Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия
Все статьи: 899
Статья научная
В настоящее время рынок труб большого диаметра (ТБД) развивается в условиях переизбытка производственных мощностей, что ставит производителей труб данного сегмента в условия жесткой конкуренции. Морские переходы, зоны повышенной сейсмической активности, высокое рабочее давление трубопроводов определяют высокие требования к прочностным, геометрическим и эксплуатационным характеристикам труб. Повышение точности размеров труб большого диаметра является актуальной задачей для большинства производителей данной продукции. Одним из способов повышения точности труб является минимизация неравномерности деформации в поперечном сечении трубы после формообразующих операций. Процесс вальцевой формовки (TRB) обладает преимуществом в сравнении с наиболее распространенным на предприятиях процессом шаговой формовки (JOE) по энергоемкости и постоянству кривизны основной части периметра. При производстве ТБД способом вальцевой формовки неравномерность деформации локализуется в области перехода от плоского участка к основному периметру. Для снижения неравномерности деформации вращение валков в начале прохода выполняется одновременно с перемещением верхнего валка. Для корректной реализации данной технологии требуется методика расчета величины погружения на заданный радиус на стадии перемещения верхнего валка. В статье представлены результаты численного эксперимента по определению кривизны заготовки на стадии перемещения верхнего валка. По результатам эксперимента построена регрессионная модель формирования кривизны и приведен алгоритм расчета перемещения. Полученная регрессионная модель с достаточной точностью позволяет рассчитывать величину погружения, что подтверждается результатами конечно-элементного моделирования. Результаты работы могут быть полезны для практической реализации и использованы как для составления технологических карт формовки, так и для построения конечно-элементных моделей.
Бесплатно
Расчет параметров структуры и энтальпии образования кристаллических оксидов кремния
Статья
Бесплатно
Расчет режимов сварки с использованием современного программного обеспечения
Статья научная
Работа посвящена применению математического пакета MathCAD для расчета и оперативной оптимизации сварочных режимов. Математический пакет MathCAD выгодно отличается от других пакетов простотой синтаксиса и относительной легкостью изучения, что позволяет использовать его для решения инженерных задач, таких как построение термических циклов и температурных полей в металле при воздействии мгновенного точечного источника тепла, движущегося и быстродвижущегося источников тепла с последующим вычислением размеров зоны оплавления, мгновенной скорости охлаждения, продолжительности пребывания металла при температуре выше заданной и т. п. Использование готового алгоритма расчета режима сварки направлено на воспитание интереса к применению компьютерных технологий в инженерной практике, поскольку это существенно ускоряет выполнение работы. Для инженеров и специалистов сварочного производства представляет интерес использование математического пакета MathCAD для расчета и оптимизации сварочных режимов. Расчетная модель режимов сварки основана на строгом согласовании величины площади наплавленного металла с конструктивно заданными геометрическими характеристиками сварного соединения и расчетными параметрами режима сварки. Это достигается решением системы известных уравнений, что исключает возникновение ошибок вычислений, связанных с конфликтом начальных и конечных расчетных параметров. Результаты вычислений выводятся в виде матрицы или таблицы, в которую сводятся все параметры сварного соединения и режима сварки, а также вспомогательные показатели, которые могут быть использованы для оценки материальных и энергетических затрат. Таблицу расчетных параметров удобно использовать для анализа и оптимизации режимов сварки. Корректировка режимов может производиться изменением диаметра электрода, рода и полярности тока, типа сварного соединения или желаемого значения коэффициента формы шва.
Бесплатно
Расчет роста кристаллов в аморфном сплаве 5БДСР при термообработке
Статья научная
Представлены результаты расчета роста кристаллов в аморфном сплаве 5БДСР (Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9) при термообработке с учетом тепловых и диффузионных процессов, протекающих в аморфном сплаве и растущем кристалле. Учтены тепловые и химические процессы на границе «кристалл - аморфная фаза». Рассмотрена кристаллизация многокомпонентного металлического раствора на примере роста отдельной частицы. На начальной стадии каждый кристалл растет в окружении некристаллической фазы. Форма растущего зародыша принята сферической. Выбрана сферическая система координат с началом в центре растущей частицы. Вся система также принята сферической. Начальное распределение параметров состояния системы (концентраций компонентов, скоростей, температуры и других величин) обладает сферической симметрией. В любой момент времени распределение всех характеризующих систему величин также обладает сферической симметрией. В системе выделено три области: некристаллическая фаза, растущая частица (кристаллическая фаза) и отдельно - поверхность раздела этих фаз. Расчет роста кристалла проведен в интервале температур 450-700 °С и часовой выдержке. Интенсивный рост начинается через 0,6 с после начала выдержки. В течение часа диаметр кристалла увеличивается до 7,0 нм при температуре 450 °С и до 20 нм при 630 °С. В процессе роста происходит снижение концентрации Fe перед фронтом роста кристалла до 0,15 % в течение 60 мин. При этом концентрация Nb наоборот повышается до 90 %. Содержание остальных компонентов практически не изменяется. Резкое уменьшение концентрации Fe в аморфной фазе при неизменной концентрации Si приводит к снижению содержания Fe в кристаллической фазе. Проведено сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.
