Моделирование температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерных рельсов

• Автор: Скосарь, Екатерина Олеговна
• Шифр специальности: 05.16.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 117 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
1Л. Современные способы и технологии производства
рельсов
1.2. Требования к качеству рельсов
1.3. Анализ температурных условий прокатки
1.4. Развитие технологии термической обработки рельсов
1.5. Программные средства для моделирования процессов 32 деформации
1.6. Исследования технологических процессов производства 37 рельсов
1.7. Выводы. Определение цели и задач диссертационной 38 работы
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ В СИСТЕМЕ «ИЕЕОКМ-ЗИ» 41 ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ ПРОКАТКИ РЕЛЬСОВ
2.1. Выбор стана и условий для проведения моделирования
2.2. Методика конечно-элементного моделирования 44 температурных полей
2.2.1 Создание геометрической модели калибров и 44 валков
2.2.2 Создание библиотеки материалов
2.2.3 Задание исходных данных и граничных условий
2.2.4 Численное моделирование процесса прокатки 52 рельсов
2.2.5 Отображение и обработка расчетных данных
2.3. Определение закономерностей изменения температуры 54 по длине раската
2.4. Анализ температурных полей в поперечных сечениях 57 раската
2.5. Напряженное состояние металла
2.6. Температурное и напряженное состояние чистового 63 раската
2.7. Выводы

3. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ АНАЛИТИЧЕСКИМИ 67 МЕТОДАМИ
ЗЛ. Методика расчетов
ЗЛЛАлгоритм расчета изменения температуры по длине 68 раската
ЗЛЛАлгоритм расчета изменения температурного поля в 69 поперечных сечениях раската
3.2. Анализ температурных режимов прокатки рельсов на 70 действующем рельсобалочном стане. Экспериментальная проверка
3.3. Расчет температурных полей длинномерных рельсов на 77 универсальном рельсобалочном стане
3.4. Выводы
4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ 82 ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1. Выбор способа и устройства для термообработки рельсов
4.2. Совершенствование способов охлаждения рельсов при 83 термообработке
4.3. Рационализация использования методов расчетов
4.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Результаты моделирования температурных полей и напряженного состояния металла при прокатке длинномерного рельса Р65 на универсальном рельсобалочном стане
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Справка об применении результатов исследования при разработке проекта реконструкции прокатного цеха №3 с установкой универсального рельсобалочного стана на ОАО «ЧМК»

ВВЕДЕНИЕ
Одной из важных государственных задач в настоящее время является повышение эксплуатационного ресурса и качества железнодорожных рельсов. Отечественные рельсы, выпускаемые Нижнетагильским и Новокузнецким металлургическими комбинатами по своим эксплуатационным свойствам значительно уступают лучшим зарубежным аналогам (рельсам Японии, Франции, США, Австрии и др. производителей) и не удовлетворяют постоянно возрастающим современным требованиям грузовых и пассажирских перевозок [1-4]. ОАО «Российские железные дороги» поставлена задача к 2030г увеличить объем грузовых перевозок в 1,7 раза (до уровня 2,4 млрд.т в год), повысить ресурс рельсов на прямых участках путей до 1500-2500 млн.т груза брутто (вместо 600-800 млн.т брутто в настоящее время), увеличить маршрутные скорости движения пассажирских поездов на высокоскоростных магистралях до 250-350 км/ч, перейти на использование рельсов длиной до 100м (вместо 25м в настоящее время) с целью уменьшения количества сварных швов на железнодорожном полотне [5, 6].
Получить рельсы, удовлетворяющие указанным требованиям, на действующих линейных рельсобалочных станах ОАО «НТМК» и ОАО «НКМК» практически невозможно. В передовых зарубежных странах (Япония, США, Австрия, Китай и др.) для производства высококачественных длинномерных рельсов применяют современные рельсобалочные станы, снабженные непрерывно-реверсивными группами универсальных четырехвалковых и вспомогательных двухвалковых клетей, а также устройствами для термоупрочнения рельсового раската [7, 8 и др.]. С учетом этих тенденций первый в России такой стан сооружается в настоящее время на Челябинском металлургическом комбинате. В предпусковом периоде этого стана целесообразно провести научный анализ и обоснование рациональной технологии производства длинномерных рельсов.

Программный комплекс DEFORM-3D разработан для научного исследования и решения производственных задач практически всех процессов, применяемых в обработке металлов давлением (ковка, штамповка, прокатка, прессование и др.), а также операции термической и механообработки (фрезерование, сверление и др.). Однако до настоящего времени в России он применялся в основном для моделирования технологии ковки, объемной штамповки, прессования, раскатки колец и дисков [104, 105, 59-62, 111 и др.]. Для процессов сортовой прокатки этот программный комплекс до настоящего времени он находит ограниченное применение. Моделирование процессов прокатки в системе DEFORM-3D впервые приведено P.A. Литвиновым [18].
Система DEFORM-3D состоит из трех программных модулей:
1. Pre Processor (назначение исходных данных).
2. Simulator (решатель задачи).
3. Post Processor (обработка и отображение результатов расчета).
В первом модуле (Препроцессор) формируются условия задачи, которые необходимы для запуска процесса моделирования. Исходные данные, необходимые для расчета, включают в себя следующие процедуры [104]:
— описание объектов (геометрическая модель, конечно-элементная сетка заготовки, материал и температура инструмента);
— назначение параметров (скорости, температуры, коэффициента Пуассона, модуля упругости и прочее);
— реологическая среда обрабатываемого металла (упругая, упругопластическая, жесткопластическая, пористая);
— данные материала заготовки, описывающие поведение, в которых будет моделироваться процесс ОМД (задаются из базы материалов либо рассчитываются самостоятельно и загружаются в DEFORM-3D);
— контактное взаимодействие объектов друг с другом (характер взаимодействия, трение и теплопередача между ними);