаге деформации при внедрении разделяющих буртов калиброванных бойков в сляб при получении на установке трех стальных сортовых заготовок.

8. Закономерности распределения в калиброванных бойках температуры, термоупругих и суммарных напряжений от усилия обжатия и температурной нагрузки при получении на установке трех стальных сортовых заготовок.

9. Результаты экспериментального исследования совмещенного процесса непрерывного литья и деформации при получении стальных листов и сортовых заготовок на опытно-промышленной установке ОАО «Уральский трубный завод».

Степень достоверности результатов

Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием апробированных методов исследований, адекватностью разработанных конечно-элементных моделей, результатов теоретического исследования напряжений в очаге циклической деформации и в бойках установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации с использованием пакета ANSYS и их согласованием с результатами промышленных испытаний на заводе (ОАО «Уральский трубный завод»).

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 12 Международный конгресс прокатчиков, г. Выкса (2019); Международная научно-техническая конференция «Машины, агрегаты и процессы. Проектирование, создание и модернизация», г. Санкт-Петербург (2019); 12 Всероссийский съезд по фундаментальным пробле-

мам теоретической и прикладной механики, г Уфа (2019); 3 Международная научно-техническая конференция «Машиностроение: инновационные аспекты развития», г. Санкт-Петербург (2020); Научно-техническая конференция с международным участием «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР»: УрО РАН (2020) и на кафедре «Металлургические и роторные машины» УрФУ (2022).

Личный вклад автора

Научные положения и результаты работы, выносимые на защиту, основываются на исследованиях, выполненных непосредственно под руководством и с активным участием автора. Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследования, обоснованном выборе методов решения технических и технологических проблем, проведении промышленных экспериментальных исследований на действующей промышленной установке, анализе и обобщении результатов работы и обоснования всех положений, выносимых на защиту. Апробирование и внедрение в производство предложенных новых технических и технологических решений осуществлялось при непосредственном участии автора.

Публикации

Материалы диссертации представлены в 39 публикациях, в том числе статей опубликовано в 22 журналах, рекомендованных ВАК, 4-х монографиях, 3-х патентах на изобретения Российской Федерации, 2-х свидетельствах на регистрацию программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 355 страницах текста, содержит 203 рисунка, 74 таблицы, содержит список использованной литературы из 268 наименований и 3 приложения.

Аннотация диссертационной работы по главам

Материал диссертационной работы изложен в 7-ми главах.

В первой главе приведен аналитический обзор по теме диссертации. Выполнен анализ состояния и развития теории, технологии и оборудования для производства стальных листов на толстолистовых и широкополосных станах горячей

прокатки, литейно-прокатных комплексах и агрегатах, а также технологических процессов продольного разделения непрерывнолитых слябов на ряд сортовых заготовок

Во второй главе представлены результаты теоретического исследования напряженного состояния системы бойки-полоса при получении стальных листов на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Результаты получены решением задач упругопластичности и упругости методом конечных элементов с использованием пакета ANSYS. Установлены закономерности распределения осевых напряжений в очаге циклической деформации и в бойках без каналов от усилия обжатия при получении на установке стальных листов.

В третьей главе изложена методика расчета температурных полей и термоупругих напряжений в бойках с каналами методом конечных элементов объемной постановке с использованием пакета ANSYS. Разработана методика численного определения плотности теплового потока по экспериментальным данным процесса обжатия стальной заготовки на опытно-промышленной установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. С использованием полученных значений плотности теплового потока и эффективного коэффициента теплопередачи определены температурные поля бойков различной конструкции.

В четвертой главе приведены результаты теоретического исследования температурных полей и напряженного состояния бойков с каналами установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации при обжатии сляба и на холостом ходу. Результаты расчета температур и напряжений выполнены для трех сечений бойка с каналами, при этом в каждом сечении температуры и напряжения приведены для характерных линий. Установлены закономерности распределения температуры и термоупругих напряжений на контактной поверхности и прикон-тактном слое бойков с каналами установки при обжатии сляба и на холостом ходу при охлаждении бойков водой. Определено суммарное поле напряжений в бойках с каналами от усилия обжатия и температурной нагрузки при обжатии на установке стального сляба. Установлены закономерности распределения в бойках без каналов температуры, термоупругих и суммарных напряжений от усилия обжатия

и температурной нагрузки при получении на установке стальных листов. Выполнена сравнительная оценка напряженного состояния бойков с каналами и без них, что позволило сформулировать рекомендации для выбора конструкции и материала бойков установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.