Бесплатно
Расчет температуры сварочной дуги при многодуговой сварке
Краткое сообщение
Разработана новая математическая модель для расчета температуры каждой дуги при многодуговой сварке на основании закона сохранения энергии. Она интегрирована в предыдущие модели по расчету режима многодуговой сварки. Выполнен проверочный расчет для трехдуговой сварки.
Бесплатно
Краткое сообщение
Описывается энергосберегающая технология, позволяющая повысить эффективность использования топливно-энергетических ресурсов при непрерывной разливке стали. Предлагается использовать теплоту расплава непрерывнолитого слитка, что позволит уменьшить или исключить его нагрев перед прокаткой. Для этого разработана математическая модель рационального охлаждения непрерывнолитого слитка в машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) с применением теплоизолирования в зоне воздушного охлаждения. Описываются материалы теплоизолирующего устройства и его конструктивное применение в технологической схеме МНЛЗ. Для расчета теплообмена между слитком и теплоизоляционным устройством совместно решены задачи охлаждения слитка и разогрева теплоизоляционной конструкции. Составлен тепловой баланс зоны теплоизолирования. Проанализировано взаимодействие тепловых потоков между слитком и теплоизолирующим устройством с помощью математического моделирования. По результатам моделирования можно сделать вывод о том, что при использовании зоны теплоизолирования затвердевание слитка происходит при скоростях до 1,3 м/мин. При более высоких скоростях вытягивания для полного затвердевания слитка перед порезкой необходимо увеличить интенсивность охлаждения в зоне вторичного охлаждения (ЗВО). Среднемассовая температура возрастает на 160-260 °С. По полученным данным можно сделать вывод: при использовании теплоизоляции происходит термостатирование слитка, разность температур между поверхностью и центром уменьшается на 100-220 °С по сравнению с воздушным охлаждением, т. е. экономия теплоты составляет около 30 %.
Бесплатно
Расчет трещиноустойчивости стали 20ХЛ
Статья научная
Трещиноустойчивость стали характеризует запас технологической прочности при охлаждении отливки как превышение напряжениями временного сопротивления разрыву вследствие усадки при различных скоростях охлаждения. Испытания проводили на комплексе физического моделирования термомеханических процессов Gleeble System 3800 при температурах от 1300 до 20 °С, причем образец сначала нагревали до 1300 °С, а затем охлаждали до заданных температур с разными скоростями, после чего проводили испытания на растяжение. Исследования выполнены для стали 20ХЛ при различных скоростях охлаждения. Проведены дилатометрические исследования и найдены критические точки структурных превращений при охлаждении стали 20ХЛ. Выполнены высокотемпературные испытания на установке Gleeble System 3800 на растяжение и определены предел прочности, модуль упругости при температурах до 1300 °С. Проведены испытания на релаксацию и представлены результаты роста напряжений вследствие усадки при различных скоростях охлаждения для защемленного образца, который моделирует условие полного торможения усадки. При изменении размеров кристаллической решетки в переходной зоне при распаде аустенита происходит снижение напряжений. Таким образом, опасными температурами для образования трещин являются температуры начала усадки, начало феррито-перлитного превращения и комнатная температура. Соответственно, запас технологической прочности, то есть трещиноустойчивость стали, возрастает в переходной зоне, а затем снижается в феррито-перлитной зоне. Наивысшие значения напряжений возникают в образцах из двухфазной стали 20ХЛ при двух температурах: температуре начала фазового превращения (tн(γ→α)) и комнатной температуре (20 °С). Однако их уровень не превышает временное сопротивление разрыву σв (t).
