Разработка эффективных ресурсосберегающих технологий производства крупногабаритных моноблочных плит и изделий из них
На правах рукописи
КОБЕЛЕВ Олег Анатольевич
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ
ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА КРУПНОГАБАРИТНЫХ
МОНОБЛОЧНЫХ ПЛИТ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ
Специальность 05.16.05 – «Обработка металлов давлением»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва - 2010
Работа выполнена на кафедре «Технология и оборудование трубного производства» Национального исследовательского технологического университета «Московский институт стали и сплавов».
Научный консультант:
Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук,
профессор Тюрин Валерий Александрович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Синицкий В.М.
доктор технических наук, профессор Чиченев Н.А.
доктор технических наук, профессор Шелест А.Е.
Ведущее предприятие: ФГУП ПО «Баррикады»
Защита состоится « 22 » декабря 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212. 132. 09 при Национальном исследовательском технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» по адресу:
117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д.4..
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан «____» ______________ 2010 г.
Справки по телефону: (495)- 955-01-27
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук, профессор С.М. Ионов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одна из тенденций развития современного тяжелого, энергетического, химического, судостроительного и специального машиностроения - рост мощностей в одном агрегате, что требует проектирования и изготовления крупногабаритных поковок ответственного назначения. К ним можно отнести поковки массой 50-300 т, получаемые ковкой из слитков массой 70-420 т, например, поковки для изготовления элементов корпусов атомных реакторных установок, корпусов циркуляционных насосов, АЗУ и др. Эти поковки, помимо весовых характеристик, объединяет высокий уровень требований к качеству металла и служебным свойствам, а также малая серийность производства, практически предельное использование силовых и конструкционных возможностей существующего технологического оборудования (сталеплавильного, кузнечно-прессового, нагревательного, термического, подъемно-транспортного). В последнее время возрастает потребность в крупных поковках, в том числе поковках типа толстых плит, удельный объем которых в кузнечно - прессовом производстве непрерывно растет. Так, изготовление корпусов современных энергетических атомных установок требует для штамповки днищ корпусов плиты толщиной 250-350 мм и более с размерами в плане от 5500x5500 до 8500x8500 мм.
Современное прокатное оборудование (блюминги, слябинги) не позволяет получить в настоящее время качественные плиты таких размеров. Известные способы получения крупногабаритных плит методами сварки двух или нескольких катаных или кованых заготовок характеризуются значительной трудоемкостью, малым коэффициентом использования металла, не обеспечивают высокую надежность изделий, т.к. при изготовлении корпусов неизбежно получение пересекающихся сварных швов, что недопустимо при производстве узлов энергетических установок.
Использование для производства плит толстостенных трубных заготовок, получаемых способами прессования, пилигримовой прокатки, ковки на ротационно-обжимных машинах и др., не дает возможности изготавливать плиты требуемых размеров. Анализ многочисленных схем ковки широких плит с осадкой или без осадки слитка показывает, что существенным их недостатком является низкое качество металла, поскольку при использовании этих процессов дефектный металл осевой зоны слитка остается в теле поковки. Кроме того, ширина готовой плиты в этих способах ограничена расстоянием между колоннами ковочного пресса. Получение толстостенных трубных поковок, предназначенных для их последующего развертывания тем или иным способом в плиту, традиционными способами ковки, включающими операции осадки, прошивки, протяжки и раскатки на оправке, встречает серьезные затруднения, вызванные как силовыми, так и конструкционными параметрами действующего кузнечно-прессового и подъемно-транспортного оборудования.
Поэтому разработка и освоение новых эффективных технологических схем производства крупногабаритных моноблочных (изготовленных из одного слитка) плит, предназначенных для изготовления из них изделий ответственного назначения и обеспечивающих снижение трудоемкости, сбережение материальных и энергетических ресурсов, повышение надежности изделий, является важной народнохозяйственной проблемой.
Исследования проводили в соответствии с Постановлениями Правительства РФ №705 от 20.09.2008г. « О программе деятельности ГК по атомной энергии «Росатом» на долгосрочный период (2009-2015 годы)»; изначально работа проводилась в соответствии с «Программой развития атомной энергетики РФ на период до 2010 года», а также с планом работ по проекту 3081.2 Международного научно-технического центра.
Цель и задачи работы. Цель работы – исследование, разработка и освоение новых эффективных комплексных технологических процессов производства крупногабаритных моноблочных плит, предназначенных для изготовления из них изделий ответственного назначения и обеспечивающих снижение трудоемкости, сбережение материальных и энергетических ресурсов, повышение надежности изделий.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
-обоснование на основе анализа современных тенденций развития технологий получения крупногабаритных толстых плит выбора новых вариантов и технологических схем их получения;
-создание и внедрение в производство технических и технологических решений, обеспечивающих разработку новых и совершенствование существующих технологий, сокращение трудовых, материальных и энергетических затрат;
-разработка на основе результатов лабораторных исследований, физического и компьютерного моделирования, опытно-промышленного опробования новых схем и конструкций кузнечного инструмента для прошивки слитков (заготовок), протяжки и раскатки на оправке крупногабаритных полых поковок, развертки их в плоские плиты;
-разработка методики расчетов температурных полей применительно к операции прошивки предельно высоких заготовок (H/D 1,5-2,0) с неравномерным температурным полем для обеспечения контролируемого изменения сопротивления деформации по сечению и высоте поковки;
-разработка методики расчетов ковки крупных поковок в условиях неоднородного температурного поля на основе теории неизотермической деформации нелинейной вязко-пластической среды с деформационным и скоростным упрочнением, зависящим от температуры и структурных параметров;
-разработка и внедрение эффективных и экономичных процессов производства крупногабаритных моноблочных плит размером 5500х5500х280 мм, предназначенных для получения из них изделий ответственного назначения с повышенной надежностью, высокими служебными и эксплуатационными характеристиками;
-исследование структуры, механических и физических свойств стали 15Х2НМФА на разных стадиях производства крупногабаритных моноблочных плит и бесшовных днищ большого диаметра;
-разработка на основе анализа современных возможностей сталеплавильного, кузнечно-прессового, нагревательного, подъемно-транспортного оборудования ведущих предприятий Российской Федерации технологической схемы производства плит размером 7600х7600х360 мм и более для изготовления их них днищ корпусов реакторов нового поколения.
Научная новизна состоит в создании научно обоснованных технических и технологических решений в области ковки крупных поковок и разработке принципиально новых подходов к проектированию технологических процессов производства широких (шириной 5500 мм и более) толстых моноблочных плит.
Разработана на основе общей теории теплопередачи и теплопроводности методика расчета температурных полей крупных кузнечных слитков для обеспечения требуемого изменения сопротивления деформации в теле поковки. Рассчитаны температурные поля кузнечных заготовок из слитков массой 15-420 т диаметром 900-3500 мм при их охлаждении на воздухе и продолжительность охлаждения кузнечных заготовок перед прошивкой для обеспечения требуемого градиента температур по сечению; установлен экспериментально характер изменения температуры по сечению слитка массой 39 т диаметром 1350 мм при его охлаждении на воздухе. Предложена методика моделирования и реализации неоднородных температурных полей в высоких заготовках (H/D 2,0-2,5) для их последующей прошивки.
Разработана на основе общей теории деформации нелинейной вязкопластической среды с деформационным и скоростным упрочнением методика расчетов операций ковки крупных поковок с неоднородным температурным полем, учитывающая различный характер тепловых процессов и формируемых температурных полей на разных этапах технологического процесса. Установлено влияние степени деформации, конфигурации осадочных плит, наличия в них осевых отверстий на степень закрытия дефектов в осевой зоне при осадке перед последующей прошивкой. Предложены на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований и подтвержденные в промышленных условиях новые технические решения по прошивке крупных высоких заготовок; протяжке и раскатке на оправке полых заготовок с внутренним диаметром свыше 1500 мм и длиной более 5500 мм; развертке толстостенных трубных поковок в плоские плиты, позволяющие осуществление этих операций на действующем кузнечно - прессовом оборудовании.
Установлено на основе результатов физического и компьютерного моделирования влияние конфигурации и параметров плоского и клинового инструмента, технологических параметров процесса на эффективность развертки крупных полых поковок. Выявлены закономерности влияния режимов пластических и термических обработок на разных стадиях производства плит и днищ из них на структуру, физико–механические и технологические свойства изделий. Разработаны научные основы проектирования эффективных комплексных технологических процессов производства крупногабаритных плит и бесшовных днищ большого диаметра.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработаны на основе результатов данной работы, внедрены и используются на практике новые технические и технологические решения по изготовлению крупногабаритных толстых плит и бесшовных днищ большого диаметра, которые затруднительно или невозможно получить традиционными методами обработки металлов давлением. Предложены новые технологические схемы прошивки сверхвысоких промышленных заготовок и разработаны новые конструкции полых прошивней, обеспечивающие снижение отходов металла за счет изменения формы удаляемого осевого отхода и устранения образования торцевого заусенца на нижнем торце заготовки. Разработаны и внедрены новые способы протяжки с применением новой конструкции оправок ступенчатой формы в моноблочном и сборном исполнениях, позволяющие на универсальном прессовом оборудовании получать толстостенные поковки длиной 5500-8000 мм и внутренним диаметром свыше 1500 мм. Разработаны и внедрены в условиях ЗАО «Атоммаш» конструкции плоского инструмента для развертки толстостенных трубных поковок в плоские плиты. Разработаны и прошли опытно-промышленное опробование новые конструкции клинового инструмента конической и криволинейной формы, позволяющие уменьшить число переходов при развертке и повысить коэффициент использования металла на 10-15 % по сравнению с использованием плоского инструмента. Разработана и внедрена в ОАО «Энергомашспецсталь» и ЗАО «Атоммаш» комплексная технология производства крупногабаритных моноблочных плит из стали 15Х2НМФА с размерами 5500х5500х280 мм, позволившая снизить трудоемкость изготовления изделий в 1,6 раза, расход металла – на 10-15 %, существенно повысить надежность работы корпусов атомных реакторов по сравнению со сварным вариантом получения плит. В условиях ЗАО «Атоммаш» изготовлено восемь днищ корпусов реакторов ВВЭР-1000, удовлетворяющих по своим качественным показателям требованиям технических условий. Разработана на основе анализа возможностей металлургического производства ведущих предприятий Российской Федерации технология производства моноблочных плит с размерами 7600х7600х360 мм для штамповки днищ корпуса реактора ВПБЭР-600, предусматривающая минимальный объем реконструкции производств ОАО «Ижорские заводы» и ЗАО «Атоммаш».
Работа награждена медалями ВДНХ.
Результаты работы используются при проектировании новых технологий обработки металлов давлением в ГНЦ РФ НПО «ЦНИИТМАШ», а также в учебном процессе преподавателями, аспирантами и студентами по специальности «Обработка металлов давлением» в НИТУ «МИСиС» и МГВМИ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на использовании математических и компьютерных методов моделирования, планирования и анализа результатов проведенных исследований; применении современных приборов и методик, их метрологического обеспечения; комплексе экспериментальных исследований, в том числе на уникальном кузнечно - прессовом оборудовании; результатах механических, технологических, металлографических, структурных и других исследований; внедрении разработанных режимов и технологий; на выпуске промышленных партий изделий и результатах контроля их качества.
Личный вклад автора. В представленных работах автором определены основные идеи и направления проводимых исследований [3, 4, 11], предложены и обоснованы новые методы исследования процессов [14, 21, 27-29, 31-33], новые технические решения [5, 6, 10, 13,15-20, 22-25,30,37-41], проанализированы, обобщены и систематизированы результаты собственных исследований, а также других ученых и специалистов в области ковки крупных поковок [1, 8, 26]. При проведении исследований, результаты которых опубликованы в соавторстве, автором определены идеология и постановка научных задач, разработаны расчетные методики и предложены основные идеи технических и технологических решений, выполнен анализ и обобщение лабораторных и промышленных экспериментов. Под руководством и при личном участии автора выполнены промышленные испытания и внедрение результатов работы.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на Международной научной конференции «Материалы и технологии в машиностроении» (г. Москва,1989 г.); научно-технических советах НПО ЦНИИТМАШ (г. Москва,1988-1990, 2010 г.г.); научно-технических секциях АО «Атоммаш» (г. Волгодонск,1990-1995 г.г.); АО «Энергомашспецсталь» (г. Краматорск, 1989-1992 г.г.); Седьмом конгрессе прокатчиков (г. Москва, 2007 г.); У111, 1Х, Х Miedzynarodowa Konferencja Naukova. Nowe technologie i osiagniecia w metalurgii I inzynierii materialowey. Czestochowa, 2007, 2008, 2009 г.; Metal Quality Studies in Manufacturing of Wide Forged Plates European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes “EUROMAT 2007”. Nurnberg, Germany, 2007; X111 Conference of Socidade Portuguesa de Materials “Materiais 2007”, Porto, Portugal, 2007; 1 International Conference on New Materials for Extreme Environmets, San Sebastian (Spain), 2008; научно-технической конференции «Экология, ресурсосбережение, материаловедение в производстве высококачественных металлов» (г. Москва,2008 г.); У Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании (г. Варна, Болгария, 2009 г.); Международной Юбилейной школе-конференции «Прогрессивные технологии пластической деформации» (г. Москва, 2009); научных семинарах кафедр ТиОТП и ПДСС МИСиС (г. Москва, 1988- 2010 г.г.), секции ОМД МГВМИ (г. Москва, 2010г.), секции ОМД ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН (г. Москва, 2010г.). Результаты работы экспонировались на ВДНХ (г. Москва, 1987-1990 г.г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в монографии, 35 статьях, из них - 16 в журналах из перечня ВАК РФ, получено 5 авторских свидетельств на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, библиографического списка из 145 наименований, выводов и приложений; содержит: 235 страниц машинописного текста, 129 иллюстраций, 9 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
- СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОВКИ
КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПЛИТ
Корпуса мощных реакторов, парогенераторов, компенсаторов давления и других установок изготавливают из толстостенных крупногабаритных поковок. Так, для производства днищ корпусов современных энергетических установок нужны плиты с размерами 5500х5500х250 мм и более. Производство крупногабаритных плит в настоящее время осуществляют различными способами обработки металлов давлением и сварки. Условно все плиты можно разделить на три группы: моноблочные (из одного слитка) плиты; плиты, изготавливаемые с помощью сварки нескольких частей; плиты, получаемые разверткой толстостенных трубных поковок большого диаметра.
Изготовление широких моноблочных плит осуществляют, в основном, прокаткой или ковкой. Однако существующее прокатное оборудование и технологии не могут обеспечить получение толстых плит шириной 5000 мм и более. Ковка плит на ковочных прессах заключается в осадке слитка вдоль оси для получения требуемой ширины и последующей проработки литой структуры. Широкое распространение получили способы ковки плит с исключением энергоемкой операции осадки. При этом максимальное уширение металла обеспечивают использованием исходных заготовок специальной формы; изменением контактных условий, конфигурации и размеров рабочей поверхности инструмента и другими приемами. Основной недостаток этих способов – низкое качество кованого металла, поскольку дефектный металл осевой зоны слитка остается в теле поковки. Кроме того, максимальная ширины плиты ограничена величиной расстояния между колоннами ковочного гидравлического пресса.