В пятой главе представлены результаты теоретического исследования напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации при получении за один проход трех стальных сортовых заготовок на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. Результаты расчета напряженно -деформированного состояния металла в очаге деформации при формировании разделяющими буртами бойков трех стальных сортовых заготовок получены решением задачи упругопластичности методом конечных элементов в объемной постановке с использованием пакета ANSYS. Установлены закономерности распределений осевых перемещений металла и напряжений в шести характерных точках четырех сечений очага деформации при получении на установке трех стальных заготовок. Изложена постановка и приведены результаты определения напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации при внедрении разделяющих буртов в сляб при его прохождении его через калиброванные бойки установки.

В шестой главе представлены результаты теоретического исследования напряженного состояния бойков с разделяющими буртами при получении на установке трех стальных сортовых заготовок. Результаты получены решением задач нестационарной теплопроводности, упругости и термоупругости методом конечных элементов в объемной постановке с использованием пакета ANSYS. Установлены закономерности распределения осевых и эквивалентных напряжений в калиброванных бойках от усилия обжатия при получении на установке трех стальных сортовых заготовок. Изложена постановка и приведены результаты решения задачи определения температурных полей и термоупругих напряжений в калиброванных бойках установки. Установлены закономерности распределения температуры и термоупругих напряжений во впадине и на разделяющем бурте

рабочей поверхности бойка и на глубине 5 мм от нее при обжатии сляба и на холостом ходу при получении на установке трех стальных сортовых заготовок. Установлены закономерности распределения в калиброванных бойках суммарных напряжений от усилия обжатия и температурной нагрузки при обжатии сляба.

В седьмой главе описано оборудование участка опытно- промышленной установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации ОАО «Уральский трубный завод» для получения стальных листов. Изложены результаты экспериментального исследования технологии получения листов из стали для сварных труб с выполнением последующего металлографического анализа.

В диссертации на основании выполненных исследований закономерностей и взаимовлияния технологий и конструкций машины непрерывного литья и деформации на эффективность работы литейно-прокатных комплексов, дано решение научной проблемы, заключающейся в разработке теоретических положений создания и внедрения ресурсосберегающей технологии в условиях совмещенных процессов непрерывного литья и деформации для получения стальных листов и сортовых заготовок, обеспечивающих уменьшение энергоемкости и металлоемкости оборудования и повышение качества выпускаемой продукции, и имеющей важное значение для развития экономики страны.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Технология и оборудование процессов непрерывного литья и деформации для производства стальных листов и сортовых заготовок

В работах Рудского А.И. [25,47], Колбасникова Н.Г. [5], Филиппова Г.А. [26], Колесникова А.Г. [27], Салганика В.М. [22], Шаталова Р.Л. [24], и других исследователей, отмечено, что определяющими факторами в развитии технологий и оборудования процессов обработки давлением, является применение эффективных ресурсосберегающих технологий обработки давлением, а также широкое использование цифровых производственных систем и математического моделирования в процессах непрерывной разливки стали, обеспечивающих процессы ОД [28-151], и обработки давлением [152-250].

В работах Вдовина К.Н. [28], Лехова О.С. [12], Рудского А.И. [47] и других исследователей [29, 33] представлены специфика и особенности компоновок ли-тейно - прокатных комплексов (ЛПК), направления их развития. Важнейшей проблемой при создании ЛПК - выбор рациональной компоновки и конструкций элементов комплексов.

Стан 5000 ПАО «ММК», производительностью до 1,5 т/год изготовлен фирмой SMS Demag AG [14, 15]. На стане производится толстолистовой прокат шириной до 4850 м и длиной до 25 м для ведущих отраслей промышленности и нефтегазового комплекса России [14-27].

В состав оборудования стана 5000 входят печь с шагающими балками, 4-валковый реверсивный прокатный стан с обжимной клетью вертикального типа, ножницы продольной и поперечной резки.

Характеристика прокатной клети стана 5000 приведена ниже:

- допустимое усилие прокатки, кН ......................................120000

- максимальный крутящий момент, кН м.........................2*9700

- основные размеры станин, мм..............................................15650*6100*2300

- скорость приводного двигателя, мин-1..............................0-60/115

- размеры рабочих валков, мм.................................................1210/1110x5300.

В работах [16-27] изложена технология контролируемой прокатки (КП), которая направлена на управление формированием микроструктуры металла при черновой и чистовой прокатке с целью получения толстолистового проката с заданными свойствами.

В работе Богатова А.А., Нухова Д.Ш., Пьянкова К.П. [2] представлены результаты исследования распределения деформации по толщине листа при толстолистовой прокатке с использованием пакетов DEFORM-3D и Q-FORM. Проведена оценка напряженного состояния металла в очаге деформации с использованием современных средств МКЭ-моделирования, которая показала, что имеет место значительная неравномерность распределения напряжений.

