Разработка и исследование процесса совмещенной прокатки-прессования с целью повышения эффективности производства длинномерных пресс-изделий из алюминиевых сплавов

Важной задачей развития производства является увеличение объема и снижение себестоимости длинномерных пресс-изделий небольшого поперечного сечения из алюминиевых сплавов, находящих широкое применение в строительной индустрии, различных отраслях промышленности и в быту.

Существующие технологии производства данных пресс-изделий на горизонтальных гидравлических прессах имеют ряд недостатков, основные из которых связанны с дискретностью (прерывностью) процесса и реализацией схемы прессования с наличием реактивных сил трения на контакте металла с контейнером. Это приводит к ограничению длины прессуемых изделий, снижению их качества из-за неравномерности деформации и высокой энергоемкости процесса прессования. Устранить эти недостатки можно путем применения схем непрерывного прессования.

Основными способами непрерывного прессования являются Конформ, Лайнекс и Экстроллинг. Они характеризуются высоким выходом годного и возможностью деформации непрерывно-литой заготовки за один цикл обработки. Так, например, установки Конформ фирмы «Холтон Машинери» обладают высокой мобильностью, гибкостью перехода от одного типоразмера к другому, а также сравнительно высокой производительностью. Однако, при диаметре колеса 500 мм и минимальной мощности электродвигателя 300 КВт максимальный диаметр прутковой заготовки не превышает 20 мм, что ограничивает возможности этого процесса и делает его энергоемким.

В работах зарубежных и российских ученых, таких как Б. Авитцур, Р. Гржиб, В. Л. Бережной, М. С. Гильденгорн, В. Н. Корнилов, Н. Н. Довженко и др., были предложены технические решения, позволяющие реализовать различные варианты процесса Экстроллинг. Один из таких вариантов, названный авторами совмещенной прокаткой-прессованием (СПП), позволяет исключить перечисленные выше недостатки и расширить технологические возможности получения длинномерных пресс-изделий. Однако, для проектирования промышленного агрегата СПП, обеспечивающего выпуск заданной продукции с требуемыми механическими свойствами и структурой, необходимо провести более глубокие экспериментальные и теоретические исследования.

Целью работы, таким образом, является повышение эффективности производства длинномерных пресс-изделий из алюминия и его сплавов на базе способа совмещенной прокатки-прессования. Для достижения этой цели сформулированы следующие задачи:

— создать экспериментальную установку СПП, которая обеспечит изучение геометрического очага деформации и проведение экспериментальных исследований энергосиловых параметров процесса;

— установить аналитические зависимости для расчета температурных условий и энергосиловых характеристик изучаемого процесса;

— разработать технические и технологические условия для проектирования технологии и оборудования;

— провести исследование свойств алюминиевых полуфабрикатов, полученных методом СПП;

— создать опытно-промышленную установку для производства длинномерных пресс-изделий и отработать на ней технологические режимы получения прутков из алюминиевых сплавов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе выполнен обзор существующих методов полунепрерывного и непрерывного прессования пресс-изделий, а также оборудования и технологий для их реализации. Дан анализ области применения и характеристика свойств алюминия и его сплавов, которые целесообразно использовать при совмещенной обработке. Проведен анализ теоретических и экспериментальных исследований различных авторов, работы которых посвящены изучаемым вопросам. На основании проведенного литературного обзора сделаны выводы и сформулированы цели и задачи диссертационной работы. Вторая глава содержит результаты экспериментальных исследований процесса совмещенной прокатки-прессования. Приведены опытные данные по энергосиловым параметрам процесса таким, как сила, действующая на.

4.5 ВЫВОДЫ.

Таким образом, в результате проведенного промышленного внедрения оборудования и технологии совмещенных процессов обработки алюминия и его сплавов, можно сделать следующие выводы:

1. Предложена принципиальная схема для производства пресс-изделий небольшого поперечного сечения из алюминиевых сплавов, базовым элементом которой является установка совмещенной прокатки-прессования.

2. На основе полученных результатов, проведенных исследований спроектирована и внедрена в производство опытно-промышленная установка CI И1−260 и отработана технология получения прутка диаметром 15 мм из алюминия марки АД1.

С учетом опыта освоения установки СПП-260, создана новая конструкция узлов модульного оборудования для производства длинномерных пресс-изделий из алюминиевых сплавов и внедрена в производство опытно-промышленная установка С1111−400, на которой отработана технология получения прутков диаметром 9 мм из алюминия марки АД1 и сплава АМгб. Проведенные в промышленных условиях исследования позволили утверждать, что предложенные технологические режимы обеспечивают при заданных температурно-скоростных и деформационных параметрах процесса регламентированную структуру и свойства пресс-изделий в соответствии с ГОСТ 21 488–97.