Изготовление крупногабаритных плит путем электрошлаковой сварки нескольких катаных или кованых заготовок – весьма трудоемкая операция, характеризуется малым выходом годного, нестабильностью технологии и низким качеством. Последующее изготовление изделий, например, приварка полученного сварного днища к корпусу реактора, приводит к получению пересекающихся сварных швов, что значительно снижает надежность эксплуатации этих изделий.
Более перспективным представляется изготовление крупногабаритных моноблочных плит из трубных поковок, что позволяет удалить дефектную осевую зону слитка при прошивке его полым прошивнем. Анализ существующих способов производства полых заготовок на трубопрокатных установках, прессованием, ковкой на ротационно-обжимных машинах, а также на горизонтальных гидравлических прессах методом прошивки-протяжки через кольцевые матрицы показал, что этими способами невозможно получить толстостенные трубные поковки требуемых размеров. Производство трубных поковок для последующей их развертки в крупногабаритные плиты традиционными способами ковки требует исследования и решения некоторых вопросов. Так, необходимо разработать способы прошивки предельно высоких заготовок, устраняющие разностенность, а также значительные торцовые отходы, что позволит существенно уменьшить объем последующей механической обработки. Не разработаны способы протяжки и раскатки на оправке заготовок с длиной, превышающей продольные размеры стола пресса и с внутренним диаметром свыше 1500 мм. Нет надежных способов и кузнечного инструмента для развертки полых заготовок в плоские плиты.
Таким образом, несмотря на значительные достижения в области ковки крупных поковок, проблемы прошивки предельно высоких заготовок, протяжки и раскатки на оправке длинных заготовок с внутренним диаметром свыше 1500 мм, развертки толстостенных трубных поковок в плиты, установление взаимосвязей между параметрами пластической и термической обработки получаемых заготовок и изделий являются недостаточно изученными, что приводит к росту материальных и трудовых затрат при проектировании и изготовлении крупногабаритных моноблочных плит и получаемых изделий из них.
Разрабатываемая комплексная технология производства крупногабаритных плит должна удовлетворять следующим требованиям: обеспечить требуемое качество поковок по структуре и механическим характеристикам; обеспечить проведение технологического процесса ковки на универсальном кузнечно - прессовом оборудовании; соответствовать технологическим параметрам и габаритам подъемно-транспортного, нагревательного и термического оборудования действующих предприятий; снизить трудовые, материальные и энергетические затраты на изготовление продукции; быть конкурентоспособной на мировом рынке; обеспечить возможности механизации и автоматизации технологического процесса, а также проектирование простого в изготовлении и надежного в эксплуатации кузнечного инструмента и сопутствующей оснастки.
Данная диссертация базируется на работах крупных советских и русских ученых, внесших значительный вклад в разработку теории и технологии ковки крупных поковок: Алтыкиса А.В., Антощенкова Ю.М., Балясного И.М., Ганаго О.А., Голубятникова Н.К., Дзугутова М.Я., Ефимова В.Н., Залесского В.И., Зимина А.И., Золотухина Н.М., Иванушкина П.Ф., Камнева П.В., Колмогорова В.Л., Корнеева Д.М., Корнеева Н.И., Мещерина В.Т., Мишулина А.А., Могучева Л.Н., Мохова А.И., Навроцкого Г.А., Немзера Г.Г., Овчинникова А.Г., Охрименко Я.М., Пименова Г.А., Поздеева А.А., Попова Е.А., Прозорова Л.В., Северденко В.П., Соколова Л.Н., Сторожева М.В., Тарновского И.Я., Троицкого В.П., Трубина В.Н., Тюрина В.А., Целикова А.И. и многих других.
В настоящей работе на основе выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технологические и технические решения в области ковки крупных поковок, а именно ковки моноблочных толстых плит с размерами в плане 5500х5500х и более.
- ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОШИВКИ
ПРЕДЕЛЬНО ВЫСОКИХ ЗАГОТОВОК В НЕРАВНОМЕРНОМ
ТЕМПЕРАТУРНОМ ПОЛЕ
Исследование влияния параметров осадки перед прошивкой заготовок на качество металла. В технологии производства крупных полых поковок одной из главных определяющих операций является прошивка сплошным или полым прошивнем вырубленных блоков или осаженных заготовок. Известно, что прошивку рекомендуется проводить на заготовках с отношением Н/Д не более 0,6-0,8, однако и в этом случае не исключено отклонение оси отверстия от оси заготовки, приводящее к разностенности полой поковки, а иногда и к ее браку. Основными причинами, приводящими к этому явлению, являются: температурная неоднородность прошиваемой заготовки, как по ее высоте, так и по сечению; структурная, химическая неоднородность, а отсюда неоднородность механических свойств в теле заготовки; непараллельность торцовых поверхностей заготовки перед прошивкой; несовпадение осей заготовки и прошивня при неправильной установке последнего; неравномерный разогрев прошивня в процессе прошивки, а также его неравномерное деформирование вследствие неоднородности поля сопротивления деформации в заготовке; неравномерный износ прошивня и верхнего бойка пресса.
Для изготовления толстостенных трубных поковок длиной свыше 5500 мм, предназначенных для их развертки в плиты, в качестве исходной для последующих операций раскатки и протяжки на оправке целесообразно использовать предельно высокую заготовку (Н/Д> 1,5-2,0), что требует дополнительных исследований процесса прошивки таких заготовок с тем, чтобы избежать негативных последствий прошивки.
По-видимому, поставленную задачу по разработке технологии прошивки предельно высоких заготовок, обеспечивающей получение качественных полых поковок, можно решить, создавая неоднородное поле сопротивления металла деформированию. Это достигается созданием в теле заготовки неравномерного температурного поля, параметры которого выбирают из условия получения наибольшего перепада прочностных характеристик металла таким образом, чтобы в зонах заданного сосредоточения деформаций температура металла обеспечивала его достаточную пластичность, а в других зонах - повышенное сопротивление деформации. Термозональный фактор целесообразно применять в тех случаях, когда способы прямого деформационного воздействия оказываются малоэффективными по тем или иным причинам; в основном это положение относится к ковке крупных поковок.
Кроме того, прошивке обычно предшествует операция осадки. Однако исследования различных авторов по влиянию параметров осадки как промежуточной операции пред прошивкой, на качество металла, не выявили единого мнения. Существуют разногласия в вопросе о целесообразности применения осадки в тех или иных процессах ковки крупных поковок. Поэтому в данной работе провели анализ и изучение операции осадки перед прошивкой заготовок, а также исследование возможности создания неравномерного температурного поля в заготовках, обеспечивающего получение качественных полых поковок в процессе прошивки.
Для выявления вопроса о целесообразности осадки при ковке крупных полых поковок провели эксперименты по осадке стальных заготовок диаметром 120 мм, высотой 260 мм (Н/Д=2,2). По оси заготовок просверлили сквозное отверстие диаметром 20 мм, в которое последовательно запрессовали шайбы высотой 10 мм с наведенными продольными дефектами в виде сквозных отверстий диаметром 2 мм и сплошные шайбы. В качестве инструмента использовали плоские и сферически вогнутые плиты с отверстием в нижней плите диаметром 60 мм и без него.
Нагретые до температуры 1220 °С заготовки последовательно осаживали на заданную степень деформации (он=20-70 %), охлаждали, их поверхность обрабатывали для проведения ультразвукового контроля. После проведения УЗК и определения степени открытия (закрытия) дефектов образцы вновь нагревали и осаживали до следующей заданной высоты. Контрольные образцы после осадки разрезали по осевой плоскости и исследовали характер деформации наведенных дефектов.
Результаты исследования качества осаженных заготовок показывают, что:
- осадка заготовок применительно к процессу ковки полых поковок не приводит к улучшению качества металла, при малых степенях деформации как при осадке плоскими, так и сферическими вогнутыми плитами, с отверстием под цапфу в нижней плите и без него;
- осадка как предшествующая прошивке операция при ковке полых толстостенных поковок с точки зрения устранения дефектов слитка не представляется целесообразной;
- для снижения деформационной неоднородности в случае необходимости осадку следует производить между плоскими плитами без отверстий, при этом высотная деформация не должна превышать 30 %.
Физическое моделирование и компьютерные расчеты процесса прошивки заготовок в условиях температурной неоднородности. Моделирование температурной неоднородности проводили на заготовках высотой 80 мм и диаметром 60 мм. В качестве материала заготовок использовали свинец, а также сплав ПОС-61 (61 % олова и 39 % свинца). Однородное температурное поле при прошивке моделировали на заготовках из свинца, а неоднородное - на составных заготовках (наружный слой из сплава ПОС-61, внутренний - из свинца). Относительная толщина "жесткого" слоя составляла 60 % от диаметра заготовки. Прошивку заготовок проводили на подкладном кольце полым прошивнем с размерами: Дн=22 мм; Двн=16 мм; Н=25 мм. Сопоставление результатов прошивки (величина отклонения оси прошитого отверстия на нижнем торце заготовки от ее оси) по двум вариантам показало, что при прошивке составной заготовки отклонение осей практически отсутствовало (0-0,5 мм), а при прошивке однородного образца отклонение осей составляло 2,5-3,5 мм.
Кроме того, моделирование процесса прошивки провели на заготовках из стали 45 диаметром 250 мм и высотой 500 мм (Н/Д=2,0). Фиксацию температуры заготовки осуществляли в пяти точках сечения, расположенных в центре, на поверхности и на расстоянии 20, 40 и 80 мм от оси заготовки. В качестве датчиков использовали гибкие хромель-алюмелевые термопары диаметром 1,5 мм. Основную трудность в проведении экспериментов на стальных заготовках представляло создание температурного поля по сечению заготовки, адекватного распределению поля температур в крупных поковках. Комбинированное охлаждение заготовки сначала в воде, а затем на воздухе позволило получить температурный перепад между осевой зоной и поверхностью в пределах 300-350 °С, что дает возможность с достаточной точностью моделировать неравномерное температурное поле в заготовке. Прошивку предельно высокой стальной заготовки с неравномерным температурным полем осуществляли на прессе усилием 15 МН полым прошивнем с размерами: Дн=80 мм; Двн=40 мм; Н=80 мм. Изучение прошитых заготовок, охлажденных комбинированным способом, показало совпадение оси прошитого отверстия с осью заготовки, что подтверждает необходимость прошивки предельно высоких заготовок с неравномерным температурным полем.
Экспериментальные исследования процесса прошивки сплошным и полым прошивнем при физическом моделировании проводили с использованием свинцовых и пластилиновых заготовок. Для компьютерного моделирования использовали вычислительную систему конечно-элементного трехмерного моделирования процессов ОМД. Использовали различные формы и геометрические параметры заготовки, сплошных и полых прошивней. В процессе расчетов и вычислительных экспериментов фиксировали изменение усилия прошивки, вид формы заготовки после прошивки и её размеры, характеристики напряженно-деформированного состояния. В результате анализа данных моделирования установлено, что при прошивке полым прошивнем усилие ниже, чем при прошивке сплошным прошивнем со сферическим торцом на 11 %. Снижение усилия при прошивке полым прошивнем по сравнению с прошивкой сплошным прошивнем с плоским рабочим торцом составило 15%. Результаты исследования показали очевидные преимущества применения полого прошивня с точки зрения энергосиловых характеристик процесса, геометрической точности получаемой поковки и проработки структуры по величине накопленной деформации для осевой дефектной зоны заготовки, удаляемой при прошивке.
Методика расчета температурных полей крупных кузнечных заготовок из слитков массой 15-420 т. При разработке методики расчета неравномерных температурных полей использовали следующие основные правила и допущения:
-упрощенную запись частных производных по пространственным переменным, т.е. примем обозначения:
-для индексированных переменных или одночленов с одинаковыми индексами использовали правило суммирования А.Эйнштейна, например:
akk = a11+a22+a33+…
-нагреваемое и деформируемое твердое тело рассматривали как однородную сплошную изотропную среду, свойства которой (физические и механические) одинаковы во всех направлениях.
-рассматривали медленные процессы нагрева и деформации, поскольку ковку крупных поковок проводят на ковочных гидравлических прессах; при этом пренебрегаем инерционными силами и термическими напряжениями от линейного расширения зон твердого тела с неравномерной температурой, а также упругими деформациями. Для медленных процессов деформации считали, что вектор полного напряжения 
(
, ) и вектор скорости перемещений 
совпадают, а тензорные свойства среды в каждый момент времени линейные
-объемное неравномерное скалярное температурное поле, которое зависит от времени T=T(
,), рассматривали в ортогональном трехмерном евклидовом пространстве с декартовой системой координат Xi для общего случая (i=x,y,z) или цилиндрическими координатами для осесимметричной задачи (i=,, z); температуру T оценивали в градусах Кельвина.
-для записи основных уравнений тепловых процессов и течения вязкопластической среды использовали подход Эйлера. Движение среды в любой момент времени рассматривали в конкретной точке Ax пространства, характеризуемой вектором 
c компонентами Xi, через которую перемещаются материальные точки среды и отслеживается изменение их физических параметров, векторов, в первую очередь скорости перемещений, т. е. 
.
Расчеты температурных полей в сложнопрофильных локально однородных твердых телах при нагреве и охлаждении перед деформацией или после неё в отсутствии формоизменения строили на основе общей теории теплопередачи и теплопроводности, используя в качестве основного уравнение теплопроводности:
(1)
Запись этого уравнения в декартовых или в цилиндрических координатах выглядит соответственно:
(1,а)
, (1,б)
где Т - температура; с = с[Т] - удельная теплоемкость; р = р(Т) -плотность; = (Т) – теплопроводность; Q - интенсивность источников тепла внутри.
На границе области F = F1 F2 F3 задавали условия теплообмена с окружающей средой как частные случаи классических типов граничных условий для уравнения теплопроводности:
(2)
(3)
. (4)
Моделирование процесса теплообмена в каждом конкретном случае заключается в определении формул для расчета классических параметров теплообмена: интенсивности теплового потока q, коэффициента теплообмена, температуры окружающей среды Тsr, либо постоянной температуры границы Тgr.
При этом предусматривают следующие физические процессы:
1. Теплоотдача. В соответствии с законом Ньютона, требуют задания коэффициента теплоотдачи и температуры на границе Тgr, что соответствует граничному условию третьего рода для уравнения теплопроводности:
(5)
где - коэффициент теплопроводности, Т - температура тела [K].
2. Конвекция. Вынужденная и естественная конвекция при заданной скорости обдува и температуре окружающей среды. Соответствует граничному условию третьего рода для уравнения теплопроводности, коэффициент теплоотдачи выражается через физические свойства, температуру и скорость воздуха:
(6)
где Nu - число Нуссельта; - коэффициент теплопроводности воздуха; L - характерный размер тела.
3. Излучение. Теплообмен излучением с окружающей средой, включая взаимное излучение элементов границы тела, при этом необходимо задать температуру окружающей среды. Излучение моделируется граничным условием третьего рода, коэффициент теплоотдачи определяется через закон Стефана-Больцмана. При этом учитывается взаимное излучение участков границы расчетной области. Коэффициент теплоотдачи через i-й элемент поверхности определяется формулой:
(7)
где kb- постоянная Стефана-Больцмана; 0.8e - коэффициент черноты тела; dSj - площадь поверхности тела, принадлежащей i-му элементу; коэффициенты kij определяют угол, под которым i-й элемент поверхности виден из j-го.
