Компьютерное моделирование в заготовительном производстве

Организация производства и разработка технологии изготовления уникальной крупногабаритной обечайки является сложной технической задачей. Она решалась комплексно с предварительным компьютерным моделированием основных этапов производства заготовки. До недавнего времени компьютерное моделирование технологических процессов предполагало решение непростых краевых задач методами математической физики с использованием сложных вычислительных алгоритмов. Сегодня появились мощные специализированные программные комплексы и этот процесс стал более доступным.

В Научно-исследовательском центре (НИЦ) ООО «ТК «ОМЗ-Ижора» моделированию технологических процессов для решения конкретных производственных задач уделяется большое внимание. Имеющееся лицензионное программное обеспечение — система компьютерного моделирования литейных процессов «ПолигонСофт» и программный комплекс Deform — позволяет выполнять инженерные расчёты для решения технологических задач на протяжении всего производственного цикла, включая выплавку и кристаллизацию металла, обработку металла давлением и термическую обработку заготовок любых размеров и габаритов.

В рамках подготовки к производству заготовки удлиненной ОАЗ КР проекта ВВЭР-ТОИ были выполнены расчеты кристаллизации кузнечного слитка, расчеты нагревов слитка массой 420,0 т, и промежуточных заготовок по выносам с учетом реального теплового состояния в процессе непрерывной ковки, проверка работоспособности и оптимизация конструкции раскатного бойка.

Качество металла слитка формируется в основном в процессе его кристаллизации, поэтому его компьютерное моделирование является основополагающим при разработке технологического процесса производства заготовок из новых и сверхкрупных слитков.

При компьютерном моделировании кристаллизации слитка были определены:

— длительность кристаллизации тела и прибыли слитка;

— расположение и геометрические параметры усадочной раковины и усадочной пористости (>1%);

— длительность снятия перегрева и параметры двухфазной зоны в теле слитка при снятии перегрева в теле слитка (как возможной области образования физической и химической неоднородности слитка);

— длительность выдержки слитка в изложнице после снятия прибыльной надставки для остывания литых цапф до температуры 400 С (условие транспортирования), температуры поверхности слитков после выемки из изложницы.

Эти данные в дальнейшем могут быть использованы для оптимизации процессов разливки и кристаллизации, конструкции литейной посуды. В расчетной модели отливка слитка производилась в существующую кузнечную изложницу для слитка массой 420,0 т. На основании изучения зарубежного опыта производства сверхкрупных слитков для формирования прибыльной части слитка предложена конструкция новой цилиндрической прибыльной надставки с литыми транспортировочными цапфами. В результате расчетов кристаллизации сверхкрупного слитка установлено следующее (рис. 1):

• 1. Количество утеплительной смеси принятое в расчете является достаточным при утеплении зеркала металла в прибыли слитка массой 420,0 т для получения плотного тела и открытой усадочной раковины в прибыли глубиной 400 мм.
• 2. На момент снятия перегрева (Т=Тликв) в теле слитка остается конусообразная двухфазная зона, глубина которой составляет 18% от высоты тела слитка. В реальном слитке эта зона может иметь повышенную ликвацию примесей и повышенное содержание неметаллических включений.
• 3. Длительность кристаллизации тела слитка составляет 48 часов. Длительность кристаллизации всего слитка составляет 61,5 часа, включая снятие прибыльной надставки через 48 часов.
• 4. Длительность остывания прибыльных цапф до температуры 400 оС (условие транспортировки) составляет 30 часов после снятия прибыльной надставки. Соответственно, выемка слитка из изложницы возможна через 78 часов после его отливки.
• 5. При выемке из изложницы слиток имеет следующую температуру поверхности тела: верх — 514, середина — 552, низ — 343 оС.

Рисунок 1 Температурные поля и внутренняя пористость сверхкрупного слитка на момент окончания кристаллизации тела слитка и на момент остывания цапф до температуры 400 С.

Предварительно для определения оптимальных выдержек при нагреве на каждый вынос в процессе непрерывной ковки согласно заданной технологии ковки заготовки удлиненной ОАЗ КР на АКК-12 000 специалистами НИЦ был проведен расчет режима нагрева слитка массой 420,0 т и промежуточных заготовок по выносам с применением компьютерного моделирования. По результатам выполненного компьютерного моделирования разработаны технологические рекомендации на нагрев горячего слитка массой 420,0 т и заготовок в процессе непрерывной ковки, включая продолжительность нагрева на каждый вынос с учетом геометрических размеров и температурного состояния промежуточных заготовок, длительность каждого выноса.

Раскатка крупногабаритных обечаек предъявляет особые требования к конструкции кузнечного раскатного бойка, т.к. увеличение его длины приводит к уменьшению жесткости и увеличению прогибов на концах, а простое увеличение толщины бойка неосуществимо из-за малой величины просвета между траверсой и обечайкой. Решение этой проблемы было найдено за счет создания ребер жесткости, расположенных вне зоны деформирующей части бойка. Для этого был выполнен расчет деформации бойка в процессе ковки путем моделирования в программной среде «Deform» процесса раскатки усилием, соответствующим максимальному усилию пресса. Геометрическая модель раскатного бойка представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 Модель раскатного бойка для расчета напряжено-деформированного состояния при раскатке.

Такой боек для пресса 120МН АКК-12 000 ООО «ОМЗ-Спецсталь» был изготовлен и успешно применен при раскатке удлиненной ОАЗ КР проекта ВВЭР-ТОИ.

Для подготовки к производству уникальной заготовки удлиненной ОАЗ КР проекта ВВЭР-ТОИ из слитка массой 420,0 т в ООО «ОМЗ-Спецсталь» были выполнены следующие мероприятия:

• — подготовлена литейная посуда для отливки слитка массой 420,0 т;
• — для накопления металла к разливке подготовлено использование 4-х позиций для дугового нагрева при внепечной обработке;
• — спроектирован и изготовлен специальный термос для перевозки автотранспортом сверхкрупного слитка;
• — изготовлена специальная оснастка для выполнения ковки заготовки — раскатной боек и усиленный дорн;
• — в кузнечно-прессовом цехе проведено усиление подины нагревательной печи для нагрева слитка массой 420,0 т;

— проведена комплексная модернизация термической печи для выполнения основной термической обработки заготовок крупногабаритных обечаек высотой до 6 м.

Рисунок 3 Ковка заготовки удлиненной ОАЗ КР проекта ВВЭР-ТОИ новым раскатным бойком на АКК — 12 000.