Экономические расчеты показали, что максимальная экономия при производстве прутков на установках совмещенной прокатки-прессования из алюминия марки АД1 составит 1749 руб за тонну, а для прутков из сплава АМгб себестоимость продукции снижается практически в 2 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Задача дальнейшего увеличения объема и снижения себестоимости длинномерных изделий, находящих все более широкое применение в строительной, электротехнической промышленности, а также в отрасли производства товаров широкого потребления, требует поиска новых высокопроизводительных методов их получения, разработки новых энергосберегающих технологий и создания модульного оборудования для их реализации. Повышение эффективности производства длинномерных изделий небольшого поперечного сечения из алюминиевых сплавов возможно за счет внедрения методов непрерывного прессования, при этом наименее энергоемким и универсальным из них является процесс совмещенной прокатки и прессования. Применение этого непрерывного процесса дает возможность повысить выход годного до 95−98%, достичь скоростей прессования до 2 м/сек при сравнительно высоких степенях деформации за один цикл обработки. Однако, внедрение таких технологий непрерывного прессования сдерживается в настоящее время из-за отсутствия комплексных экспериментальных и теоретических исследований, результаты которых дают возможность определить проектные параметры оборудования и гарантировать необходимый уровень механических свойств пресс-изделий.

В связи с этим, проведены экспериментальные исследования по изучению структуры очага деформации, формоизменения металла и энергосиловых параметров при реализации нового процесса совмещенной прокатки-прессования. При этом, установлены закономерности изменения энергосиловых характеристик процесса от комплекса безразмерных параметров, однозначно описывающих очаг деформации, и температурно-скоростных режимов обработки алюминиевых сплавов. Установлено, что на величину сил, действующих на матрицу и валки, существенным образом влияют температура нагрева заготовки, вытяжка при прессовании, скорость вращения и приведенный диаметр валков. Для определения энергосиловых параметров при прессовании прутков из малоизученных лигатурных сплавов системы Al-Ti-B методом горячего кручения получены экспериментальные данные по сопротивлению сдвигу. Проведены металлографические исследования, которые позволили установить оптимальные значения деформационных и температурно-скоростных параметров. При этом было выявлено сочетание параметров, при которых обеспечиваются наилучшие характеристики структуры с точки зрения однородности и дисперсности частиц выделяемой фазы. Такими параметрами для алюминия марки АД1, например, являются следующие: температура — 580 °C, вытяжка — 3,5 и скорость деформации — 0,54 с" 1.

Выполнена аналитическая оценка устойчивости процесса СПП, и установлено, что определяющими параметрами являются удаление матрицы от плоскости, проходящей через оси валков и степень деформации при прокатке, которая для гарантированного осуществления процесса СПП должна быть не менее 50%. Путем совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и условия пластичности для различных зон очага деформации получены аналитические зависимости для расчета напряжений, действующих в продольном и поперечном сечениях. Решена температурная задача и получены формулы для расчета температуры обрабатываемого металла и инструмента, анализ которых показал, что валки перед деформацией должны быть нагреты в диапазоне температур 100−250°С, а в процессе обработки, во избежание появления температурных трещин, охлаждаться таким образом, чтобы обеспечить температуру металла на выходе из матрицы меньше критической. В результате обработки численного массива экспериментальных данных получены аппроксимирующие формулы для расчета сил, действующих на матрицу и валки. В результате экспериментальной проверки этих формул установлено, что они обладают более высокой точностью по сравнению с известными формулами других авторов, что позволяет рекомендовать их для использования в инженерных расчетах технологических режимов прокатки-прессования.

На основе полученных результатов проведенных исследований создана новая конструкция узлов модульного оборудования для производства длинномерных пресс-изделий из алюминиевых сплавов методом СПП, обеспечивающая увеличение выхода годной продукции на 18% и повышение производительности на 67% по сравнению с традиционной схемой производства.

Практическая реализация технологических режимов получения прутков из алюминия и его сплавов проведена на ОАО «ВСМПО» (г. Верхняя Салда) и ООО «ТК «Сегал» (г. Красноярск). Проведенные в промышленных условиях исследования показали, что предложенные технологические режимы обеспечивают при заданных температурно-скоростных и деформационных параметрах процесса регламентированную структуру и свойства пресс-изделий в соответствии с ГОСТ 21 488–97. При этом, разработаны и внедрены в производство установки по совмещенной обработке алюминиевых сплавов. Экономические расчеты показали, что предлагаемая технология эффективна, как в сравнении с получением катанки на литейно-прокатном агрегате, так и сравнении с технологией прессования прутков из слитков на горизонтальных гидравлических прессах. При этом, экономический эффект при производстве прутков на установках совмещенной прокатки-прессования из алюминия марки АД1 составит 1749 руб. на тонну, а для прутков из сплава АМгб себестоимость продукции снижается практически в 2 раза.