- Теплообмен. Объединяет излучение и конвекцию, т.е. уравнения (6)-(7).
- Влияние смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Теплоотдача при наличии СОЖ соответствует граничным условием третьего рода, коэффициент теплоотдачи определяется по имеющимся в программе экспериментальным данным.
- Теплообмен при абсолютном контакте тела с заданным материалом. Контактирующий материал выбирается из списка как при задании свойств материала тела. Это граничное условие соответствует частному случаю граничного условия первого рода, когда температура на границе вычисляется через физические свойства контактирующих материалов:
(8)
7. Тепловой поток q, заданный на границе в виде постоянной величины, т.е. граничное условие точно соответствует граничному условию второго рода для уравнения теплопроводности:
. (9)
8. Изоляция. Задается на участках границы, на которых отсутствует теплообмен. Соответствует граничным условием второго рода, тепловой поток по нормали к поверхности равен нулю:
(10)
9. Постоянство температуры имеет место на участках границы с заданной и фиксированной температурой, что точно соответствует граничному условию первого рода для уравнения теплопроводности:
Т = Тsr. (11)
Методика решения задачи моделирования полей распределения температуры в слитках и заготовках при их нагреве и охлаждении при использовании компьютерных технологий включает четыре основных этапа.
На первом этапе производят разработку геометрической и математической модели формы слитка или заготовки с соответствующими элементами нагревательной оснастки или деформирующего инструмента, контактирующими с поверхностью нагреваемого (охлаждаемого) тела. Этот этап может производиться с помощью любой ВС или САПР для геометрического моделирования.
На втором этапе для модели нагреваемого или охлаждаемого тела задают физические величины и коэффициенты, используемые в расчетах при моделировании тепловых процессов, и зависимости этих величин от температуры. Для поверхности модели тела выбирают начальные и граничные условия теплообмена и производят определение характера рассматриваемой задачи (плоская, осесимметричная или объёмная).
На третьем этапе моделирования производится пошаговое решение краевой задачи теплового процесса. Последний этап моделирования предназначен для вывода полученной промежуточной и окончательной информации.
Примеры расчетов температурных полей при охлаждения заготовки размером 250х500 мм из конструкционной стали 45 на подогретой до 400 оС осадочной плите при моделировании тепловых процессов по представленной выше методике показаны на рис. 1.
 |  |  |  |
 |  |  |
Рисунок 1 - Пример расчета температурных полей в заготовке-биллете 250х500 мм при охлаждении с 1200 оС на подкладной плите с t=400 оС перед прошивкой в течение 10 мин.
Для компьютерных расчетов ковки крупных поковок с неравномерным нагревом разработали методику решения на основе общей теории неизотермической деформации нелинейной вязкопластической среды с деформационным и скоростным упрочнением, зависящим от температуры и структурных параметров.
При использовании метода конечных элементов деформируемую заготовку разбивали на конечные элементы для трехмерной задачи в форме тетраэдров, колец, с треугольным сечением, параллелепипедов и др., а для плоской деформации - в виде треугольников, квадратов, прямоугольников и др. При этом описание процесса вязкопластического формоизменения твердого тела с нелинейными реологическими свойствами производили с помощью системы нелинейных интегрально-дифференциальных уравнений и соотношений теории течения Леви-Мизеса. Решение этой системы производится на основе вариационного принципа минимума мощности объемных и поверхностных сил для некоторого виртуального поля скоростей перемещений либо прямыми методами с заменой интегрально-дифференциальных уравнений системой алгебраических уравнений в конечных разностях.
При разработке методики решения за основу взяли подход В.Л. Колмогорова для теории вязкопластического течения и реологической модели нелинейной вязкопластической среды, рассмотренной в работах научной школы О.М. Смирнова, при этом среда принимается изотропной и континуальной; свойства среды нелинейные, процесс неизотермический, геометрическая задача нелинейная.
Используем следующие обозначения и уравнения:
ij – компоненты тензора напряжений; свободные индексы i, j принимают значения 1,2,3 для главных осей, либо x, y, z для декартовой системы координат, либо,, z для цилиндрической системы координат;
sij = – ij - компоненты девиатора напряжений;
ij - компоненты шарового тензора напряжений;
= 1/3 ii - среднее напряжение (или гидростатическое давление) в точке;
- функция Кронекера (ij =1, если i=j, и ij =0, если ij);
- интенсивность напряжений или эффективное напряжение;
- компоненты вектора скорости перемещения (течения) частиц деформируемого тела через рассматриваемую точку пространства;
- компоненты тензора скоростей деформации;
- компоненты тензора девиатора скоростей деформации;
компоненты шарового тензора скоростей деформации;
- скорость изменения объёма деформируемого твердого тела;
- интенсивность скоростей деформации или эффективная скорость деформации;
- вся накопленная деформация или эффективная степень деформации в элементарном объёме вокруг фиксированной точки пространства за время от 0 до к;
ij,j = 0 – дифференциальные уравнения равновесия;
Sij=2ij - реологические уравнения связи компонент тензора девиатора напряжений и компонент тензора девиатора скоростей деформации, определяющие соотношения, используемые обычно для описания течения жидкостей через функцию вязкости. Для конструкционных материалов в вязкопластическом состоянии она может быть выражена через соотношение эффективного напряжения и эффективной скорости деформации:
или 
,
где = (e,e, T, L) - функция вязкости деформируемого материала, зависит от скорости деформации, накопленной деформации, температуры и структуры деформируемого материала, которая характеризуется в самом простом случае величиной среднего размера зерна L.
Для неизотермической деформации:
- уравнение теплового баланса;
T,, с,, - температура, коэффициент теплопроводности, коэффициент массовой теплоемкости, массовая плотность, время соответственно;
- единичный вектор нормали к поверхности F на границе деформируемого тела;
- градиент среднего напряжения в рассматриваемой точке.
Считаем среду сжимаемой, если принять, что компоненты шарового тензора напряжений, накопленной деформацией и шарового тензора скоростей деформации 
связаны между собой, согласно закона Гука, объемным модулем упругости K :
.
При этом для одного малого шага по времени справедливо:
.
Для второго и последующих рассматриваемых моментов времени деформирования при пошаговой процедуре моделирования процесса нелинейного формоизменения среды с нелинейными реологическими свойствами необходимо учитывать накапливающееся гидростатическое давление. Этот процесс можно записать и интегральной форме:
и в виде конечных разностей:
= 
Выполнив соответствующие подстановки, получим соотношения между напряжениями и скоростями перемещений:
.
Поле температур Ti в рассматриваемых задачах предполагается известным по результатам моделирования задачи нагрева или охлаждения заготовки на первом этапе расчетов. Поэтому система уравнений механики сплошных сред становится замкнутой только на основании определяющих соотношений, отражающих реологическое поведение деформируемого материала.
Механические переменные в каждой точке пространства деформируемого материала, которые необходимо определить в каждый момент времени, решая общую задачу моделирования формоизменения, следующие: компоненты тензора напряжений ij, температура T и компоненты вектора скорости перемещений vi () как функции «эйлеровых» координат частицы xi и времени. С помощью этих функций можно рассчитать энергосиловые параметры деформации тел, определить формоизменение тела и сделать прогноз условий разрушения деформируемого материала.
Общая система уравнений теории вязкопластического течения включает следующие соотношения.
Компоненты тензора напряжений ij должен удовлетворять трем дифференциальным уравнениям равновесия ij,j = 0. Течение должно быть таким, чтобы удовлетворялись уравнения неразрывности. В случае несжимаемого материала эти уравнения превращаются в условие постоянства объёма, а в случае сжимаемой среды - учитываются законом Гука.
Напряжения и скорости деформации связаны шестью реологическими уравнениями определяющих соотношений для материала деформируемой среды. Тепловое движение должно подчиняться дифференциальному уравнению теплового баланса и, наконец, следует добавить шесть кинематических уравнений, связывающих vi и ij.
Если используем условие постоянства объема, то система уравнений выглядит следующим образом:
,
,
, (12)
e = e(e,e, T, L)
,
.
Система может быть несколько упрощена, если сделать соответствующие подстановки. Подставив геометрические уравнения в реологические, будем иметь
. (13)
Учитывая, что компоненты девиатора напряжений выражены формулами (13), можем записать уравнения равновесия:
. (14)
В итоге система уравнений (12) будет иметь следующий вид:
,
, (15)
.
Методика решения задач деформирования неравномерно нагретой заготовки. Интегрирование системы дифференциальных уравнений (12) или (15) или её решение численными методами требует задания начальных и граничных условий. Начальные условия задают значения искомых механических переменных и реологических (физических) параметров в начальный момент * рассматриваемого периода времени.
Кратко рассмотрим граничные условия для ij, vi.
Вся поверхность F деформируемого тела в процессе формоизменения может состоять из частей, на каждой из которых должно быть задано одно из следующих граничных условий:
1. На части поверхности Fv заданы скорости перемещений
vi=vi* (16)
2. На части поверхности Ff могут быть заданы напряжения, т. е.
(17)
3. Возможно более сложное задание смешанных граничных условий. Например, если заданы на поверхности Fvf нормальная к поверхности составляющая скорости и сила трения между деформируемым телом и находящимся в контакте с ним другим телом, это условие аналитически выглядит так:
(18)
где F ?- напряжения трения, действующего со стороны второго тела (инструмента) на первое – деформируемое тело, который расположен в касательной плоскости к Fs;
p – нормальная составляющая взаимодействия тел (р=Fini);
vF – модуль вектора скольжения контактирующих тел;
i – единичный вектор скольжения второго тела по первому – деформируемому;
f(р,vs) – выражает закон трения, через величину коэффициента трения.
Рассмотрим граничные условия тепловой части краевой задачи теории течения. Для ее решения необходима также формулировка граничных условий, представляющих собой идеализацию действительных физических процессов. На любой части граничной поверхности FT тела в начальный момент времени * задается одно из следующих граничных условий:
1. Распределение температуры на поверхности в виде
T(M,)= T*(M, ), (19)
где точка М находится на поверхности, а функция T*(M, ) задана из решения задачи нагрева заготовки или её охлаждения между операциями деформирования.
2. Подвод тепла. Это граничное условие можно записать в следующей форме:
, (20)
где n — внешняя нормаль к поверхности F в точке М.
3. Идеально изолированная поверхность — поверхность, через которую отсутствует тепловой поток. Условие имеет вид
. (21)
4. Конвективный теплообмен. Поток тепла через граничную поверхность в этом случае пропорционален разности между температурой поверхности T(М, ) и известной температурой окружающей среды Tо. Граничное условие можно записать так:
, (22)
где — коэффициент теплообмена, может быть задан как функция текущих координат и отрезка времени -*.
5. Контакт двух твердых тел. Если между граничными поверхностями имеется идеальный тепловой контакт, то их температуры на этой поверхности контакта должны быть одинаковыми. Кроме того, поток тепла, выходящий из одного тела через контактную поверхность, равен потоку тепла, входящему в другое тело. Таким образом, для точки М контактной поверхности имеем:
(23)
где индексы 1 и 2 относятся к двум телам 1 и 2, а n представляет собой общую нормаль к контактной поверхности FT в точке М.
В некоторых случаях граничное условие (24) должно быть уточнено. Если на поверхности контакта инструмента и деформируемого тела FT имеет место развитое скольжение vF и значительные напряжения трения F= F (р, vF), причем такие, что мощность теплового источника от них существенна, то граничные условия имеют вид:
(24)
В теории теплопроводности показано, что задание на разных частях поверхности F тела выше перечисленных граничных условий в любой комбинации и задание начального распределения температуры определяют решение задачи теплопроводности при неустановившемся режиме единственным образом.
Принятые в теории ОМД способы задания граничных условий в напряжениях трения могут быть разделены на две группы. В первой из них силы трения задаются постоянными по всей контактной поверхности, во второй – принимается тот или иной закон распределения касательных напряжений.
Наиболее известным способом первой группы является условие Зибеля в виде
F =, (25)
где F – касательное напряжение от сил трения на поверхности F;
- сопротивление срезу, рассчитываемое обычно для жесткопластического или линейно упрочняющегося от деформации материала как усредненная по объему очага деформации величина;
- коэффициент трения.
Для задания сил трения по второму способу широко используется закон Амонтона-Кулона в виде одночлена:
F = fp, (26,а)
или в виде бинома:
F = fp+b(F), (26,б)
где f - коэффициент трения, определяемый по нормальному давлению р в рассматриваемой точке контактной поверхности F;
b(F) – составляющая напряжения, зависящая от скорости скольжения по контактной поверхности.
Для учета напряжений от трения на контактной поверхности в России в последние годы применяется уравнение Леванова в виде:
, (27)
где e – напряжения от сил трения; µ – коэффициент трения; n – напряжение по нормали к контактной поверхности (нормальное давление)..
В системах уравнений (12), (15) и аналогичных для закона Гука, описывающих деформацию вязкопластической среды, определяющие соотношения в виде реологического уравнения зависимости эффективного напряжения течения e от эффективной скорости e, накопленной степени деформации e, температуры T и структуры материала L могут быть представлены как в общем виде:
e = 3(e, e,T, L ) e. (28,а)
или в общепринятом для физических реологических соотношений виде:
, (28,б)
где 0 – константа, зависящая от химического состава и структуры материала, имеющая размерность напряжений [МПа]; 
– температурный множитель [К-1]; Q – энергия активации вязкопластической деформации [Джкмоль-1]; R – универсальная газовая постоянная [Джкмоль-1К-1]; t – температура деформации [К]; 
– интенсивность скоростей деформации [с-1]; 
– степень накопленной деформации; m – показатель скоростного упрочнения; n – показатель деформационного упрочнения; s - константа, имеющая физический смысл предела текучести материала при данной температуре, скорости деформации и структуре материала в начальный момент времени.
Реологические параметры уравнения (28,б) или количественные аналитические зависимости для уравнения (28,а) определяются по результатам испытаний деформируемого материала с численно охарактеризованной структурой при заданных температурно-скоростных режимах для простых схем – одноосного растяжения, сжатия или сдвига. В соответствии с гипотезой единой кривой они затем распространяются на случай объемного напряженно-деформированного состояния для медленных процессов формоизменения, когда векторы напряжений и скоростей совпадают, а тензорные свойства среды линейные.
Уравнения (12) – (28) связывают расчетные значения термомеханических параметров в материальной точке деформируемого тела (температуру, степень и скорость деформации) с экспериментальными значениями реологических свойств деформируемого материала, определенных при простых схемах испытаний на одноосное растяжение, сжатие или чистый сдвиг, а также характеристиками напряженно-деформированного состояния.