Бесплатно
Расчет физико-химического взаимодействия титановых сплавов с материалами литейной формы
Статья научная
Термохимическая инертность форм - одно из основных условий получения качественных отливок из титановых сплавов. Применяемые в литейном производстве огнеупорные формовочные и связующие материалы активно взаимодействуют с титаном. Поэтому термохимическая стойкость форм может быть повышена выбором наиболее инертных по отношению к титану исходных формовочных и связующих материалов и разработкой оптимального технологического процесса. Для оценки возможности взаимодействия титана при заливке в формы с формовочными материалами Al2O3, ZrO2, Y2O3 и связующими на основе SiO2 рассмотрены основные вероятные реакции и рассчитаны изменения изобарно-изотермического потенциала (энергия Гиббса). Рассматривалось протекание реакций при температуре 1700 °С (температура плавления 1668 °С), при условии, что титан находится в жидком состоянии. Исходя из расчетных значений ΔZ (ΔG) рассмотренных реакций показано, что реакция восстановления титаном оксида иттрия, циркония и алюминия термодинамически невозможна. В условиях России экономически неоправданно использование в качестве формовочных материалов окислов иттрия и циркония для получения оболочковых форм при литье титановых сплавов. Появление же альфированного слоя на отливках титановых сплавов при использовании связующего на основе SiO2 вызвано, как показали термодинамические расчеты, протеканием реакций с образованием алюмосиликатов, ухудшающих химическую стойкость формы и ее огнеупорность. Для получения качественных отливок из титановых сплавов экономически целесообразно использование оболочковых форм на основе электрокорунда с обязательной заменой связующих на основе SiO2 на алюмозоли.
Бесплатно
Расчет химических потенциалов компонентов наночастиц
Статья научная
Получено простое выражение для расчета химических потенциалов компонентов в изотропных конденсированных наночастицах на основе соответствующих значений в объемных фазах. В первом приближении была учтена зависимость поверхностного натяжения от размера частиц. Для расчета необходимо знать зависимости от состава поверхностного натяжения и молярного объема соответствующей объемной фазы. Выражение удобно для изучения изменений состава наночастицы во время ее роста. Это выражение полезно для металлургии (образование неметаллических включений), аналитической химии (образование осадков), нанотехнологий (образование нанокристаллов в аморфных металлах) и других отраслей науки и техники. Предложенный метод может быть легко обобщен для анизотропных нанокристаллов.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена оценке возможности современных инженерных компьютерных технологий для оперативной численной оценки параметров сварочного процесса, влияющих на образование холодных трещин в зоне термического влияния (ЗТВ). Холодные трещины являются типичным дефектом сварных соединений среднелегированных и высоколегированных сталей. Широкое распространение компьютерных средств позволяет применять вычислительные возможности MathCAD для решения технологических вопросов на основе классической модели тепловых сварочных процессов. Установлено, что наибольшие значения мгновенной скорости охлаждения в зоне термического влияния возникают на границе оплавления, причем по мере снижения погонной энергии происходит увеличение мгновенных скоростей охлаждения. Поэтому образование холодных трещин (отрывов) между швом и ЗТВ обусловлено в значительной степени образованием закалочных структур. При увеличении погонной энергии в 10 раз ширина зоны оплавления возрастает примерно в 3 раза, а мгновенная скорость охлаждения снижается на порядок, что позволяет предотвращать образование холодных трещин путем выбора режимов с увеличенной погонной энергией. Увеличение погонной энергии режима сварки в 10 раз ведет к десятикратному увеличению продолжительности и трехкратному увеличению ширины зоны перегрева, что снижает прочностные характеристики металла и потому ограничивает возможности регулирования погонной энергии для снижения величины мгновенной скорости охлаждения. На периферии ЗТВ, где максимальная температура не превышала 150 °С, низкие мгновенные скорости охлаждения не могут явиться причиной образования закалочных структур, поэтому основными причинами образования холодных трещин в указанной зоне являются остаточные сварочные напряжения или диффундирующий водород. При разных значениях погонной энергии наблюдаются устойчивые соотношения радиус-векторов с соответствующими им изотермами, что может быть использовано на практике для оценки размеров ЗТВ в зависимости от ширины сварного шва. Использование вычислительных возможностей MathCAD позволяет в оперативном порядке оптимизировать режим сварки с тем, чтобы предотвратить образование холодных трещин и исключить перегрев металла в зоне термического влияния.