Установлено, что при обжатии крупных непрерывнолитых слябов [28-151] на станах толстолистовой прокатки имеет место значительная неравномерность деформации по высоте сляба [2-6]. Вследствие этого имеет место недостаточная проработка литой структуры металла в осевой зоне сляба, неметаллические включения и ликваты имеют строчечное расположение в толстом листе по оси прокатки [2], что приводит к снижению механических характеристик толстолистового проката и к проблемам при получении сварных труб на электросварочном стане.

В работе [19] отмечается, что для определения основных технологических параметров процесса контролируемой прокатки на стане 5000 необходимо знать требования к толстолистовому прокату, такие как механические свойства и микроструктура металла, которые в значительной степени определяются степенью деформации за проход и температурой начала и конца прокатки.

В работе [22] отмечается, что при прокате на широкополосных станах горячей прокатки на поверхности стальных листов обнаруживаются дефекты, связанные с наличием на поверхности непрерывнолитых слябов продольных и поперечных трещин. В процессе прокатки таких слябов трещины переходят на основные поверхности готовых полос, при этом расстояние от боковой кромки до крайних продольных трещин составляет 20-50 мм. Некоторая часть дефектов образуется и при горячей прокатке в черновой группе клетей. На боковых гранях прокатывае-

мой заготовки создается неблагоприятное для целостности металла напряженное состояние двухосного растяжения. При наличии подкорковых пузырей, неметаллических включений и других местных нарушений сплошности здесь образуются трещины и другие поверхностные дефекты.

В работе [14] изложены результаты освоения на стане 5000 ПАО «ММК» производства по технологии термомеханической обработки листов для газопроводных труб.

Разливка стали производилась с применением мягкого обжатия в слябы толщиной 300 мм, из которых по технологии контролируемой прокатки на стане 5000 получали листы толщиной 26,4 мм. Особенностью производства проката повышенной толщины является необходимость обеспечивать хорошую проработку структуры стали. Небольшая относительная степень деформации (12-14%) в черновой стадии КП приводит к разнозернистости аустенита, которая не может быть исправлена в стадии чистовой прокатки листов.

В работах Салганика В.М., Шмакова А.В., Пустовойтова Д.О. [19, 22, 23] отмечается, что неотъемлемой частью разработки технологии и освоения перспективного прокатного оборудования является моделирование напряженного, деформированного и теплового состояния листа в процессе прокатки, а также во время ускоренного охлаждения. Тепловой режим является одним из определяющих факторов технологии прокатки. Исследование температурных полей при горячей прокатке на стане 5000 проводили методом конечных элементов с использованием пакета DEFORM 2D.

Исходные данные для расчета:

- толщина сляба, мм........................................................300

- материал сляба...............................................................сталь Х80

- температура сляба, °С.................................................1150

- относительное обжатие, %........................................10

- скорость прокатки, м/с................................................1,5

- коэффициент трения....................................................0,5

Установлено, что при толстолистовой прокатке имеет место неравномерность распределения температуры по толщине листа, которая достигает 223 °С. В особенности это относится к толстолистовой прокатке трубной заготовки, где толщина листа может достигать 30 мм. Обеспечить полностью однородное распределение температуры в таком листе в условиях промышленности не представляется возможным. В последнем же чистовом проходе разница температур поверхности и центра полосы достигает 61 °С.

Особенности технология и оборудование непрерывной разливки стали, определяющих качество слябовых и сортовых заготовок получаемых на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) представлены в работах [28-151].

В работе Радкевича М.М. и др. представлен оригинальный способ получения биметаллических изделий штамповкой жидкого металла [32], также обеспечивающий эффективность производства.

В СССР наибольший вклад в создание МНЛЗ внесли научные и проектные организации ЦНИИчермет, Укрниимет, Южуралмаш, Уралмашзавод (в настоящее время Машиностроительная Корпорация «Уралмаш»). В развитие технологии непрерывной разливки стали в России, внедрение в производство внесли ученые, технологи: Бардин И.П., Бойченко С.М., Евтеев Д.П., Рутес В.С., Фуль-махт В.В., Генкин В.Я., Ганкин В.Б., Правдин В.С., Николаев Н.А., Зеленов С.В., Ламинцев Г.К., Кутырина В.М., Гаврилов О.В. и др. [28-151].

Преимущества непрерывной разливки:

1. Высокая производительность (возможность разливать металл «плавка на плавку», т.е. сотни плавок подряд).

2. Увеличение выхода годного до 20 % по сравнению с разливкой в слитки (нет головной и донной обрези).