Определение рациональных температурных параметров процесса прошивки предельно высоких заготовок. На основе разработанной методики и для внедрения разработанного способа прошивки провели расчеты температурных полей кузнечных заготовок со средним диаметром 920-3460 мм при их охлаждении на воздухе применительно к процессу последующей прошивки. Для проверки и отработки условий компьютерного моделирования нагрева и охлаждения в ОАО «Энергомашспецсталь» провели исследование температурного поля нагретого слитка массой 39 т со средним диаметром 1350 мм в процессе его охлаждения на воздухе. Температуру слитка измеряли хромель - алюмелевыми термопарами диаметром 3,2 мм в четырех точках - на поверхности, на расстоянии 60 и 450 мм от поверхности и на оси слитка. Слиток нагревали в печи до температуры 1220 °С, охлаждение нагретого слитка производили в атмосфере цеха при температуре окружающей среды 20 °С на подложках высотой 600 мм.
Сопоставление полученных результатов с известными литературными данными расчетов теплового состояния слитка массой 39 т при его охлаждении на воздухе показало их хорошую сходимость, а также правомерность выбора граничных условий для расчета температурных полей кузнечных слитков в процессе охлаждения применительно к процессу их последующей прошивки.
Компьютерное моделирование при расчете температурного поля слитков осуществляли, учитывая выделение тепла, равное 63 КДж/кг при фазовых превращениях в интервале температур, ограниченных критическими точками превращения (например, для стали 15Х2НМФА эти точки соответствуют 830 и 723 °С). Для уточнения коэффициентов теплоотдачи и теплофизических характеристик стали проводили сопоставление результатов расчета с экспериментом. Температуру металла оценивали по диаметральному сечению с шагом 0,05 радиуса слитков, приращение времени составляло 0,1 час. Всего произвели расчет температурных полей в процессе охлаждения 31 типоразмера реальных кузнечных слитков.
Расчет температурного поля для каждого типоразмера слитка проводили до момента достижения температуры по оси слитка ниже I000 °C, поскольку при более низких температурах существенно повышается сопротивление деформации стали, что не позволяет осуществить прошивку этого слитка. На основе расчетных данных строили графические зависимости изменения температуры металла по сечению кузнечных заготовок из слитков массой 15,6-420 т в процессе их охлаждения на воздухе.
Для всех типоразмеров кузнечных заготовок необходимо определить продолжительность их охлаждения на воздухе с тем, чтобы обеспечить условия для их последующей качественной прошивки. При решении этой задачи поставили условие, что радиус прошиваемого отверстия составляет 0,25 радиуса сбиллетированного блока. Этот объем металла к моменту начала прошивки должен находиться в пластическом состоянии и иметь температуру порядка 1100 0С. Продолжительность охлаждения под прошивку определяли, исходя из продолжительности достижения максимального температурного градиента между поверхностью заготовки и 0,25 радиуса от оси. Прошивка в этот момент производится при высокой температуре металла в осевой зоне, т.е. при низких значениях предела текучести. С другой стороны, максимальный температурный градиент обеспечивает возникновение "жесткой" рубашки, характерной пониженной пластичностью металла в этой периферийной зоне. Для предлагаемой технологии прошивки такое распределение температур по сечению заготовки является необходимым и достаточным условием и при анализе расчетных данных его приняли за критерий рациональной продолжительности охлаждения слитков под прошивку.
Изучение полученных данных показывает, что величина температурного градиента, в зависимости от размеров заготовки, растет от нуля до некоторого максимального значения, равного 8,52 °С/см для заготовок из слитка массой 15,6 т, и 3,85 °С/см - для заготовки из слитка массой 420 т. Время достижения максимального температурного градиента, т.е. требуемая продолжительность охлаждения, составляет при этом соответственно 1,3 и 14,0 час (табл. 1). При этом температура металла на расстоянии 0,25 радиуса от оси заготовки слабо зависит от размеров заготовки и колеблется от 1105 °С (для заготовок из слитков массой до 50 т) до 1140 °С (для более крупных заготовок), а температура на поверхности составляет соответственно 830-750 °С и 740-640 °С. Такое распределение температуры по сечению заготовок показывает, что выбранная продолжительность охлаждения заготовок на воздухе перед их последующей прошивкой обеспечивает достаточно низкое сопротивление деформации стали в объеме цилиндра, ограниченного 0,25 радиуса от оси заготовки, и в то же время образует "жесткую" поверхностную зону, служащую своего рода направляющей для прошивня при прошивке.
Таблица 1 - Продолжительность охлаждения заготовок на воздухе перед прошивкой
| Радиус кузнечной заготовки, мм | Температура металла, °С | Максимальный температурный градиент, °С/см | Продолжительность охлаждения, час. | |||
| на поверх- ности | 0,25 радиуса от центра | в центре | ||||
| 460 | 830 | 1120 | 1150 | 8,52 | 1,3 | |
| 525 | 790 | 1110 | 115I | 8,12 | 2,0 | |
| 585 | 774 | 1105 | 1122 | 7,54 | 2,3 | |
| 610 | 770 | 1105 | 1120 | 7,31 | 2,5 | |
| 695 | 752 | 1115 | 1143 | 6,97 | 2,8 | |
| 785 | 738 | 1127 | 1157 | б,60 | 3,2 | |
| 835 | 733 | 1133 | 116I | 6,39 | 3,5 | |
| 945 | 720 | 1140 | 1143 | 5,92 | 3,9 | |
| 880 | 725 | 1140 | 1151 | 6,29 | 4,1 | |
| 925 | 722 | 1140 | 1143 | 6,03 | 4,7 | |
| 980 | 710 | 1140 | 1143 | 5,85 | 5,3 | |
| 1040 | 705 | 1140 | 1138 | 5,60 | 6,0 | |
| 1297 | 694 | 1140 | 114I | 4,58 | 8,8 | |
| 1485 | 670 | 1140 | 1149 | 4,23 | 10,8 | |
| 1730 | 640 | 1140 | 1154 | 3,85 | 14,0 | |
Разработка технологической схемы прошивки предельно высоких заготовок. Для прошивки кузнечных заготовок с Н/Д> I с целью повышения коэффициента использования металла на основе результатов лабораторных исследований и опытно-промышленного опробования разработали конструкцию полого прошивня с конической или колоколообразной внутренней поверхностью. Прошивень диаметром 450/250 мм изготовили из стали 5ХМ и испытали при прошивке заготовок диаметром 1200 мм. Отличительной особенностью этого прошивня является снижение величины удаляемого отхода в зависимости от угла конусности полости прошивня.
На основе результатов проведенных модельных и экспериментальных исследований рассчитали параметры реальных кузнечных заготовок после биллетирования и осадки, а также необходимые размеры прошивного инструмента для прошивки предельно высоких заготовок в неоднородном температурном поле (табл. 2).
Таблица 2– Параметры заготовок и кузнечного инструмента для прошивки
в неоднородном температурном поле
| Масса слитка, т | Размеры биллета, мм | Размеры после осадки, мм | Размеры прошивня, мм | ||||
| Нб | Дб | Но | Дср | Дн | Двн | Н | |
| 15,6 | 2330 | 920 | 1500 | 1156 | 325 | 150 | 350 |
| 21,0 | 2330 | 1050 | 1640 | 1263 | 400 | 200 | 400 |
| 23,0 | 2590 | 1050 | 1700 | 1308 | 400 | 200 | 400 |
| 27,6 | 2730 | 1120 | 1810 | 1389 | 400 | 200 | 400 |
| 32,0 | 2860 | 1170 | 1890 | 1453 | 400 | 200 | 400 |
| 36,0 | 3020 | 1220 | I960 | 1522 | 450 | 230 | 450 |
| 41,5 | 3150 | 1290 | 2080 | 1602 | 450 | 230 | 450 |
| 57,0 | 3200 | 1480 | 2290 | 1764 | 500 | 250 | 500 |
| 68,0 | 3400 | 1570 | 2430 | 1872 | 500 | 250 | 500 |
| 82,0 | 3580 | 1670 | 2580 | 1985 | 550 | 270 | 550 |
| 104,0 | 4150 | 1760 | 2890 | 2222 | 700 | 310 | 700 |
| 132,0 | 4220 | I960 | 3030 | 2331 | 700 | 310 | 700 |
| 170,0 | 4900 | 2080 | 3314 | 2549 | 800 | 350 | 800 |
| 205,0 | 3620 | 2590 | 3525 | 2712 | 900 | 550 | 900 |
| 250,0 | 3750 | 2770 | 3070 | 2970 | 950 | 590 | 950 |
| 360,0 | 4300 | 3100 | 4000 | 3250 | 1350 | 650 | 1350 |
| 420,0 | 4480 | 3445 | 4310 | 3460 | 1350 | 650 | I350 |
На основе результатов проведенных исследований разработали новый способ прошивки предельно высоких заготовок с Н/Д>I,5, который заключается в следующем. Равномерно нагретую заготовку охлаждают с одновременной теплоизоляцией торцов до температуры поверхности, равной 0,4-0, 7 температуры плавления металла заготовки, при этом в осевой зоне размером 0,2-0,4 диаметра заготовки температура составляет 0,7-0,85 температуры плавления. Эффективность этого способа заключается и в том, что использование для прошивки предельно высоких заготовок позволяет отказаться от операции осадки, при которой происходит растекание металла осевой зоны слитка вширь, или существенно уменьшить степень обжатия при осадке.
Кроме того, процесс прошивки заготовок с неравномерным температурным полем позволяет снизить отходы металла за счет изменения формы удаляемого осевого отхода и устранения образования торцевого заусенца на нижнем торце заготовки. Реализация указанного достигается специальными технологическими приемами. Так, заготовку после нагрева охлаждали с боковой поверхности и с одного ее торца. При этом торец необходимо охлаждать на глубину, равную не менее 0,05 диаметра отверстия. Затем заготовку прошивали с торца, противоположного подстуженному. Эффективность этого способа достигается тем, что при прошивке получают отход цилиндрической формы, а не грибовидный, что снижает расход металла, во-вторых, удается избежать образования торцевого заусенца, что снижает трудоемкость процесса за счет устранения операции по снятию заусенца огневой резкой. По другой схеме перед прошивкой под нагретую и подстуженную заготовку устанавливали прокладку толщиной не менее 0,05 диаметра прошиваемого отверстия. Прокладку изготавливали из углеродистой стали, нагревали перед прошивкой до температуры 750-800 0С. В процессе прошивки прокладка выполняла роль подстуженного слоя торцевой поверхности.
Для проверки разработанных рекомендаций на основе результатов вышеприведенных исследований разработали и опробовали на прессе усилием 60 МН технологию прошивки заготовок с неравномерным температурным полем. В качестве исходного использовали слиток из стали 45 массой 39 т. Слиток нагрели в печи до температуры 1240 °С, обжали прибыль на диаметр 1020 мм и биллетировали на диаметр 1290 мм, затем вырубили два блока длиной по 1600 мм каждый. После второго нагрева блок осадили до высоты 1400 мм, поместили на кантовальную яму с теплоизоляцией одного из торцов и охлаждали в течение 2,0 час. После охлаждения заготовку установили на подкладную плиту, прошили полым прошивнем диаметром 550/270 мм. Второй блок прошивали без подстуживания поверхности. Сравнительный анализ качества прошитых блоков показал более высокое качество отверстия по соосности и наличию выходных дефектов блока, прошитого после охлаждения поверхности.
Проведенные теоретические, лабораторные и промышленные исследования позволили разработать технологические процессы производства крупногабаритных трубных поковок прошивкой в неоднородном температурном поле кузнечных слитков. Так, технология ковки полой поковки из слитка массой 145 т из стали I5X2HMФA содержит следующие операции и переходы: нагрев слитка до температуры 1250 °С; выдачу слитка из печи; обжатие прибыли на диаметр 1320 мм; биллетирование слитка в комбинированных бойках шириной 1400 мм на диаметр I960 мм; разметку и вырубку блока размером 4600x1960 мм; нагрев блока; выдачу блока из печи; осадку блока плоскими плитами до высоты 2750 мм; транспортировку заготовки до кантовальной ямы; охлаждение заготовки на воздухе в течение 6,0 час с теплоизоляцией верхнего торца; прошивку отверстия пустотелым прошивнем диаметром 950/590 мм.
3 ПРОТЯЖКА И РАСКАТКА НА ОПРАВКЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ
ПОЛЫХ ПОКОВОК
Анализ процессов протяжки и раскатки на оправке полых поковок. Полые поковки, в основном, получают по одной из двух технологических схем: 1 - технология ковки включает операцию прошивки сплошной заготовки с последующей раскаткой ее на оправке; 2 - поковку куют из полого слитка. По техническим показателям (производительность работ, коэффициент использования металла) вторая технологическая схема более прогрессивна. Однако второй схеме присущи недостатки, связанные с использованием полого слитка: значительная дороговизна и широкий диапазон используемого парка изложниц, большое соотношение высоты слитка к диаметру и сравнительно небольшой диаметр внутреннего отверстия. Обычная осадка полого слитка приводит к сокращению диаметра внутреннего отверстия и образованию складок на внутренней поверхности, переходящих в зажимы и трещины при дальнейшей раскатке. Предварительная раскатка полого слитка для увеличения отверстия в большинстве случаев невозможна из-за недостаточной прочности оправки и значительных упругих прогибов.
Кузнечной протяжкой с применением оправки получают поковки, имеющие соотношение габаритных размеров: D/d1,5-2 и при L l,2D. Раскатку применяют как заготовительную операцию для всех пустотелых поковок и для выравнивания толщины стенок. Раскатку выполняют при таких соотношениях габаритных размеров поковки: DH/DBH 1,5 и B1/(DH-DBH)>1.
Получение толстостенных поковок большого диаметра для последующего изготовления крупногабаритных плит осуществляют, в основном, раскаткой прошитых заготовок и их протяжкой на оправке в комбинированных или вырезных бойках. Независимо от технических требований, технологический процесс ковки таких поковок состоит из типовых кузнечных операций - биллетировки, рубки, осадки, прошивки, раскатки и протяжки на оправке в различных вариантах порядка и исполнения этих операций. Недостаточная изученность применяемых при изготовлении крупногабаритных трубных поковок технологических операций в комплексе, их взаимовлияния на параметры ковки и качество металла, особенно при выполнении их на оборудовании, обладающем ограниченными технологическими возможностями, как показал производственный опыт, являются причиной получения поковок с большой разностенностью, торцовыми дефектами типа заусенцев и "бахромы", исправление которых связано с большими трудовыми и материальными затратами.
В зависимости от целевого назначения и соотношения геометрических размеров полых поковок (наружного диаметра Дн, внутреннего диаметра Двн, высоты Нп) в технологии используют различные схемы ковки. При соотношениях Дн/Двн2,5 и Нп/Дн-Двн1,0 кольцевую поковку получают путем прошивки отверстия после предварительной осадки. При соотношениях Дн/Двн1,5 и Нп/ Дн-Двн1,0 поковку изготавливают осадкой, прошивкой и последующей раскаткой на оправке. При соотношениях Дн/Двн1,5 и Нп/ Дн-Двн1,5 поковку получают прошивкой, предварительной протяжкой на оправке и окончательной раскаткой.
