Тепловые процессы производства крупных поковок

Немзер Г.Г.

Машиностроение, 1979 г.

Глава 1

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КРУПНЫХ ПОКОВОК

Производство крупных поковок состоит из следующих основных стадий (технологических процессов)} изготовление стального слитка, ковка и термическая обработка. Каждая из этих стадий осуществляется при изменяющемся тепловом состоянии металла, которое носит определяющий характер. В известном смысле тепловые режимы (нагрев и охлаждение) являются основой для осуществления технологических процессов: деформационных, термических и т. п. Такое разделение является условным, так как каждая из указанных выше стадий производства характеризуется сложным комплексом взаимосвязанных между собой технологических и теплотехнических процессов. Однако процессы теплообмена и непосредственно связанные с ними явления окисления стали, возникновения напряжений и т. п. (не являющиеся целесообразными с точки зрения технологии) имеют свои специфические особенности, теорию и методы исследования и поэтому могут быть рассмотрены самостоятельно.

1.1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА  КРУПНЫХ  ПОКОВОК.

Описание производства. Крупные поковки изготовляются в кузнечно-прессовых цехах (КПЦ). На схеме 1.1 отражены основные связи между агрегатами (печами и прессом) производства, а также связь КПЦ со сталеплавильным производством.

Стальные слитки поступают в КПЦ либо в горячем состоянии из сталеплавильного цеха, либо холодными Исходное тепловое состояние металла и соотношение между количеством поступающих горячих и холодных слитков оказывают существенное влияние на формирование режимов нагрева и состав печного оборудования в прессовом отделении КПЦ В некоторых случаях для накопления (консервации) поступающих горячих слитков и подогрева холодных выделяется специальная печь, а иногда режим горячей консервации осуществляют непосредственно в нагревательных печах.

Нагрев слитков единично или садками выполняется в печах по режимам, зависящим от их исходного теплового состояния, марки стали и массы с учетом характера последующих технологических операций на прессе. Обычно один пресс обслуживается тремя — шестью нагревательными печами, которые из-за садочного принципа работы являются агрегатами периодического действия.

Крупные слитки в подавляющем большинстве не удается отковать на прессе за один вынос из печи после первого нагрева. Поэтому характерной особенностью производства крупных поковок является наличие повторных нагревов заготовок, осуществляемых в нагревательных печах. Число нагревов, например при ковке слитков массой 100—200 т, может достигать 10—12. Откованные заготовки передаются в горячем состоянии в термическое отделение, в котором имеется обычно четыре — восемь термических печей. В печах происходит накопление поковок и осуществляется предварительная (первичная) термическая обработка (ПТО), назначаемая для поковок в зависимости от марки стали, размеров и назначения. Термические печи являются также агрегатами периодического действия. В некоторых случаях после ковки производится охлаждение поковок на воздухе.

Тепловые режимы нагрева слитков и термической обработки поковок производятся по специальным технологическим инструкциям, использующим, как правило, отраслевые нормативы. Несовершенство действующих инструкций определяется тем, что их нормативная база отражает лишь простейшие связи между различными факторами либо вовсе их не учитывает (например, между продолжительностью нагрева и формой поковок или геометрией садки). В связи с этим большинство тепловых режимов на практике устанавливается опытным путем.

Ковка поковок на прессах характеризуется широкой номенклатурой исходных слитков по массе, маркам сталей, конфигурации и способам выплавки, разнообразием технологических операций ковки и назначением поковок. Производство крупных поковок массой более 5—10 т относится к индивидуальному производству. Изготовление поковок массой 100—200 τ и более носит уникальный характер. Некоторое представление об этом дает такая характеристика по кузнечно-прессовому цеху средней мощности: число групп обрабатываемых слитков по массе и конфигурации— 5—12, число режимов нагрева—10—16, число режимов предварительной термообработки—10—20, число технологических операций ковки — 8—15. В пределах каждого из перечисленных параметров это в несколько раз больше, чем в прокатном производстве.

Все тепловые операции (нагрев и термообработка), а также управление ими осуществляются в пределах реального печного оборудования. Это обстоятельство связывает воедино процедуры управления, технологию, структуру и состав средств нагрева и объясняет необходимость применения методов управления при рассмотрении большинства технологических, в том числе и тепловых процессов.

Особенности КПЦ как объекта управления. Кузнечно-прессовый цех является сложной производственной системой, к основным особенностям которой можно отнести следующие: нестабильность материально-временных связей со сталеплавильным производством; мелкосерийность и уникальность; значительные различия длительностей производственного цикла на всех участках; чередование поштучной и групповой обработки заготовок; необходимость многократных нагревов; вероятностный характер продолжительности технологических операций; наличие брака на ковочных операциях и поковок, возвращающихся на правку и повторную термообработку; жесткость связей между агрегатами основных участков; несовершенство технологических инструкций, а в ряде случаев и средств нагрева и термообработки.

В этих условиях эффективное планирование работы внутрицехового оборудования (прессов, манипуляторов, печей) связано с преодолением значительных трудностей.