3. Улучшенное качество металла (быстрое затвердевание, разливка со шлаком в кристаллизаторе и промежуточном ковше, в который ассимилируются неметаллические включения).

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Михалев Александр Викторович, 2025 год

г - /

1 *

1.

1

1

Расстояние, мм

SX_22-23-24-25-26_20_TP • SZ_22-23-24-25-26_20_TP до канала

SY_22-23-24-25-26_20_TP ■SEQV_22-23-24-25-26_20_TP за каналом

Параметры напряженного состояния бойка в области каналов для охлаждения, представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Напряженное состояние бойка в области каналов для охлаждения

№ сечения, линия Напряжение, МПа

БХ БУ ББОУ

охл тр охл тр охл тр охл тр

2, Р4 0/100 0/100 80/100 100/110 20/50 0/30 200 200

3, Р6 0/220 15/230 70/100 70/110 50/70 50/80 250 280

4, Р8 0/-320 0/-340 30/60 5/600 2/500 0/-60 350 370

2, Р14 -20/230 0/240 100/170 80/220 80/220 100/220 330 330

3, Р16 10/-250 /80 10/-260 /80 60/180 80/-50 /80 60/-100 /160 80/-100 /100 300 320

4, Р18 0/-610 0/-650 100/-100 /100 0/100 180/-200 /80 180/-200 650 680

Эти данные характеризуют закономерности распределения осевых термоупругих напряжений по толщине, ширине и длине бойка с каналами, особенно на его контактной поверхности, на холостом ходу при охлаждении его водой и при обжатии сляба.

После циклического обжатия сляба во время холостого хода контактная поверхность бойка с каналами охлаждается водой, что приводит к возникновению на ней сжимающих осевых термоупругих напряжений в направлении оси Ъ и по оси симметрии бойка величиной минус 100-200 МПа, которые затем по толщине приконтактного слоя увеличиваются до значений минус 320-450 МПа (см. линии Р3-Р8, таблица 4.1). Другой характер осевых термоупругих напряжений в прикон-тактном слое бойка с каналами имеет термоупругие напряжение в направлении оси У, которое на контактной поверхности является растягивающим величиной 100-220 МПа, а затем по толщине приконтакного слоя переходим в сжимающие

величиной до минус 200 МПа (см. линии Р5-Р8, таблица 4.1). В отличие от характера распределения осевых термоупругих напряжений по оси симметрии бойка с каналами на его боковых поверхностях, термоупругие напряжения на контактной поверхности в направлении оси Ъ являются растягивающими величиной 100-170 МПа, а затем по толщине приконтактного слоя переходят в сжимающие величиной до минус 170 МПа (см. линии Р13, Р15, Р17, таблицу 4.1).

В таблице 4.1 представлено распределение осевых термоупругих напряжений по толщине, ширине и длине бойка с каналами при обжатии сляба. Максимальные сжимающие термоупругие напряжения возникают на контактной поверхности и по оси симметрии бойка с каналами, которые в направлении осей У и Ъ при температуре нагрева контактной поверхности бойка, равной 400 °С, достигают соответственно значений минус 600 МПа и минус 750 МПа (см. сечение 2, линии Р3, Р4, таблица 4.1). Затем по толщине бойка с каналами они снижаются и переходят в растягивающие величиной до 100 МПа. Эквивалентные напряжения также распределяются неравномерно, достигая наибольших значений (до 700 МПа) при обжатии бойками сляба, однако на холостом ходу они значительно меньше (до 400 МПа).

Очень важно оценить напряженное состояние бойков в зоне каналов при их охлаждении водой (см. линии Р4, Р6, Р8, Р14, Р16, Р18, таблица 4.2). Каналы для охлаждения бойков приводят к возникновению в их области высоких растягивающих термоупругих напряжений, как при обжатии сляба, так и на холостом ходу. Максимальные растягивающие термоупругие напряжения при обжатии сляба возникают в области каналов бойков в сечениях 2 и 3 и в направлении осей X и У и достигают величины 100-240 МПа. Что касается термоупругих напряжений в направлении оси Ъ, то они при обжатии сляба бойками из сжимающих на контактной поверхности величиной минус 300-600 МПа переходят в области каналов в растягивающие величиной 80-220 МПа (см. линия Р6, линия Р14). Каналы для охлаждения бойков приводят в их области к возникновению высоких сжимающих термоупругих напряжений величиной до минус 650 МПа (см. линия Р18).