Бесплатно
Расчетная оценка локального индентирования сэндвич-панели
Статья научная
Представлен анализ локального индентирования сэндвич-структур с тонкими ортотропными обшивками и сотовым заполнителем. Индентирование рассматривается в качестве первого приближения процесса поглощения энергии при низкоскоростном ударном нагружении сэндвич-панелей. Использование ортотропной схемы позволяет обобщить анализ для исследования механического поведения изотропной металлической сэндвич-панели. В общем случае энергия рассеивается в результате локального индентирования обшивки и общего изгиба сэндвич-панели. При ударе вблизи места закрепления панели реализуется механизм локального индентирования. Для его описания разработана аналитическая модель, использующая допущения об идеальном упруго-пластическом поведении сжимаемого сотового заполнителя и мембранном поведении тонкой ортотропной обшивки при индентировании. Дополнительное упрощение реальной гладкой формы деформированной поверхности ортотропной обшивки сэндвич-панели кусочно-линейной поверхностью в зоне локального трансверсального нагружения дает возможность получить расчетные соотношения, позволяющие оценить напряженно-деформированное состояние и прочность панели при индентировании на значительную глубину. Экспериментальная проверка аналитической модели выполнена на двух видах сэндвич-панелей, имеющих различные типы слоистых обшивок: из однонаправленного углепластика с укладкой слоев [45/-45]s или тканевого арамидного пластика(укладка слоев [0/90]). Обе структуры имели сотовые заполнители, выполненные из пропитанной связующим бумаги типа Nomex или одного слоя стеклоткани. Длина стороны ячейки составляла 2,5 мм. Испытания проведены на INSTRON 5882 (машина для квазистатических испытаний) с использованием навесного экстензометра и программного обеспечения Bluehill2. Для получения механических характеристик обшивок проведены испытания на квазистатическое растяжение образцов, вырезанных из сэндвич-панели. Результаты анализа находятся в хорошем соответствии с полученными экспериментальными данными и могут быть использованы при оценке энергии удара, поглощенной панелью, путем интегрировании расчетных кривых «локальная нагрузка - перемещение».
Бесплатно
Статья научная
Энергосиловые параметры процесса волочения зависят от таких технологических факторов, как механические свойства обрабатываемого материала, склонность его к упрочнению при холодной деформации, единичная степень деформации, коэффициент трения на контакте «металл - волока», конструктивные параметры волоки, скорость волочения. От точности определения энергосиловых параметров зависит стабильность (безобрывность) процесса, эффективная и безаварийная загруженность волочильной машины, обоснованность выбора волочильного оборудования при проектировании производственных линий. В настоящей статье разработана методика расчета энергосиловых параметров процесса волочения в монолитных волоках на прямоточных волочильных машинах. Предложенная методика расчета усилия волочения проволоки позволяет учитывать упрочнение при холодной пластической деформации обрабатываемого сплава, параметры очага деформации при монолитном волочении, а именно степень деформации, рабочий полуугол волоки, трение на контакте «металл - волока». Определение скорости волочения осуществляется из особенностей процесса волочения на машинах прямоточного типа, т. е. повышение скорости волочения от прохода к проходу осуществляется на величину коэффициента вытяжки в волоке. Мощность, потребляемая электродвигателями каждого тянущего барабана, определяется усилием волочения и линейной скоростью волочения в данном проходе. Экспериментальная проверка методики определения усилия волочения, проведенная на автоматизированном лабораторном волочильном стане, показала ее адекватность. Ошибка между расчетными и экспериментальными значениями усилия волочения не превышала 12 %, что допустимо при выполнении оценочных расчетов энергосиловых параметров процесса волочения проволоки. Предложенная методика расчета энергосиловых параметров процесса волочения проволоки в монолитных волоках на станах прямоточного типа может быть полезна при анализе и корректировке действующих маршрутов волочения проволоки, оценке эффективности использования волочильных машин, при выборе и проектировании нового волочильного оборудования, разработке технологии изготовления проволоки.