Поскольку толстостенные трубные поковки, предназначенные для изготовления плит, имеют длину 5000 мм и более, протяжка на оправке является одной из определяющей в технологии ковки этих поковок. Анализ технологических схем и деформационных режимов ковки полых осесимметричных поковок на оправке приводит к выводу, что существующие технологии не позволяют получать трубные поковки с внутренним диаметром, превышающим 1500 мм и длиной, превышающей продольные габариты стола пресса. Использование традиционных способов протяжки на оправке таких поковок потребовало бы использование оправки массой, которая превышает возможности подъемно-транспортных средств, установленных на участках самых мощных ковочных прессов. Поэтому актуальной является задача по разработке новых способов протяжки и раскатки на оправке, созданию специализированного инструмента, которые позволяют получать трубные поковки с размерами, обеспечивающими изготовление из них толстых плит с размерами в плане 5500x5500 мм и более.
Исследование, разработка способов и инструмента для протяжки на оправке крупногабаритных трубных поковок. На основе анализа данных по теории и технологии протяжки, производственного опыта разработали новый способ ковки крупногабаритных трубных поковок, сущность которого заключается в том, что протяжку осуществляют на справке новой конструкции. Основное отличие этой оправки от существующих заключается в отсутствии бурта, прилегающего к рабочему участку, что обеспечивает возможность свободного перемещения заготовки на оправке. Оправка (рис. 2) имеет рабочий, промежуточный и вспомогательный участки. Длина рабочего участка с известной конусностью зависит от длины протягиваемой трубной поковки и составляет 1,0-2,0 максимального диаметра оправки. Вспомогательный участок предназначен для удерживания оправки кантователем или манипулятором в процессе ковки. Основное назначение промежуточного участка - удержание полой заготовки. Исходя из обеспечения устойчивого положения заготовки, протяженность этого участка составляет 0,25-0,5 длины заготовки под протяжку. Экспериментальные исследования процесса протяжки заготовок на оправках с разным углом конусности промежуточного участка (3; 5; 7; 10 и 15°) показали, что конусность этого участка должна быть в пределах 1,5-7,5°. При меньшем угле конуса затруднен процесс снятия заготовки с оправки (вплоть до заклинивания), при большем угле вспомогательный участок, примыкающий к меньшему основанию промежуточного конуса, не обеспечивает требуемой жесткости оправки при ковке заготовок большой массы.
Процесс протяжки на оправке осуществляют следующим образом. Нагретую полую заготовку размещают на оправке таким образом, что предназначенный для деформирования участок находится на рабочем участке оправки, при этом тыльная сторона бойка должна отстоять от плоскости раздела рабочего и промежуточного участков на расстояние от нуля до величины максимального удлинения, равного 
, где Со и Ск - исходная и конечная толщина стенки заготовки, aо - величина абсолютной подачи.
Такое расположение бойков и оправки позволяет исключить затекание металла на промежуточный участок оправки. Обжатие заготовки производят бойками с кантовкой заготовки по кругу; после обжатия кольцевого участка заготовку перемещают относительно оправки в направлении меньшего основания рабочего участка, повторяя процесс до получения требуемых размеров поковки. Использование оправки данной конструкции с рабочим участком, длина которого меньше длины поковки, позволяет расширить технологические возможности прессового оборудования и получать толстостенные поковки длиной свыше 5000 мм и внутренним диаметром более 1500 мм.
Рисунок 2 – Схема протяжки трубной заготовки на оправке новой конструкции в исходном положении (а) и в момент ковки (б): I - оправка (1,а; 1,б и 1,в - соответственно рабочий, промежуточный и вспомогательный участки); 2 - трубная заготовка; 3 - бойки
Однако изготовление моноблочной оправки для протяжки крупногабаритных трубных поковок вызывает значительные трудности. Расчеты показывают, что при использовании такой оправки суммарная масса заготовки + оправки + патрона + кантователя превышает возможности большинства имеющегося подъемно-транспортного оборудования. Поэтому разработали новый способ протяжки крупных поковок на сборной ступенчатой оправке с переходным кольцом, являющимся рабочей частью оправки. Лабораторные исследования по протяжке стальных и свинцовых заготовок цилиндрической формы показали правомерность разработанного способа.
Разработали варианты протяжки на оправке крупногабаритных трубных поковок. По одному из них раскатанную до номинального внутреннего диаметра заготовку размещают на моноблочной оправке, длина которой меньше длины протягиваемой заготовки, при этом протяжку ведут с последовательным перемещением заготовки. Длину рабочей части справки (переходного кольца) принимают равной 1,4 длины центрального бурта заготовки. Результаты проведенных исследований и промышленное опробование разработанных способов и конструкций оправок показали, что протяжку на оправке крупногабаритных поковок следует проводить в комбинированных бойках; раскатку для получения заданных размеров поковки и устранения торцевых дефектов типа "юбки" необходимо осуществлять длинным бойком от середины поковки к ее краям; окончательную протяжку заготовок следует производить по вышеуказанным вариантам на моноблочной или сборной ступенчатой оправках.
Промышленное опробование способов протяжки и раскатки на оправке крупногабаритных трубных поковок. Промышленное опробование разработанных способов ковки крупногабаритных трубных поковок провели на прессе усилием 60 МН при изготовлении макета днища корпуса реактора ВВЭР-1000. Предварительно для этого изготовили сборную оправку из имеющейся в наличии оправки диаметром 790/720 мм и кольца, насаженного на данную оправку. Кольцо служит в качестве рабочей части оправки на последней стадии ковки трубной поковки. Для его изготовления использовали слиток массой 20 т, из которого отковали цилиндрическую полую поковку диаметром 1390/750 мм и высотой 1450 мм. Механической обработкой получили требуемое кольцо высотой 1400 мм с конусностью 1:100,которое насадили на имеющуюся оправку.
Кузнечный слиток из стали 45 массой 39 т нагревали в печи до температуры I250 °С, обжимали прибыль и биллетировали на диаметр 1290 мм, размечали и вырубали блок длиной 1600 мм. После второго нагрева производили между плоскими плитами осадку блока, охлаждение осаженной заготовки на воздухе с одновременной теплоизоляцией торцов в течение 2,0 час, прошивку пустотелым прошивнем с наружным диаметром 550 мм. Вновь нагретую прошитую заготовку с размерами: Дн=1290 мм; Двн=550 мм и Н=1400 мм раскатывали на оправке диаметром 500 мм до получения отверстия диаметром 800 мм. После нагрева заготовку протягивали на оправке диаметром 790/720 мм до получения поковки длиной 1800 мм. После четвертого нагрева ступенчатую поковку раскатывали на оправке диаметром 700 мм до получения внутреннего диаметра поковки 1400 мм. На последнем выносе нагретую до температуры 1150 °С поковку протягивали на сборной оправке до требуемых размеров - наружный диаметр 1830 мм, внутренний диаметр 1400 мм, длина 2350 мм.
Таким образом, опытно-промышленное опробование разработанных способов протяжки-раскатки и оправок предложенных конструкций подтвердило возможность получения крупногабаритных трубных поковок с внутренним диаметром свыше 1500 мм и длиной, превышающей продольные размеры стола ковочного пресса, что позволяет расширить технологические возможности действующих в РФ ковочных прессов.
4 РАЗВЕРТКА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТРУБНЫХ ПОКОВОК
Физическое моделирование процесса развертки плоским инструментом. Для получения плоской плиты, предназначенной для вырезки заготовки и штамповки днища корпуса реактора, разработали способ развертки трубной заготовки, который заключается в следующем. После предварительной термической и механической обработки откованной трубной поковки по торцу, наружной и внутренней поверхностям, поковку разрезают по образующим с образованием щели, необходимой для ввода внутрь заготовки инструмента для развертки (ширина щели равна 800-1000 мм). Развертывание заготовки осуществляют путем деформирования ее плоским бойком со стороны внутренней поверхности при его последовательном перемещении вдоль оси заготовки (рис. 3). При этом боек воздействует в поперечном направлении на участок заготовки, равный 0,9 максимального внутреннего размера заготовки, а в продольном направлении - на участок длиной, равной, по меньшей мере, половине внутреннего диаметра, с шагом 0,25-1,0 максимального поперечного размера заготовки.
Рисунок 3 - Схема развертки трубной заготовки плоскими бойками:
а, б - исходная и разрезанная заготовки; в - ж - переходы развертки
Результаты исследования процесса развертки, проведенные на модельных заготовках из стали 15Х2НМФА, показали, что ширину плоского бойка на первом переходе следует принимать равной В1=0,9Двн, на последующих – равной Вп=(1,7-0,1n)Вп-1, где п – номер перехода развертки, Вп-1 – ширина бойка на предыдущем переходе. Длину бойка Lб следует выбирать в пределах Lб=(1,0-3,6)Двн(п-1), где– максимальный внутренний поперечный размер заготовки.
Разработка технологии развертки плоским инструментом. На основе результатов проведенных исследований рассчитали и изготовили оснастку и переходные бойки с плоской рабочей поверхностью для развертки трубной поковки размером 2350x285 мм и длиной 5700 мм за четыре перехода применительно к штамповочному прессу усилием 150 МН. При этом на первом переходе ширина бойка составляла 1680 мм, на втором - 2550 мм, на третьем - 3600 мм (рис. 4). Окончательную развертку производили между плоским верхним бойком и плоским нижним основанием пресса.
 а |  б |
 в |  г |
Рисунок 4 - Штамповая оснастка, плоский инструмент и переходы развертки (а - г) трубной поковки размером 2300х1740x5700 мм из стали 15Х2НМФА на прессе усилием 150 МН
Разработанная технология развертки трубной поковки в плиту плоским инструментом состоит из следующих основных операций: входной контроль откованной трубной поковки; механическая обработка торцов трубы; приварка проушин для транспортировки; токарно-карусельная обработка внутренней и наружной поверхностей поковки; ультразвуковая дефектоскопия; вырезка полосы для ввода инструмента и захватов для транспортировки; нагрев поковки; развертка поковки плоскими бойками за 4 перехода; термическая обработка плиты. Трубную поковку из стали 15Х2НМФА размерами 2300x280x5700 мм разрезали по образующим на расстоянии 800 мм друг от друга. После нагрева до 1200 °С осуществляли ее развертку путем последовательного деформирования со стороны внутренней поверхности плоскими бойками. На первом переходе ширина бойка составляла 1680 мм, на втором - 2550 мм, на третьем - 3600 мм. Окончательную развертку производили между плоским верхним бойком и плоским нижним основанием пресса.
Технология позволяет получать моноблочные крупногабаритные плиты с размерами 5500х5500х280 мм, снизить трудоемкость изготовления в 1,6 раза, расход металла - на 10 - 15 % по сравнению с прокатно-сварным вариантом изготовления плит, существенно повысить надежность работы корпуса реактора за счет исключения пересекающихся сварных швов.
Однако наряду с указанными преимуществами данная технология развертки имеет ряд недостатков, в том числе многопереходность процесса, необходимость изготовления большого комплекта сменного инструмента, потери металла из-за вырезки полосы из трубной поковки шириной 800-1000 мм для ввода инструмента, что, естественно, снижает коэффициент использования металла
Моделирование процесса развертки клиновым инструментом. Для получения толстых крупногабаритных плит путем развертки трубных поковок разработали способ, заключающийся в постепенном разведении кромок предварительно разрезанной трубной поковки клиновым инструментом. Для моделирования этого процесса развертки спроектировали и изготовили инструмент, боковые поверхности которого являются рабочими. Угол при вершине клиньев изменяли в пределах 15-120 градусов.
Правомерность предложенного способа проверяли на заготовках из свинца марки С001 и стали I5X2HMФA с размерами: Дн= 75 мм; Двн=45 мм. В качестве инструмента для развертки использовали клинья с углом при вершине I5-I200. Целью исследования являлось определение конфигурации и размеров клиньев, а также величины угла при вершине клина, обеспечивающих на начальной стадии процесса развертывание заготовки без смятия кромок и потери устойчивости последней. Результаты исследования показали, что с увеличением угла при вершине клина эффективность развертки возрастает, однако при угле клина более 900 происходит смятие периферийных частей заготовки. Процесс развертки клиньями с углом менее 60° происходит без затруднений, однако характеризуется неэффективностью использования данного инструмента и приводит к необходимости дополнительной развертки заготовки клиньями с большим углом при вершине. Кроме того, для обеспечения стабильности и плавности процесса, уменьшения усилия развертки, что существенно при развертывании крупногабаритных трубных поковок, целесообразно нижнюю рабочую грань инструмента выполнять под определенным углом к плоскости его верхнего основания. Длину клина следует принимать равной 0,25-0,35 длины развертываемой заготовки, при этом раскрытие кромок (протяженность внеконтактной зоны деформации) происходит на длине, равной 1,5-2,0 длины бойка. Для стабильности осуществления процесса развертку целесообразно производить двумя бойками, расположенными симметрично относительно середины заготовки.
На основе результатов лабораторных исследований процесса развертки спроектировали инструмент, содержащий смонтированный на траверсе пресса опорный элемент, к которому прикреплены основаниями два клина, и нижнего основания. При осуществлении процесса развертки предварительно разрезанную по образующей и нагретую полую заготовку устанавливают на нижнее основание, при ходе пресса вниз клинья заходят в разрез заготовки, жестко фиксируют ее в плоскости приложения усилия и производят плавное разведение кромок.
Промышленное опробование разработанного способа проводили при развертке трубной поковки из стали I5X2HMФА размерами: Дн=620 мм; Двн=480 мм; Н=1600 мм. Для развертки этой поковки, сокращения числа операций при развертке трубной поковки в плиту спроектировали и изготовили новую конструкцию клинового инструмента путем отливки и механической обработки рабочих поверхностей.
Предварительно разрезанную по образующей поковку (ширина реза 5 мм) нагревали до 1100 °С, подавали на стол пресса и осуществляли развертку клиновым бойком. Частично развернутую заготовку отправляли на подогрев, в это время на траверсу пресса навешивали упор, не снимая при этом клиновые бойки. Упор передает усилие пресса на клиновой инструмент на второй стадии развертки. После этого на подогретую и размещенную на столе пресса предварительно развернутую заготовку устанавливали клин-развертку и нажатием упора производили дальнейшую развертку кромок заготовки. После выдачи заготовки из рабочей зоны пресса клин-развертку удаляли, устанавливали на заготовку плоскую плиту, вновь подавали заготовку под пресс и осуществляли окончательное деформирование ее в плоскую плиту размерами 1500х1600х70 мм. В целом опытно-промышленное испытание процесса развертки трубной поковки клиновым инструментом прошло успешно, спроектированный инструмент показал хорошую работоспособность и эффективность. Испытания полученной плиты показали ее полное соответствие требованиям технических условий по качеству поверхности и уровню механических свойств металла.
Физическое и компьютерное моделирование комплексного процесса развертки трубной поковки. Моделирование развертки трубной поковки клиновым инструментом проводили с использованием конечно-элементной системы компьютерного моделирования, позволяющей моделировать трехмерные неизотермические процессы горячей обработки металлов давлением с учетом изменения напряжений течения деформируемого материала от температуры, степени и скорости деформации при различных граничных и начальных условий.