Также важно рассмотреть характер распределения осевых термоупругих напряжений в зоне каналов бойков при их охлаждения водой на холостом ходу (см. таблицу 4.2). Высокий уровень растягивающих термоупругих напряжений в зоне каналов бойков имеет место в сечениях 2 и 3 в направлении осей Х, У и Ъ и изменяется в диапазоне 100-230 МПа. Следует отметить характер распределения термоупругих напряжений в направлении оси Х в зоне каналов бойка, которые в сечениях 2 и 3 растягивающие величиной 100-200 МПа, а в сечении 4 становятся сжимающими величиной минус 320 МПа (см. линия Р8). Однако на боковых поверхностях бойка в зоне каналов эти термоупругие напряжения сначала становятся растягивающими величиной 230 МПа, а затем переходят в сжимающие величиной минус 240 МПа (см. линия Р14). В сечении 4 термоупругие напряжения в направлении оси Х в зоне каналов бойка из растягивающих величиной 60 МПа переходят в сжимающие величиной минус 620 МПа (см. линия Р18).

4.1.4 Распределение осевых термоупругих напряжений в приконтактном слое бойка с каналами при обжатии сляба и на холостом ходу

Закономерности распределения осевых термоупругих напряжений по толщине и ширине приконтактного слоя бойков с каналами в паузе при охлаждении его водой, в частности, для сечения 2, приведены для линий Р23 и Р24, расстояние между которыми равно 5 мм (рисунок 4.4). Наибольшие значения сжимающих термоупругих напряжений в направлении осей У и Ъ возникают в приконтактном слое и на оси симметрии бойков с каналами, которые, соответственно, равны минус 330 МПа и минус 450 МПа (см. рисунок 4.4, линия Р24).

Другой характер распределения на контактной поверхности бойка с каналами имеют осевые термоупругие напряжения в направлении оси Ъ , которые из сжимающих на оси симметрии бойка величиной минус 100-200 МПа переходят в растягивающие на боковых поверхностях бойка величиной 175-250 МПа (см. рисунок 4.4, линия Р23, рисунок 4.5, линия Р25).

Таблица 4.3

Распределение термоупругих напряжений по толщине и ширине приконтактного слоя бойка с каналами при охлаждении водой и при обжатии сляба

№ се- Напряжение, МПа

чения, БХ БУ ББОУ

линия охл тр охл тр охл тр охл тр

2, Р23 0 -30/-30 -80/0 -650/-500 -200/220 -800/-200 220 730

2, Р24 -10/-20 -10/-10 -330/-210 -300/-200 -450/0 -440/30 400 400

3, Р25 0 -1-10 100/140 -470/-400 -125/250 -700/-200 220 620

3, Р26 0 0 -200/-150 -160/-100 -400/-50 -370/40 350 330

4, Р27 0 0 -50/-50 40/40 -330/0 -280/50 300 290

4, Р28 0 0 230/200 -250 -70/220 -600/-100 270 530

Расстояние, мм

---SX_59-62-67-70-75_20_ОХЛ

--SY 59-62-67-70-75 20 ОХЛ

Вдоль линии Р_23

500

400

а 300

§ 200

100

,е и 0 .

н е ¥ -100 0 -200 0

я -300

¡.р с -400

а X -500

4 0 8 0 12 >0 16 0 20 0 240 28

^ *

- •

Расстояние, мм

SX 60-63-68-71-76 20 ОХЛ

Термоупругие напряжения в направлении оси У на контактной поверхности в сечениях 3 и 4 растягивающие величиной 100-230 МПа (см. рисунок 4.4. линия Р25, таблица 4.3).

250

^ 200__,_____

I 50 /' * ¡= 0-----------------/-----------'

Х ГЛ 0 40 80 120 у<60 200 240 280 -50

___

-100 __.--

-150 -200

Расстояние, мм

---SX_19-22-27-30-35_20_ОХЛ--SY_19-22-27-30-35_20_ОХЛ

- • SZ_19-22-27-30-35_20_ОХЛ -SEQV_19-22-27-30-35_20_ОХЛ

•'Л

V "" ""* м

/ г \

/ в •

0 4 0 8 0 12 20 0 20 0 24 Ю 280

*

— . -

Расстояние, мм

Вдоль линии Р_25

е и н е

х

я .

с

а

X

350 300 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400

SX_20-23-28-31-36_20_ОХЛ SZ 20-23-28-31-36 20 ОХЛ

/

0 4 0 8 0 12 ¿0 16 )0 21 0 24 0 280

_ /

/

^т *

Расстояние, мм

--SY_20-23-28-31-36_20_ОХЛ

-SEQV_20-23-28-31-36_20_ОХЛ

На рисунках 4.5-4.6 приведены закономерности распределения осевых термоупругих напряжений в приконтакном слое бойков с каналами при обжатии сляба.