Бесплатно
Расчеты стандартных энтальпий и энергий Гиббса образования карбидов хрома произвольного состава
Статья обзорная
Бесплатно
Статья научная
Проведено исследование пластического течения материала в процессе осадки в подкладных кольцах при изменении условий контактного трения посредством различных видов смазки в рамках расширения технологических возможностей процесса для реализации возможности изготовления более широкой номенклатуры поковок. Исследована зависимость формоизменения при комбинированном трении образцов для увеличения степени выдавливания ступицы и снижения величины бочкообразности для снижения нормы расхода и возможности снижения величины припуска на ковку. Установлено, что при увеличении коэффициента контактного трения посредством нанесения смазки на торец кольца и снижении значения трения в полости инструмента увеличивается степень выдавливания ступицы. Определено, что увеличение контактного трения на поверхности кольца снижает скорость роста диаметра критической поверхности и способствует более благоприятному заполнению ступицы поковки, тем самым увеличивая технологические возможности операции. Проведение экспериментальных исследований проводилось на свинцовых образцах. В качестве смазки использовалось мыло, мел, солидол. Суть эксперимента заключалась в увеличении коэффициента трения посредством нанесения фрикционной смазки на верхний торец подкладного кольца и нанесении антифрикционного материала во внутреннюю полость кольца. Наиболее приемлемые результаты получила комбинация смазок «мел - мыло», которая позволила увеличить величину ступицы поковки на 10,8 %. Безусловно, что применение мыла в условиях горячей обработки металлов невозможно, однако данный эксперимент был проведен с целью изучения возможности расширения технологических возможностей процессов ковки. Также данная технология применима для процессов как листовой, так и объемной штамповки. Помимо применения смазки предлагается использование процессов селективной лазерной наплавки антифрикционных материалов. Данный метод позволяет уже управлять величиной контактного трения непосредственно для горячих процессов штамповки и ковки.
Бесплатно
Рафинирование и модифицирование сплавов рециклинговыми наноструктурированными материалами
Статья научная
Современный этап развития металлургии связан с созданием эффективных материало- и энергосберегающих технологий, обеспечивающих комплексное использование сырья. В этом отношении представляется перспективным использование в процессах подготовки литейных сплавов рециклинговых наноструктурированных материалов, таких как высокодисперсный алмазный порошок, являющийся сопутствующим продуктом при получении искусственных алмазов, и мелкофракционные отходы производства электродов. В результате исследований разработаны способы рафинирования и модифицирования чугуна и алюминиевых сплавов указанными материалами. Разработанный способ рафинирования и модифицирования чугуна позволяет устранить пироэффект и повысить физико-механические свойства отливок за счет измельчения зерна и уменьшения склонности к отбелу при кристаллизации расплава. Модифицирование алюминиевых сплавов тугоплавкими частицами наноструктурированного алмазного порошка приводит к измельчению структурных составляющих, в том числе создаются условия для диспергирования упрочняющих интерметаллидов при последующей термообработке таких отливок. В результате существенно улучшаются литейные свойства сплава и физико-механические характеристики отливок. Разработанные способы рафинирования и модифицирования сплавов могут быть использованы в отечественных и зарубежных литейных цехах при изготовлении продукции для нужд машиностроения, металлургии, авиации и других областей промышленности.
Бесплатно
Рафинирование стали вдуванием порошкообразных материалов
Статья научная
Приведены результаты применения разработанной комплексной технологии рафинирования конструкционных легированных сталей ответственного назначения вдуванием порошкообразных материалов в дуговой печи и в ковше для глубокой дефосфорации, десульфурации и корректировки по содержанию углерода. Сформулированы основные положения технологии глубокой дефосфорации металла, включающие состав, расход и гранулометрию дефосфорирующей смеси, состав и температуру металла, положение фурмы и интенсивность вдувания, обеспечивающей за 5-6 мин вдувания смеси в струе кислорода снижение концентрации фосфора до следов и получение его в готовом металле не более 0,005 %. Последующая глубокая десульфурация стали достигается вдуванием в струе аргона порошкообразной смеси в ковше. Рассмотрено влияние состава и расхода десульфурирующей смеси на полноту удаления серы. Введение в шлаковую смесь извести и плавикового шпата высокоактивных реагентов (сплавов кальция и алюминия) значительно повышает скорость и степень десульфурации, обеспечивая за короткое время продувки содержание серы в стали на уровне 0,002 %. Показано, что при вдувании порошка кокса успешно решается проблема корректировки стали по содержанию углерода, что особенно важно при плавке стали в высокомощных дуговых печах. Применение комплексной технологии обработки стали вдуванием порошкообразных материалов в печи и ковше обеспечивает получение в готовом металле стабильно низких содержаний фосфора (≤ 0,005 %), серы (≤ 0,003 %) и неметаллических включений.
Бесплатно