Компьютерное моделирование проводили при одинаковых начальных и граничных условиях: размеры трубной заготовки: диаметр 2360, толщина стенки-335 и длина 5700 мм; температура заготовки – 1200 ОС; температура верхнего бойка и нижней плиты – 350 ОС; скорость движения траверсы пресса – 30 мм/с; коэффициент трения по Кулону - Амонтону на контактной поверхности заготовка-инструмент принимали 0,3; число конечных элементов при разбиении заготовки - 3000. Инструмент рассматривали как абсолютно жесткое тело. Число итераций по прямому линейному методу определялось автоматически и составляло от 3 до 10. Шаг для расчетов формоизменения по времени задавали равным 0,25 с; шаг записи промежуточных результатов в файл данных на жестком диске выбирали от 2,5 до 5 с. В зависимости от типа и размеров клинового и плоских бойков в файл данных записывали от 350 до 500 шагов. После окончания каждой стадии формоизменения процесс останавливали, в препроцессоре CAD системы производили замену геометрической модели верхнего бойка, а также ее позиционирование относительно заготовки и продолжали расчет со следующего шага. При необходимости уточнения и корректировки исходных данных или полученных результатов эксперименты повторяли для каждого варианта от 2 до 5 раз.
На рис. 5 показаны переходы и стадии формоизменения заготовки клиновыми и плоскими бойками.
 1 |  2 |  3 |  4 |
 |  |  |  |
| 5 | 6 | 7 | 8 |
Рисунок 5 - Стадии развертки: 1–2 клиновым, 3–5 продольным плоским,
6–8 поперечным плоским бойками трубной заготовки в плиту.
Как показали результаты компьютерного моделирования, основной особенностью процесса является отрыв центральной части заготовки от нижнего штампа на стадиях процесса развертки, предшествующих образованию плоских участков, и превышение усилия ковки на стадии обжима плоской части плиты номинального усилия ковочного пресса 150 МН. При этом средние значения накопленных логарифмических деформаций составили по плите 0,27-0,30, а эффективные напряжения не превышали 60 – 80 МПа. Очевидно, что полноразмерная развертка в плиту на заключительных стадиях по всей длине за один проход должна производиться либо при выдержке плиты под давлением на максимальном усилии пресса на время достаточное для окончательного формообразования поковки.
Полученные результаты позволили провести систематические вычислительные эксперименты по исследованию влияния основных технологический факторов и конструктивных параметров деформирующего инструмента на формоизменение и силовой режим процесса развертки полой заготовки в плиту.
Более детальное компьютерное моделирование процесса развертки полой заготовки в крупногабаритную прямоугольную толстую плиту проводили для натурных размеров заготовки и конечного изделия применительно к реальной технологии ковки на гидравлическом ковочном прессе усилием 150 МН. При этом использовали результаты физического моделирования и промышленного опробования процесса развертки, выполненные в процессе работы.
В качестве прототипа для построения объёмной геометрической модели процесса развертки использовали полую заготовку с максимально допустимыми для пресса 150 МН размерами. Установлено, что максимальные нагрузки на прессе возникают в момент, когда начинается формирование плоского участка поверхности заготовки под верхним бойком и ее деформация по толщине. Максимальное усилие для клиновых бойков наблюдается в начале развертки, при этом оно тем выше, чем больше величина угла клина. При увеличении угла клина с 450 до 1200 максимальная нагрузка увеличивается более чем в 10 раз. Величина хода траверсы до момента соприкосновения вершины угла клина с внутренней поверхностью разворачиваемой заготовки увеличивается с возрастанием угла клина.
Для плоского бойка характер изменения зависимости нагрузки на прессе от хода траверсы отличается от развертки клиновыми бойками. В начале развертки плоским бойком (после завершения свободного хода) до соприкосновения его боковых граней с внутренней поверхностью заготовки нагрузка на прессе непрерывно повышается. Резкое увеличение величины нагрузки на прессе в конце первой стадии формоизменения объясняется началом пережима заготовки по толщине. В любом случае нагрузка на прессе при развертке плоским бойком на 1,5 – 2,5 порядка больше, чем при развертке клиновыми бойками.
Обобщенные графики зависимости нагрузки на пресс при развертке трубной поковки клиновыми и плоским бойками от хода траверсы пресса на всех переходах показаны на рис. 6, а соответствующие им номера позиций стадий формоизменения на рис. 7.
 |  |
а б
в г
Рисунок 6 – Зависимость нагрузки на прессе при развертке трубной поковки плоским (г) и клиновыми бойками с углом клина 450 - а, 900 – б, 1200 – в, 1800 - г от хода траверсы пресса (1…9-позиции стадий развертки)
 |  |  | |
| Позиция 1 | |||
 |  |  | |
| Позиция 2 | |||
 |  |  | |
| Позиция 3 | |||
 |  |  | |
| Позиция 4 | |||
 |  |  | |
| Позиция 5 | |||
 |  |  | |
| Позиция 6 | |||
 |  |  | |
| Позиция 7 | |||
 |  |  | |
| Позиция 8 | |||
 |  |  | |
| Позиция 9 | |||
Рисунок 7 - Стадии формоизменения развертываемой трубной поковки
клиновыми и плоскими бойками
Из анализа этих данных видно, что на первом переходе с увеличением угла клина ширина паза и самой полой заготовки также увеличивается (поз. 1–3). На втором переходе при развертывании плоским бойком его ширина должна быть пропорционально увеличена для более тупого клина (поз. 4–6). При этом для клина с углом 1200 в середине второго перехода (поз. 5) начинается отрыв наружной поверхности заготовки по середине ее ширины от нижней плиты. Эта стадия формоизменения обусловлена потерей устойчивости формы заготовки на продольный изгиб по образующей боковой поверхности под действием сжимающих напряжений. Дальнейшее обжатие этого волнового профиля до плоской плиты или пережим заготовки по толщине широким плоским бойком по всей дине заготовки приводит к значительному повышению нагрузки на прессе до величины, которая может превысить номинальное усилие пресса 150 МН.
Таким образом, при разработке технологии производства крупногабаритных толстых плит из полой заготовки, выборе деформирующего инструмента и назначении технологических режимов ковки нужно учитывать выявленные в результате компьютерного моделирования особенности формоизменения и характер изменения нагрузки на прессе для разных переходов.
Разработка новых конструкций клинового инструмента для развертки. С целью повышения эффективности разведения кромок полой цилиндрической заготовки и улучшения качества продукции на основе результатов исследования и моделирования процесса развертки полой поковки в плиту разработали конструкцию клинового бойка, содержащего верхнее основание, выполненное с возможностью соединения с ползуном пресса, и прикрепленные к нему два клина, обращенные один к другому меньшими по высоте торцами. Угол между боковыми поверхностями каждого клина плавно изменяется от минимального значения 15-90° у одного торца, имеющего максимальную высоту, до 60-150° у другого, имеющего минимальную высоту. Разность этих значений не менее 30°, вершина клина наклонена на угол 7-60° к его основанию.
Для сокращения числа операций при развертке полой заготовки в плиту предложили конструкцию клинового инструмента, разработанную на основе клина с углом 1200, вершина которого была обрезана по горизонтальной плоскости, а также бойка с криволинейной образующей боковой поверхности. Особенность конструкции этих бойков состоит в том, что их боковые грани имеют переменный угол наклона к вертикальной плоскости, обеспечивающий углы раскрытия кромок прорезанного паза трубной заготовки при развертке от 90 до 160-1700 для увеличения ширины паза до максимального размера за один - два перехода.
Для проверки работоспособности предложенной конструкции бойка и сравнения с известным бойком, описанным выше, провели дополнительные исследования с помощью компьютерного моделирования процесса развертки (рис. 8).
а б
Рисунок 8 - Модель развертки трубной поковки бойками с переменным углом наклона боковых рабочих граней (а) и с криволинейной образующей боковой рабочей поверхности (б)
Результаты сравнения формоизменения полой заготовки и силового режима деформирования, полученные при компьютерном моделировании процесса развертки этими бойками, представлены на рис. 9, 10.
 |  |
| Позиция 1 | |
 |  |
| Позиция 2 | |
 |  |
| Позиция 3 | |
 |  |
| Позиция 4 | |
 |  |
| Позиция 5 | |
 |  |
| Позиция 6 | |
 |  |
| Позиция 7 | |
 |  |
| Позиция 8 | |
 |  |
| Позиция 9 | |
Рисунок 9 - Стадии формоизменения развертываемой трубной поковки
профильными бойками с прямолинейной (а) и криволинейной (б) боковой поверхностью
Рисунок 10- Зависимость нагрузки на верхний боек от хода пресса
в соответствие с позициями (рис. 9)
Использование бойков с криволинейной боковой поверхностью по сравнению с бойками известной конструкции позволяет исключить из технологического передела развертки один передел, что дает возможность снизить расход металла на изготовление бойков, сократить расходы на нагрев трубной заготовки и ее деформацию, повысить производительность процесса развертки крупногабаритных заготовок в плоские плиты.
5 КАЧЕСТВО МЕТАЛЛА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПЛИТ И ДНИЩ
Исследование структуры металла поковок. Для изучения влияния параметров процессов обработки металлов давлением и термической обработки на структуру и свойства металла из трубной поковки, а также из плиты вырезали 10 темплетов как со стороны прибыльной, так и донной частей исходного слитка (рис.11). Контрольные пробы «7-10» вырезали из полосы, полученной при подготовке трубной поковки к развертке. Размер вырезанных темплетов составлял 150x150x250 мм. Из каждого темплета вырезали по 8 пластин для изготовления стандартных образцов при испытаниях на растяжение и на ударную вязкость. Схема вырезки образцов позволяет изучить анизотропию механических свойств и изменение структуры металла, как по толщине плиты, так и в зависимости от направления вырезки (пластины "а" и "в" вырезали из внешней четверти плиты, пластины "б" и "г" - из внутренней четверти).
Вырезанные пробы металла подвергали пластическим и термическим операциям в соответствие с разработанной технологией:
-темплет 1 - металл трубной поковки в состоянии поставки, прибыльная часть;
-темплет 2 - металл трубной поковки в состоянии поставки, донная часть.
-темплет 3 - нагрев под развертку, развертка, нормализация при температуре 910 °С, отпуск при температуре 650 °С, донная часть;
-темплет 4 - то же, прибыльная часть;
-темплет 5 - нагрев под развертку, развертка, нормализация, отпуск, нагрев под штамповку, штамповка днища, отжиг при температуре 660 °С, прибыльная часть;
-темплет б - то же, донная часть;
-темплет 7 - то же, что 5 темплет + двойная закалка с отпуском, прибыльная часть;
-темплет 8 –то же, донная часть;
-темплет 9 - то же, что и 7 темплет + дополнительный отпуск по режиму (рис. 5.2), прибыльная часть;
-темплет I0 --то же, донная часть.
Рисунок 11 - Схема отбора проб в заготовке для днища (а) и раскроя темплетов на пластины (б): I-6 - место отбора проб (темплетов); К - место отбора контрольных проб; П, Д - прибыльная и донная части слитка; а - г - номера пластин в темплете; вырезка образцов в пластинах «а» и «б» - продольная, в пластинах «з» и «г» -тангенциальная
Механические свойства металла при растяжении определяли на цилиндрических образцах диаметром 10 мм, тип 111 (ГОСТ 1497-84), ударную вязкость - на образцах на ударный изгиб, тип 11 (ГОСТ9554-84). Определение работы развития трещины производили на ударных образцах с нанесенной на них инициированной трещины длиной 1,0-2,5 мм. Все механические испытания проводили на оборудовании фирмы «MFL».
Исследование микроструктуры металла осуществляли на микрошлифах при разном увеличении на микроскопе «MEF-2», анализ неметаллических включений - на нетравленых шлифах при увеличении х1000. Фрактографический анализ изломов ударных образцов проводили на стереомикроскопе МБС-9. Для характеристики карбидного состава металла осуществляли потенциостатический анализ образцов диаметром 10 мм в 40 % растворе NaOH. Для характеристики дислокационной структуры определяли физическое уширение линии (220). Съемку образцов осуществляли в излучении FeK с шагом сканирования 0,1 град с записью на цифропечать. Время сканирования в каждой точке составляло 40 сек. Вычисление результатов производили по специальной программе на ЭВМ.
Анализ макро - и микроструктуры металла в пробах, вырезанных из прибыльной и донной частей трубной поковки, не обнаружил наличия крупных растравов и ярко выраженной строчечности. Исследование серных отпечатков показало, что распределение серы по толщине поковки имеет равномерный характер, как в прибыльной, так и в донной части. Металлографический анализ нетравленых микрошлифов из прибыльной и донной частей показал, что загрязненность металла оксидными, сульфидными и силикатными включениями не превышает 1-го балла по ГОСТ 1778-86. При этом содержание сульфидных включений в донной части несколько выше, чем в прибыльной. Включения расположены равномерно в плоскости шлифа, иногда в виде цепочек. Крупных включений в металле трубных поковок не обнаружено. Исследование микроструктуры показало, что в состоянии поставки сталь имеет крупное аустенитное зерно (балл зерна – I-2) как в прибыльной, так и в донной части (рис. 12).
В состоянии поставки металл имеет двухфазную структуру - крупные бейнитные зерна окружены сеткой мелких зерен феррита при этом в донной части поковки количество феррита увеличено. Металл остальных проб имеет полностью бейнитную структуру. Поскольку размер зерна металла в состоянии поставки был большим, дополнительно в месте отбора темплетов 2 и 3 вырезали пластины размером 20x80x250 мм для испытания на загиб до полного разрушения. Как в состоянии поставки, так и после нагрева под развертку излом имеет смешанный вязко-хрупкий характер, при этом в зоне хрупкого разрушения признаков межзеренного (камневидного) излома не выявлено. В образце в состоянии поставки излом имеет крупнокристаллический характер (скол по плоскостям зерен), что свидетельствует об отсутствии пережога. В образце после нагрева под развертку доля вязкой составляющей в структуре металла выше, чем в структуре металла в состоянии поставки. В хрупкой части излом имеет также кристаллический характер,
но более мелкозернистый.
1 2
Рисунок 12 - Микроструктура металла внешнего (а, б) и внутреннего (в, г) слоев трубной поковки, прибыльная часть (1) и донная часть (2) в состоянии поставки
Нагрев под развертку при температуре 1080 °С и последующая термическая обработка (нормализация при 920 °С + отпуск при 650 °С) способствуют измельчению аустенитного зерна до + I - +2 балла в темплете 3 (донная часть) и до +2 - +3 в темплете 4 (прибыльная часть). Размер зерна в металле поковки после развертки, нормализации с отпуском, нагрева под штамповку и последующего отжига при 660 °С достигает 1-го балла как со стороны прибыльной, так и донной частей. Это укрупнение зерен произошло в результате нагрева заготовки под штамповку днища.
Основная термическая обработка отштампованного днища (двойная закалка + отпуск) способствовала измельчению зерна в структуре стали до +4-+5 балла (рис. 13). При этом в прибыльной части во внутренних слоях днища размер аустенитных зерен несколько меньше, чем во внешних
слоях.