I

V

X

К

о. с

(О X

800 700 600 500 400 300 200 100 0

-100 -200 -300 -400 -500 -600 -700 -800

0 4 0 8 0 12 20 16 0 20 Ю 24 Ю 28(

/

У Jm

—i • "

Расстояние, мм

БХ_59-62-67-70-75_20_ТП --SY_59-62-67-70-75_20_Tn

SZ_59-62-67-70-75_20_Tn -SEQV_59-62-67-70-75_20_Tn

Вдоль линии P_23

е и н е

я .

с

а

х

500 400 300 200 100 0

-100 -200 -300 -400 -500

- SX_ SZ_

ч

0 4 0 8 0 12 20 16 0 20 0 24 0 280

/

- —^ - -

- . -

Расстояние, мм

60-63-68-71-76_20_ТП 60-63-68-71-76 20 ТП

SY_60-63-68-71-76_20_Tn • SEQV_60-63-68-71-76_20_Tn

Так, в сечении 2 возникают наибольшие сжимающие термоупругие напряжения на контактной поверхности в направлении осей У и Ъ величиной, соответственно минус 650 МПа и минус 800 МПа, которые по толщине приконтактного слоя снижаются соответственно до значений минус 300 МПа и минус 440 МПа (см. рисунок 4.5, линии Р23 и Р24, таблицу 4.3).

Щ

5 I

V

X

те о. с л X

700 600 500 400 300 200 100 0

-100 -200 -300 -400 -500 -600 -700 -800

- БХ_ • Бг

120

160 200 240 280

Расстояние, мм

19-22-27-30-35_20_ТП 19-22-27-30-35 20 ТП

БУ_19-22-27-30-35_20_ТП • БЕЦУ_19-22-27-30-35_20_ТП

0

Вдоль линии Р_25

е и н е

X

я .

с

а

X

400 300 200 100 0

-100 -200 -300 -400

- БХ_ • Бг

Л • 0

4 0 8 0 12 20 16 0 20 0 24 0 28 т

/ р

_ . — _ • —

Расстояние, мм

20-23-28-31-36_20_ТП 20-23-28-31-36 20 ТП

БУ_20-23-28-31-36_20_ТП ■ БЕЦУ_20-23-28-31-36_20_ТП

Следует отметить, что осевые термоупругие напряжения имеют наибольшее значение на оси симметрии бойка с каналами и монотонно уменьшаются к его боковым поверхностям. Эквивалентные напряжения при обжатии сляба на контактной поверхности бойка с каналами изменяются от 290 до 730 МПа, а в прикон-тактном слое - от 270 до 530 МПа.

4.1.5 Распределение осевых термоупругих напряжений в приконтактном слое по длине бойка с каналами при обжатии сляба и на холостом ходу

Для установления закономерностей распределения осевых термоупругих напряжений в приконтактном слое по высоте бойка с каналами.

выполнены специальные расчеты. Положения точек и линий по высоте бойка с каналами дано на рисунке 2.47. На рисунках 4.8-4.9 приведен характер распределения осевых термоупругих напряжений, возникающих в приконтактном слое бойка с каналами на холостом ходу при охлаждении его водой. Термоупругие напряжения БУ и БЪ распределяются крайне неравномерно как по высоте бойка, так и по толщине приконтактного слоя.

Так, на контактной поверхности термоупругие напряжения в направлении осей У являются растягивающими и по оси симметрии бойка с каналами изменяются от 153 до 250 МПа, а напряжения в направлении оси Ъ являются сжимающими и достигают наибольшего значения минус 200 МПа (см. рисунок 4.8, линия Р31).

В приконтактном слое термоупругие напряжения в направлении оси У практически не изменяются, а термоупругие напряжения в направлении оси Ъ становятся растягивающими и изменяющимися от 100 до 200 МПа (см. рисунок 4.9, линия Р33).

01

I 01 X те о. с л X

300 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250

/

/ _ ✓ \\

/ 1 г

' N у / \

4 0 N 8 0 12 >0 >6 0 20 0 24 0 28 0 32

N

г. 4

> _ . *

Расстояние, мм

- БХ_1- 19-55-37_20_ОХЛ --БУ_1-19-55-37_20_ОХЛ

• Б7_1-19-55-37_20_ОХЛ -БЕЦУ_1-19-55-37_20_ОХЛ

• переход на калибр. Участок

Вдоль линии Р 31

е и н е

X

я .