Нестабильность связей КПЦ со сталеплавильным производством делает входной поток слитков практически неуправляемым. С целью ослабления влияния неупорядоченности входного потока на производственный процесс в самом КПЦ используется операция горячей консервации. Структура входного потока при этом упорядочивается в процессе оперативного управления цехом путем преимущественной обработки одних слитков за счет задержки на консервации других. Необходимо отметить, что на всех этапах производства процедуры оперативного управления реализуются только путем изменения последовательности обработки слитков на прессе, т. е. перевода части их в режим горячей консервации.

Непрерывность теплового цикла в КПЦ требует, чтобы все операции, как технологические (нагрев и термообработка), так и управленческие (накопление на прессовом и термическом участках), проводились непосредственно в печах. Это накладывает определенные ограничения на процедуры управления, жестко связывая его возможности с имеющимся печным оборудованием. При недостаточном числе печей реализовать сколько-нибудь эффективное управление невозможно, и приходится, например, в дополнение к имеющемуся запасу горячих слитков на консервации, создавать резерв из холодных слитков.

Основным источником трудностей при управлении КПЦ является сочетание групповой обработки слитков и поковок в печах с их индивидуальным прохождением через пресс. При большом объеме садки в печи она не всегда может быть сформирована за счет одной партии слитков, прибывающих из сталеплавильного цеха, и для ее накопления требуется определенное время, в течение которого печь не используется по своему прямому назначению. Иногда для этой цели выделяется специальная печь-копильник. Кроме того, при группировке поковок в садки в термических печах также должен быть учтен вид потребной термической обработки, а в нагревательных печах — число переналадок пресса и ряд иных обстоятельств. При взаимодействии пресса и средств нагрева могут возникать простои печей в ожидании выработки садки либо из данной печи, либо из предшествующей.

При наличии достаточного количества печей возможна независимая организация накопления садок на прессовом и термическом участках, что требует дополнительных мощностей на перегруппировку. В тех случаях, когда мощностей недостаточно, при формировании садок учитываются потребности какого-либо одного участка (обычно, термического), а при особо неблагоприятных сочетаниях структуры входного потока и количества печных мощностей приходится идти на ослабление ограничений на формирование садок путем уменьшения числа режимов термообработки или их совмещения.

Перечисленные обстоятельства являются определяющими в характеристике КПЦ и должны учитываться при разработке соответствующих процедур управления, особенно в связи с проведением   реконструкций   КПЦ  и    внедрением    автоматизированных ковочных комплексов.

Применяют слитки и с большим числом граней (до 24). С увеличением массы слитка, как правило, ухудшается ею качество: повышается газонасыщенность, развиваются осевая и внеосевая ликвация и пороки усадочного происхождения В связи с этим широко проводятся изыскания по взаимосвязаннму комплексу вопросов: оптимальная геометрия и способ производства слитка и разработка новых технологических схем деформирования.

Одним из путей повышения качества слитков и поковок является изыскание рациональных форм слитков Разработаны и осваиваются новые формы слитков: полые, с коническо-цилиндрической формой прибыли, центросимметричными гранями, трех- в четырехлучевые, эллиптические, с отношением высоты слитка к его диаметру, равным единице и др.

Разнообразие форм, способов производства, марок сталей, особенности структуры и строения стального слитка, сложность учета масштабного фактора резко усложняют разработку обобщенных представлений о его теплофизических свойствах и геометрии Поэтому данных, на основе которых обычно строится тепловая модель слитка, крайне мало (вопросы формирования слитка рассмотрены в работе [130]  и других, указанных в прилагаемом к ней списке литературы). Реальный стальной металлургический слиток [158] при анализе теплового состояния без существенного искажения температурного поля не может быть отнесен к телам простой формы.

1.2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ.

Тепловой процесс производства крупных поковок представляет собой совокупность режимов, протекающих непрерывно от момента начала формирования слитка в изложнице и до завершения предварительной термической обработки (ПТО) поковок. Тепловой режим слитка (заготовки) определяется последовательностью процессов нагрева и охлаждения, основными из которых являются: охлаждение слитка после разливки и при передаче из сталеплавильного в кузнечно-прессовый цех, горячая консервация (накопление) и подогрев холодных слитков в печах-копильниках, нагрев перед ковкой, охлаждение нагретого слитка (заготовки) на воздухе при транспортировке и в процессе обработки давлением, промежуточные нагревы между деформациями, консервация поковок в термических печах и проведение в них различных операций нагрева и охлаждения — режимов ПТО. Динамика теплового процесса производства крупных поковок представляет собой в общем виде разомкнутый нестационарный цикл (рис. 1.2), протекающий при изменяющихся краевых условиях, и одной из главных особенностей которого является сочетание непрерывности тепловых процессов и периодического характера работы технологического и нагревательного оборудования.

Тепловой процесс характеризуется значительным температурным интервалом, большой продолжительностью всего цикла и прежде всего режима ПТО, измеряемых десятками и сотнями часов.