1 2
Рисунок 13 - Микроструктура металла днища после основной термической обработки (двойная закалка + отпуск) – 1 и после дополнительного отжига -2:
а, б - прибыльная часть поковки; в, г - донная часть поковки
Механические характеристики и физические свойства металла поковок. Исследование влияния параметров пластических и термических обработок проводили на образцах, вырезанных из трубной поковки и плиты. Схема вырезки темплетов и образцов позволила изучить анизотропию свойств металла по толщине и длине плиты (прибыльная и донная части) на различных стадиях производства днищ. Изучение свойств проводили при различных температурах - 20, 350 и -10 °С. Так, в качестве примера в табл. 3 приведены механические свойства металла трубной поковки в состоянии поставки на продольных образцах.
Таблица 3 - Механические свойства трубной поковки (средние значения) из стали I5X2НМФА в состоянии поставки (продольные образцы)
| Номер образца | Мес-то вырезки об-разца | Температура испытаний образцов, °С | ||||||||||||
| 20 | 350 | 20 | -10 | 20 | ||||||||||
| в, МПа | 0,2, МПа | , % | ,% | в, МПа | 0,2, МПа | , % | , % | KCU, Дж/м2 | В, % | KCU, Джсм-2 | В, % | Ат, Дж/м2 | ||
| 1-а | ПП | 620 | 484 | 23,0 | 72 | 520 | 412 | 16 | 66 | 1980 | 86 | 163 | 52-58 | 1580 |
| 1-6 | ПВ | 647 | 510 | 22,5 | 71 | 520 | 414 | 15,5 | 67 | 1980 | 80 | 153 | 50-61 | 1660 |
| 2-а | ДП | 637 | 500 | 22,0 | 72 | 520 | 422 | 14,0 | 66 | 1430 | 64 | 100 | 47-50 | 1070 |
| 2-6 | ДВ | 652 | 510 | 22,5 | 70 | 530 | 427 | 15,7 | 64,6 | 1830 | 78 | 112 | 48-67 | 850 |
ПП и ПВ - прибыльная часть, соответственно поверхностный и внутренний слои; ДП и ДВ - донная часть, соответственно поверхностный и внутренний слои; Ат – удельная работа развития трещины.
В работе представлены результаты исследования механических свойств образцов, вырезанных в поверхностных и внутренних слоях поковки на разных этапах технологического процесса изготовления днища, при этом каждая точка диаграммы представляет собой среднее значение испытаний для 4-х образцов на растяжение и б-ти образцов - на ударный изгиб, например, рис. 14.
Рисунок 14 – Изменение В стали 15Х2НМФА при 20 0С на разных стадиях технологии производства днищ: I. металл трубной поковки в состоянии поставки; 2 - после нагрева под развертку, нормализации, отпуска; 3 - то же, что и 2 + нагрев под штамповку, отжиг; 4 - то же, что и 3 + двойная закалка, отпуск; 5 - то же, что и 4 + дополнительный отпуск. Место вырезки образца: ПП и ПВ – прибыльная часть, соответственно поверхностный и внутренний слои; ДП и ДВ – донная часть, соответственно поверхностный и внутренний слои; СР – средний показатель.
Результаты исследования механических свойств металла после пластических и термических обработок показали, что прочностные характеристики металла в состоянии поставки при температуре испытаний 350 °С ниже нормативных требований. Предел текучести металла некоторых образцов при испытаниях при 20 °С также не удовлетворяет требованиям технических условий. Для образцов, прошедших нагрев под развертку с последующей нормализацией и отпуском, только на одном образце (при 350 °С) механические свойства ниже требуемых.
После нагрева под штамповку днища и последующего отжига количество образцов с низкими прочностными характеристиками возросло до трех. Основная термическая обработка (двойная закалка с отпуском) приводит к измельчению зерна, а также к существенному повышению прочностных свойств металла. После дополнительного отпуска прочностные свойства несколько снижаются. Сравнение свойств металла у образцов, вырезанных в продольном и в тангенциальном направлениях, показало, что свойства лишь незначительно выше у образцов, вырезанных в продольном направлении. Отсутствие анизотропии механических свойств в металле поковки объясняется как всесторонней проковкой металла, так и малым содержанием сульфидных включений и отсутствием явно выраженной строчечности. Анализ образцов, испытанных на определение работы развития трещины, также подтверждает вышеприведенные закономерности. Следует отметить, что величина работы развития трещины во всех случаях имеет достаточно большие значения (выше 40 Дж/см ).
Определение физического уширения линии (220) методами рентгеноструктурного анализа показало, что наибольшие микроискажения (наибольшее физическое уширение) наблюдаются у образцов, прошедших основную термообработку. Дополнительный отпуск приводит к некоторому уменьшению микроискажений.
Одним из параметров, влияющих на механические свойства, является состав карбидной фазы, определяемый методом потенциостатического анализа. Потенциостатические кривые снимали для всех состояний металла, как для наружных, так и внутренних слоев поковки. Установлено, что на разных этапах изготовления поковки и днища состав карбидной фазы изменяется. Если после нормализации и отпуска высота пиков, соответствующих карбидам Ме23С6 и Ме7С3 приблизительно одинакова, то после закалки с отпуском преобладает пик Ме7С3. Этим можно объяснить некоторое повышение предела прочности и предела текучести металла поковки после проведения основной термообработки.
Дефектоскопический контроль методом ультразвуковой дефектоскопии после окончательных стадий изготовления днища показал, что дефектов, недопустимых по техническим условиям, в поковке и в готовом днище не наблюдается.
Таким образом, анализ макро- и микроструктуры, неметаллических включений в металле трубной поковки и в днище показал, что поковки содержат незначительное количество неметаллических включений, равномерно распределенных по сечению поковок. В днище не наблюдается ярко выраженной анизотропии свойств как по толщине поковки, так и по направлению вырезки образцов. На заключительном этапе технологии металл днища имеет мелкозернистую структуру (+4...+5 балл) и механические свойства, удовлетворяюшие требованиям технических условий. Результаты ультразвуковой дефектоскопии днища также удовлетворяют требованиям технических условий.
Результаты исследований макро- и микроструктуры, механических свойств металла, неразрушающего контроля на разных стадиях технологии изготовления днища показали целесообразность и эффективность разработанного технологического процесса для производства моноблочных крупногабаритных днищ корпуса реактора из стали 15Х2НМФА.
6 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА КРУПНОГАБАРИТНЫХ
ПЛИТ И ДНИЩ
Исходными данными для разработки технологии производства крупногабаритных плит, предназначенных для изготовления днищ корпуса реактора, служили чертежи корпуса, а также результаты лабораторных исследований, опытно-промышленных работ и внедрения нового кузнечного инструмента и новых способов ковки крупных поковок.
Комплексная технология производства плит и днищ корпуса реактора предусматривает два этапа:
-выплавку слитка массой 145 т из стали I5X2HMФА и ковку трубной поковки;
-развертку трубной поковки в плиту и штамповку днища корпуса.
Технология ковки крупногабаритных трубных поковок. Технологический процесс изготовления трубных поковок размером 2360x1690x5700 мм, предназначенных для их последующей развертки в плиту, включает следующие основные операции (рис. 15): выплавку слитка из стали I5X2HMФА массой 145 т; транспортировку его в кузнечно - прессовый цех; входной контроль качества слитка и удаление дефектов; нагрев слитка до температуры 1250 °С; обжатие прибыли слитка на диаметр 1320 мм; биллетирование слитка в комбинированных бойках шириной 1400 мм на диаметр 1960 мм; разметку биллета и вырубку блока высотой 4600 мм; нагрев блока до температуры 12. осадку блока плоскими плитами до высоты 2760 мм; транспортировку осаженной заготовки до кантовальной ямы, охлаждение ее на воздухе в течение 6,0 час. с теплоизоляцией торцов; прошивку отверстия пустотелым прошивнем диаметром 950/590-мм; нагрев прошитой заготовки до температуры 1250 °С; раскатку на оправке диаметром 900 мм до получения внутреннего диаметра поковки 1300 мм; нагрев заготовки до температуры 1250 °С; протяжку на оправке диаметром 1250/1170 мм до образования ступенчатой поковки диаметром 2120 мм с центральным буртом длиной I000 мм и наружным диаметром 2620 мм; нагрев заготовки до температуры 1200 °0; раскатку на оправке диаметром 1100 мм "бойком-лягушкой" шириной 400 мм до получения внутреннего диаметра 1700 мм; нагрев заготовки до температуры 1200 °С; протяжку на сборной оправке средней части поковки до поковочных размеров; термическую обработку трубной поковки; контроль размеров и качества поковки.
| Номер нагрева | Наименование операции | Эскиз переходов |
| 1 | Нагрев слитка до ковочной температуры |  |
| 2 | Выдать слиток из печи Закатать цапфу под патрон под диаметр 1320 мм Сбиллетировать слиток под диаметр 1960 мм Вырубить блок высотой 4600 мм, посадить в печь на подогрев |  |
| 3 | Выдать блок из печи Осадить до высоты 2760 мм Охладить на воздухе в течении 6,0 часов Прошить отверстие пустотелым прошивнем Посадить в печь на подогрев |  |
| 4 | Выдать заготовку из печи Раскатать внутреннее отверстие на диаметр 1300 мм, длина – 2800мм. Посадить в печь на подогрев |  |
| 5 | Выдать заготовку из печи протянуть на оправке до получения поковки с наружным диаметром 2400мм, длиной 4500мм. Посадить в печь на подогрев |  |
| 6 | Выдать заготовку из печи Раскатать на оправке внутреннее отверстие на диаметр 1700 мм Посадить в печь на подогрев | |
| 7 | Выдать заготовку из печи Протянуть на сборной оправке среднюю часть поковки, отправить поковку на термообработку |  |
Рисунок 15 - Технологическая схема ковки крупногабаритной трубной поковки из слитка массой 145 т, сталь I5X2HMФА
Сталь I5X2HMФА выплавляли в электродуговых печах с последующей внепечной обработкой жидкого металла на установке внепечного рафинирования и вакуумирования сталеплавильного цеха. Отливку слитков осуществляли в вакуумных камерах, давление в камере 150-200 Па. В процессе разливки отбирали пробы для определения химического состава стали, после окончания - пробы для определения содержания водорода. Анализ химического состава стали подтвердил его соответствие требованиям технических условий, при этом следует отметить низкое содержание в стали вредных примесей, особенно фосфора, что свидетельствует о хорошем качестве металла. Передачу слитка в кузнечно - прессовый цех производили лафетом грузоподъемностью 280 т. Температура поверхности слитка составляла не менее 550 °С. После осмотра и устранения дефектов слиток сажали в печь на подложки высотой 600 мм. Температуру печи и металла контролировали термопарой и оптическим пирометром.
Ковку слитка производили на гидравлическом прессе усилием 150 МН, имеющего устройство для быстрой смены комплекта бойков, ковочный манипулятор грузоподъемностью 120 т и инструментальный манипулятор грузоподъемностью 2 т.
После выдачи из печи слиток укладывали на нижний боек пресса усилием 150 МН, заводили цепь кантователя ковочного крана и производили ковку прибыли под патрон, величина обжатия за ход пресса составляла 150-200 мм, величина подачи – 1000 мм. Рубку цапфы осуществляли подвесным топором. На ковочный кран одевали патрон и производили биллетировку слитка, затем - вырубку блока.
После второго нагрева блок транспортировали к кантователю, устанавливали в вертикальное положение, подавали к прессу и помещали на плоскую осадочную плиту, накладывали верхнюю плоскую плиту и производили осадку. Осаженную заготовку клещами транспортировали на кантовальную яму, торец термоизолировали и охлаждали на воздухе в течение 6,0 час. На стол пресса устанавливали нижнюю плоскую плиту и квадрат, заготовку ставили на них, краном устанавливали пустотелый прошивень и производили прошивку.
После третьего нагрева на стол пресса ставили раскатные стойки, а на подвижную траверсу - раскатной боек. На ковочный кран подвешивали патрон с оправкой, на которую надевали прошитую заготовку, транспортировали к прессу и производили раскатку. После четвертого выноса заготовку с подвешенным патроном и справкой подавали к прессу, укладывали на нижний вырезной боек и протяжкой получали поковку. На пятом и шестом выносах заготовку раскатывали на оправке, протягивали на сборной оправке центральную часть заготовки до получения требуемых размеров. После ковки поковку маркировали и в горячем состоянии передавали в термическое отделение цеха.
Технология изготовления широких толстых плит. Откованную трубную поковку размерами 2360x1690x5760 мм, подвергнутую после ковки изотермическому отжигу, перекристаллизации при температуре 930-950 оС и отпуску при температуре 640-660 °С с последующим охлаждением на воздухе, доставляли в кузнечно - прессовый цех ЗАО "Атоммаш".
Разработанный технологический процесс изготовления крупногабаритных плит и штамповки днища корпуса реактора BВЭP-I000 включает следующие основные операции: входной контроль качества трубной поковки; обработку торцов поковки на горизонтально-расточных станках; приварку проушин для транспортировки поковки; обточку внутренней и наружной поверхностей трубной поковки на токарно-карусельных станках; ультразвуковую дефектоскопию поковки; разрезку поковки по образующим с вырезкой полосы шириной 800 мм; нагрев поковки; развертку трубной поковки в плиту за 4 перехода; термическую обработку плиты; ультразвуковую дефектоскопию плиты; вырезку заготовки диаметром 5450 мм; нагрев заготовки под штамповку днища; штамповку днища на листоштамповочном прессе усилием 150 МН; отжиг днища корпуса реактора; контроль геометрических размеров днища; термическую обработку (двойная закалка с отпуском) днища; ультразвуковую дефектоскопию днища; механическую обработку днища под наплавку внутренней поверхности и под сварку с корпусом реактора; наплавку внутренней поверхности днища; контроль качества.
По разработанному технологическому процессу изготовили 8 днищ корпусов реакторов, испытания которых показали их полное соответствие требованиям технических условий (рис.16).
(а) (б) (в)
Рис.16 Стадии развертки плиты размерами 5500х5500х300 мм
а- первая стадия развертки, б- промежуточная стадия развертки,
в- окончательная стадия развертки
Технология изготовления крупногабаритных бесшовных днищ большого диаметра. Сосуды высокого давления и корпуса оборудования энергетических установок, нефтехимических и нефтегазовых аппаратов имеют приварные днища различного диаметра. Бесшовным днище является в случае, если для его штамповки используется плоская заготовка, изготовленная из листа (плиты), на которой отсутствует сварной шов. Для относительно тонкостенных днищ сосудов, работающих в условиях низких и средних давлений при невысоких температурах рабочей среды, наличие сварных швов вполне допустимо. Однако наличие сварных швов на днищах для оборудования энергетических, особенно атомных, установок крайне нежелательно, т. к. применение сварных днищ приводит к пересечению сварных швов днища при его сварке с корпусом, что существенно снижает эксплуатационные характеристики корпуса в целом и его надежность. Указанное еще в большей степени относится к эллипсоиду крышки корпуса реактора, т.к. толщина эллипсоида существенно больше толщины днища и, кроме кольцевого шва приварки к фланцу, в эллипсоиде производят множество сверлений с приварными штуцерами, попадающими на сварной шов. Кроме того, многочисленные дефекты, выявляемые на сварных заготовках, дополнительные расходы на их выборку, заварку и контроль приводят к необходимости поиска возможностей изготовления крупногабаритных плит без сварных швов.