с

а

х

500 400 300 200 100 0

-100 -200 -300 -400 -500

«

К" 0 8 0 12 20 16 0 20 0 24 0 28 30 у32

Ч *

ч ч **

- """ л .—> • --

— . . — •

Расстояние, мм

- БХ_2-20-57-38_20_ОХЛ --БУ_2-20-57-38_20_ОХЛ

• Б7_2-20-57-38_20_ОХЛ -БЕЦУ_2-20-57-38_20_ОХЛ

• переход на калибр. Участок

Вдоль линии Р_32

Рисунок 4.8 - Характер термоупругих напряжений вдоль линий Р_31 и Р_32 от воздействия на боек температурного поля в паузе при охлаждении водой

На боковых поверхностях бойков с каналами - термоупругие напряжения в направлении осей У и 7, сжимающие и достигающие на контактной поверхности бойка, соответственно минус 340 МПа и минус 460 МПа, а в приконтактном слое-минус 450 МПа и минус 330 МПа.

01

I

01

36

к о. с л X

300 250 200 150 100 50 0 -50 -100

✓

/ г Я*

г / 1 1

Л > 1 \ / / 1

\ ✓ .<Ст- у - — \ ф

0 4 0 8 0 12 Ю 16 0 20 0 24 0 28 0 32

Расстояние, мм

- БХ_9-27-56-45_20_ОХЛ —

• Б7_9-27-56-45_20_ОХЛ —

• переход на калибр. Участок

БУ_9-27-56-45_20_ОХЛ БЕЦУ_9-27-56-45_20_ОХЛ

Вдоль линии Р 33

е и н е

36

я .

с

а

X

500 400 300 200 100 0

-100

-200

-300

-400

-500

Расстояние, мм

- БХ_10-28-58-46_20_ОХЛ --БУ_Ю-28-58-46_20_ОХЛ

• Б7_Ю-28-58-46_20_ОХЛ -5ЕЦУ_10-28-58-46_20_ОХЛ

•• переход на калибр. Участок

\ /

К4 0 8 0 12 Ю 16 0 20 0 24 Ю ^28 Ю — 32

ч * . * *

ч ¿Г

V ~~ — • ._ •

— . - — • -

Вдоль линии Р_34

Рисунок 4.9 - Характер термоупругих напряжений вдоль линий Р_33 и Р_34 от воздействия на боек температурного поля в паузе при охлаждении водой

На рисунках 4.10 и 4.11 приведены закономерности распределения термоупругих напряжений в приконтактном слое бойка с каналами по его высоте при обжатии сляба на установке непрерывного литья и деформации.

---БХ_1-19-55-37_20_ТП --БУ_1-19-55-37_20_ТП

- • Б7_1-19-55-37_20_ТП -БЕЦУ_1-19-55-37_20_ТП

...... переход на калибр. Участок

Вдоль линии Р_31

01

I 01 X те о. с ш X

600 400 200 0

-200 -400 -600

0 4 > 0 8 к 0 12 20 16 0 20 0 * * 24 0 28 50 32

-ч ч ^ — **

Расстояние, мм

- БХ_2-20-57-38_20_ТП

• Б7_2-20-57-38_20_ТП

• переход на калибр. Участок

БУ_2-20-57-38_20_ТП • БЕЦУ_2-20-57-38_20_ТП

01

I 01 X к о. с л X

600 400 200 0

-200 -400 -600

0 4 1 0 8 0 12 Ю 16 0 20 0 24 0 28 50 32 /

1 N \ • - . - • -- ■ч •и"»

ч - _ _ . — -

Расстояние, мм

- БХ_9-27-56-45_20_ТП --БУ_9-27-56-45_20_ТП

• Б7_9-27-56-45_20_ТП -БЕЦУ_9-27-56-45_20_ТП

• переход на калибр. Участок

Вдоль линии Р 33

е и н е

X

я .

с

а

х

600 400 200 0

-200 -400 -600

0 4 0 8 N 0 12 20 16 0 20 0 ✓ 0 28 0 32

—Ч _ * в __• —

Расстояние, мм

- БХ_10-28-58-46_20_ТП --БУ_10-28-58-46_20_ТП

• Б7_10-28-58-46_20_ТП -5ЕЦУ_10-28-58-46_20_ТП

• переход на калибр. Участок

Вдоль линии Р_34

Рисунок 4.11 - Характер термоупругих напряжений вдоль линий Р_33 и Р_34 от воздействия на боек температурного поля при обжатии сляба

На контактной поверхности бойка с каналами возникают максимальные сжимающие термоупругие напряжения в направлении осей У и Ъ величиной, соответственно минус 620 МПа и минус 800 МПа, которые в приконтактном слое уменьшаются, соответственно, до минус 520 МПа и минус 400 МПа (см. рисунок

4.10, линия Р31, рисунок 4.11, линия Р33, таблицу 4.4). На боковых поверхностях бойка с каналами осевые термоупругие напряжения в направлении осей Y и Z на контактной поверхности соответственно равны минус 300 МПа и минус 420 МПа, а в приконтактном слое- соответственно минус 300 МПа и минус 430 МПа (см. рисунок 4.10, линия Р32, рисунок 4.11, линия Р34, таблицу 4.4).

Таблица 4.4

Распределение термоупругих напряжений по толщине и высоте приконтактного

слоя бойка с каналами при охлаждении водой и при обжатии сляба

Линия Напряжение, МПа

SX SY SZ SEQV

охл тр охл тр охл тр охл тр

линия Р31 20/0 -30 165/250 -70/-650 -150/ -200/-60 -600/-800 270 740

линия Р32 20/0 -20 -20/ -340/-60 0/-300 -300/ -460/-300 -300/-440 410 400

линия Р33 20/0 -30 50/170/ 25 -70/-520 100/260 -400/-200 240 500

линия Р34 20/0 -15 -20/ -330/-50 0/-300 -300/ -450/-300 -300/-430 410 400

4.1.6 Напряженное состояние бойков с каналами от усилия обжатия и температурной нагрузки при получении листов из стали на установке непрерывного литья и деформации

Для обоснованного выбора конструкции и материала бойков важно оценить величину и характер распределения осевых суммарных напряжений в бойках с каналами для их охлаждения, при получении листов из стали для сварных труб, на установке непрерывного литья и деформации. На рисунках 4.12-4.17 и в таблице 4.5 показаны закономерности распределения осевых суммарных напряжений в бойках с каналами при обжатии сляба. Как следует из этих данных, суммарные

напряжения, как правило, сжимающие, но в области каналов бойков они могут перейти в растягивающие. Наибольшей величины, сжимающие суммарные напряжения, достигают на контактной поверхности бойка в направлении осей Y и Z, и они, соответственно, равны минус 670 МПа и минус 840 МПа (см. рисунки 4.12, 4.13). Рисунки 4.12-4.17 характеризуют распределение осевых суммарных напряжений по толщине бойка с каналами: по линиям, не проходящим через каналы для охлаждения бойка, сжимающие суммарные напряжения снижаются и могут перейти в направлении оси Y в растягивающие величиной до 70 МПа (см. рисунок 4.13, линия 5).

Очень важно оценить влияние каналов для охлаждения бойков на характер распределения осевых суммарных напряжений в бойках с каналами по линиям Р4, Р6 и Р8 (см. рисунки 4.12-4.14). Как следует из этих данных, сжимающие суммарные напряжения в области каналов в сечениях 2 и 3 переходят в растягивающие, достигающие в направлении осей Х и Y соответственно значений 120 МПа и 100 МПа (см. рисунки 4.12 и 4.13).

Максимальные суммарные растягивающие напряжения в бойках с каналами в направлении осей X, У и Z возникают в области каналов, расположенных на боковых поверхностях бойков, и, соответственно, равны 240, 180 и 220 МПа (см. рисунок 4.15, сечение 2, линия 14). Причем в этом сечении на контактной поверхности бойка с каналами суммарное напряжение в направлении оси Y равно минус 500 МПа (см. таблицу 4.5, рисунок 4.15).

Следует отметить, что каналы для охлаждения бойков повышают уровень сжимающих суммарных напряжений. Так, в сечении 4 сжимающее суммарное напряжение в бойке в направлении оси Х в области каналов достигает величины минус 760 МПа (см. рисунок 4.17, линия Р18).

Также важно рассмотреть закономерности распределения суммарных напряжений в бойках по высоте каналов при обжатии сляба на установке непрерывного литья и деформации. В сечении 2 сжимающее суммарное напряжение в направлении оси Х величиной минус 20 МПа переходит в области канала в растягивающее величиной 100 МПа, а суммарное напряжение в направлении оси Y из

сжимающего напряжения на контактной поверхности бойка величиной минус 600 МПа в области канала переходит в растягивающее величиной 100 МПа (см. рисунок 4.12, линия Р4).

I

V

36 те о. с л X

800 700 600 500 400 300 200 100 0

-100 -200 -300 -400 -500 -600 -700 -800

•

•

•

•

•

•

•

( « 3» 3£ч>

т ж шт а п •

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 90

1 «<• •

/ •

1Г~ •

•

•

•

Расстояние, мм

SX_59-60-61_20_TP+PRESS ■ SZ_59-60-61_20_TP+PRESS до канала

SY_59-60-61_20_TP+PRESS ■ SEQV_59-60-61_20_TP+PRESS за каналом

Вдоль линии P_3

е и н е

36

я .