Размеры вырезанных из плит заготовок для штамповки днища и эллипсоида крышки реактора должны быть следующими: днище – диаметр 5450 мм, толщина 275 мм; эллипсоид крышки - диаметр 5100 мм, толщина 380 мм.
При разработке технологии штамповки днищ реакторного оборудования необходимо уточнение основных технологических параметров и поиска новых конструктивных решений штамповой оснастки, что обусловлено большими габаритами и толщиной днищ. В ходе опытных работ на моделях (масштаб 1:5) и при штамповке натурных заготовок проверке и уточнению подлежали практически все основные технологические параметры вытяжки: расчет размеров исходной заготовки под вытяжку; выбор зазора между пуансоном и матрицей вытяжного штампа; определение радиуса закругления матрицы (матричного кольца); температурный режим нагрева заготовки и процесса штамповки; расчет усилия вытяжки; конструктивные элементы штампа, обеспечивающие съем днища с пуансона.
Штамповку днища производят в горячем состоянии, при котором нагрев до температуры 1200оС и значительная толщина заготовки приводят к утонению заготовки эллиптического днища не только в зоне перехода пологой части днища к цилиндрическому участку, но и на значительной площади центральной зоны. Указанное при сохранении объема приводит к увеличению площади поверхности днища и, как следствие, к получению завышенного диаметра исходной заготовки (до15 %).
Зазор между пуансоном и матрицей рекомендуется принимать в пределах Z=(1,04-1,15) So, где So –толщина исходной заготовки). Однако опытные работы по штамповке толстостенных днищ корпусов реактора и компенсатора давления показали, что оптимальной величиной зазора является значение Z=(1,07-1,10) So. Радиус закругления матрицы (матричного кольца) для толстостенных днищ рекомендуется выполнять от значения Rm=(2,0-2,5) So до Rm=1,12 So. Безусловно, величина радиуса 2,5 Sо и даже 3,0 Sо способствует уменьшению усилия вытяжки и утонению стенки заготовки. Однако с учетом фактических размеров штампового пространства пресса усилием 150 МН, практически невозможно выполнять радиус, равный 2,5 Sо, т. к. это приводит к недопустимому увеличению диаметра матрицы и хода вытяжки. C другой стороны, величина Rm =1,12 So является недостаточной, т. к. приводит к увеличению усилия вытяжки и утонению заготовки, а также к образованию вогнутости на поверхности днища при вытяжке.
В результате опытных работ установлено, что для особо толстостенных днищ рациональной величиной радиуса матрицы является Rm =(1,2-1,5) Sо. При величине зазора Z= (1,07-1,10) Sо данный радиус обеспечивает достаточную точность размеров и формы днищ при максимальном утонении заготовки в пределах 10-12 %.
Высокие требования, предъявляемые к служебным свойствам материалов штампуемых заготовок, и чувствительность указанных материалов к перегреву и длительности выдержки при максимальной температуре обусловили необходимость внести коррективы в режимы нагрева заготовок под штамповку, а также в температурный интервал штамповки. Исследования показали, что нагрев заготовок из стали 15Х2НМФА следует проводить до температуры 1050-1100 оС с выдержкой 1-2 минуты на один мм толщины заготовок.
Штамповую оснастку для вытяжки крупногабаритных толстостенных днищ изготовили в двух вариантах. На листоштамповочном гидравлическом прессе двойного действия усилием 150 МН вытяжку днища осуществляли по классической схеме центральным (вытяжным) пуансоном, а прижимной ползун использовали для съема отштампованного днища с пуансона посредством съемного кольца, закрепленного на прижимном ползуне.
При штамповке днищ на прессе простого действия для съема днища с пуансона использовали специальную конструкцию пуансона, состоящего из основной части, формирующей эллиптическую часть днища, и свободно установленного на пуансоне кольца с фланцем, по которому оформляется цилиндрическая часть и небольшой участок эллиптической поверхности, примыкающей к горизонтальной оси эллипса (рис.17).
В процессе вытяжки основной пуансон и кольцо работают как единое целое, производя штамповку днища. В конце хода вытяжки заготовка охватывает поверхность кольца, а при дальнейшем ходе фланец кольца упирается в матрицу и основной пуансон снимает цилиндрическую часть днища с кольца. По этой схеме изготовлены штампы для толстостенных днищ корпусов различного диаметра.
Рисунок 17 – Конструкция штампа для получения днищ большого диаметра:
1 – пуансон; 2 – кольцо; 3 – матрица
Технология производства моноблочных плит размерами 7600х7600х360 мм. Реакторная установка ВПБЭР-600 относится к атомным станциям нового типа и имеет корпус с наружным диаметром 6130 мм, толщиной стенки 265 мм и длиной 19550 мм. Днище корпуса эллиптической формы можно изготовить из плиты с размерами 7600х7600х350 мм, которую можно получить разверткой трубной заготовки с размерами после механической обработки D/S = 2930х2200 мм и длиной 7600 мм. Для изготовления такой заготовки необходимо отковать трубную поковку с наружным диаметром 3050 мм, внутренним диаметром 2100 мм и длиной 8000 мм.
С целью реализации возможности изготовления моноблочных трубных поковок и плит вышеуказанных размеров провели анализ потенциальных возможностей сталеплавильного, кузнечно-прессового, подъемно-транспортного, нагревательного и термического оборудования ведущих предприятий Российской Федерации: ОАО «Уралмаш», «Уралхиммаш», МК «Баррикады», ОАО «ОМЗ» «Ижорские заводы» (КПЦ №47 «Спецсталь»), ЗАО «Энергомаш» (Волгодонск) «Атоммаш». Анализ показал, что поставленная задача может быть выполнена только на предприятиях «Ижорские заводы» и «Атоммаш» после проведения соответствующей реконструкции металлургического производства.
Предложена следующая технологическая схема изготовления моноблочных крупногабаритных плит для штамповки днища корпуса реактора нового поколения повышенной безопасности: ОАО «Ижорские заводы» производит выплавку слитков из стали 15Х2НМФА, изготовление трубных поковок, их транспортировку в г. Волгодонск водным или железнодорожным транспортом; В ЗАО «Атоммаш» осуществляют развертку трубной поковки в плиту, вырезку заготовки, штамповку и окончательную отделку днища.
На основе проведенного анализа, результатов исследования и опыта внедрения технологии производства плит для штамповки днища корпуса реактора ВВЭР-1000 разработали принципиальную технологию производства плит с размерами 7500х7500х400 мм и более, основными технологическими операциями являются: выплавка слитка массой 290 т из стали 15Х2НМФА; биллетировка слитка и вырубка блока диаметром 2650 мм и высотой 5150 мм; осадка блока до высоты 3000 мм, охлаждение на воздухе в течение 11,5 часа и прошивка пустотелым прошивнем диаметром 1200 мм; раскатка прошитой заготовки на оправке диаметром 1100 мм до получения внутреннего диаметра 1300 мм; протяжка на оправке диаметром 1280/1220 мм ; раскатка на оправке диаметром 1200 м до получения внутреннего диаметра 2100мм; протяжка поковки на сборной оправке с кольцом диаметром 2000 мм и длиной 4300 мм; термическая обработка трубной поковки; транспортировка поковки; механическая обработка трубной поковки до получения наружного диаметра 2800 мм, внутреннего диаметра 2090 мм и длины 7600 мм; прорезка паза по образующей шириной 50 мм; развертка трубной поковки в плиту клиновым инструментом; вырезка заготовки, ее нагрев и штамповка днища на гидравлическом штамповочном прессе усилием 150 МН; термическая обработка днища; механическая обработка торца, наружной и внутренней поверхности днища; контроль качества днища.
Разработанная технология производства моноблочных плит для штамповки днищ корпуса реактора нового поколения повышенной безопасности предусматривает минимальный объем реконструкции действующих металлургических производств ОАО «ОМЗ» Ижорские заводы» и ЗАО «Энергомаш (Волгодонск) «Атоммаш».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
В соответствии с целью проведения научной работы и поставленными для достижения цели задачами в диссертационной работе выполнено комплексное исследование по изучению процесса производства заготовок днищ для энергетических установок, включающего в себя: операции ковки крупногабаритных трубных поковок, режимы нагрева и охлаждения заготовок, развертку трубных заготовок в плиту, штамповку заготовки днищ, а также изучение физико-механических свойств и структуры металла заготовок на различных стадиях изготовления заготовок днищ. На основе полученных в работе новых научных результатов были разработаны новые эффективные ресурсосберегающие технологические процессы, которые обеспечивают получение требуемых результатов со значительным экономическим эффектом.
В результате по диссертационной работе можно сделать следующие основные выводы:
1. Решена на основе обобщений и анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований научно-техническая проблема разработки и внедрения комплексной технологии производства крупногабаритных моноблочных плит и изготовляемых из них бесшовных днищ корпусов атомных реакторов требуемого качества.
2. Разработана на основе общей теории теплопередачи и теплопроводности методика расчета температурных полей в крупных кузнечных заготовках из слитков массой 15-420 т при их нагреве и охлаждении, позволяющие обеспечить контролируемое изменение сопротивления деформации металла по сечению и высоте поковки.
3. Разработана методика расчетов процессов ковки крупных поковок с неравномерным нагревом на основе общей теории неизотермической деформации нелинейной вязкопластической среды с деформационным и скоростным упрочнением в зависимости от температуры, связывающая расчетные значения термомеханических параметров в материальной точке деформируемого тела (температуру, степень и скорость деформации) с экспериментальными значениями реологических свойств деформируемого металла и характеристиками напряженно-деформированного состояния.
4. Установлен на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований характер изменения теплового поля кузнечных заготовок из слитков массой 15,6-420 т диаметром 920-3460 мм при их охлаждении на воздухе и продолжительность охлаждения этих слитков перед прошивкой для обеспечения требуемого градиента температур по сечению. Установлен экспериментально характер изменения температуры по сечению слитка массой 39 т диаметром 1350 мм при его охлаждении на воздухе; сравнение данных расчета и результатов экспериментальных исследований показало их хорошую сходимость. Предложена методика моделирования и реализации неравномерных температурных полей в высоких заготовках (H/D 1,5-2,0) для их последующей прошивки. Установлено влияние степени деформации, конфигурации осадочных плит, наличия в них осевых отверстий на степень закрытия дефектов в осевой зоне при осадке перед последующей прошивкой. Предложены и внедрены новые технологические схемы прошивки сверхвысоких промышленных заготовок и разработаны новые конструкции полых прошивней, повышающие качество полых заготовок за счет исключения разностенности поковок и снижающие отходы металла за счет изменения формы удаляемого осевого отхода и устранения образования торцевого заусенца на нижнем торце заготовки.
5. Разработаны и внедрены новые способы протяжки и раскатки и новые конструкции оправок ступенчатой формы в моноблочном и сборном исполнениях, позволяющие получать толстостенные цилиндрические поковки длиной до 8000 мм и внутренним диаметром свыше 1200 мм, что расширяет технологические возможности универсальных ковочных прессов при производстве полых поковок.
6. Установлено на основе результатов физического и компьютерного моделирования влияние конфигурации и параметров плоского и клинового инструмента, технологических параметров процесса на эффективность развертки крупных полых поковок. Разработаны и внедрены в условиях ОАО «Атоммаш» штамповая оснастка и новые конструкции плоского инструмента для развертки толстостенных трубных поковок в плоские моноблочные плиты размерами 5500x5500x280 мм. Разработаны и прошли опытно-промышленное опробование технологические схемы и режимы процесса развертки трубных поковок клиновым инструментом новой конструкции конической и криволинейной формы, повышающие коэффициент использования металла на 10-15 % и позволяющие уменьшить число переходов при развертке по сравнению с разверткой заготовок плоскими бойками. Способ развертки клиновым инструментом опробован в промышленных условиях ЗАО "Атоммаш" при развертке трубной поковки из стали 15Х2НМФА длиной 1600 мм диаметром 620 мм и толщиной стенки 70 мм.
7. Проведены комплексные исследования влияния основных технологических параметров пластических и термических обработок на физико-механические свойства и структуру металла на разных стадиях технологии производства крупногабаритных плит и днищ корпуса реактора ВВЭP-I000. Показано результатами исследования макро - и микроструктуры, механических свойств, фрактографических и рентгеноспектральных исследований, определения ударной вязкости и работы развития трещины, ультразвуковой дефектоскопии, что металл днища по своим структурным, прочностным и пластическим характеристикам удовлетворяет требованиям технических условий.
8. Разработаны научные основы проектирования эффективных технологических процессов производства крупногабаритных моноблочных плит. Разработана и внедрена комплексная технология производства моноблочных крупногабаритных плит из стали 15Х2НМФА с размерами 5500x5500x280 мм, предназначенных для штамповки днищ корпуса реактора ВВЭР-1000, включающая изготовление толстостенной трубной поковки из слитка массой 145 т в условиях ОАО "Энергомашспецсталь" и развертку поковки в плиту, штамповку днищ и их термическую обработку в условиях ЗАО "Атоммаш".
9. Изготовлены в промышленных условиях ОАО "Энергомашспецсталь" крупногабаритные трубные поковки с наружным диаметром 2380 мм, толщиной стенки 290 мм и длиной 5760 мм, из которых в условиях ЗАО "Атоммаш" получены разверткой моноблочные плиты; разработана штамповая оснастка и изготовлено восемь днищ корпуса реактора ВВЭP-I000, удовлетворяющих по своим качественным показателям требования технических условий. Внедрение разработанной технологии позволило снизить трудоемкость изготовления плит в 1,6 раза, расход металла - на 10-15 % по сравнению с прокатно-сварным вариантом изготовления плит, существенно повысить надежность работы корпуса реактора за счет исключения перекрестных сварных швов. Ожидаемый экономический эффект от использования разработанных новых технологических процессов составляет более 10 млн. рублей.
10. Проведен анализ потенциальных возможностей сталеплавильного, кузнечно-прессового и термического производств, подъемно-транспортного оборудования ведущих предприятий Российской Федерации применительно к производству моноблочных кованых плит для изготовления днищ корпуса реактора ВПБЭР-600 диаметром 6130 мм и других энергосиловых установок с электрической мощностью свыше 1000 МВт. Предложена технология производства моноблочных плит из стали 15Х2НМФА с размерами 7600x7600x360 мм, включающая выплавку слитка массой 290 т, ковку трубной поковки с наружным диаметром 3050 мм, толщиной стенки 475 мм и длиной 8000 мм в условиях ОАО «Ижорские заводы», ее развертку клиновым инструментом в условиях ЗАО "Атоммаш", предусматривающая минимальный объем реконструкции действующих производств этих предприятий.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО
В РАБОТАХ:
1. Кобелев О.А., Цепин М.А., Скрипаленко М.М. Ковка широких толстых плит. М.: Теплотехник, 2009. - 192 с.
2. Радиальное обжатие полых заготовок в четырехбойковом ковочном блоке /В.П.Троицкий, Ю.Н.Буленков, Р.Г.Шарафутдинов, О.А.Кобелев. В кн.: Обработка металлов давлением/МИСиС. М.: Металлургия, 1987. – С. 43-47.
3. Изготовление крупногабаритных толстолистовых заготовок методом ковки / Г.А.Пименов, Г.А.Костюков, П.С.Рябов, О.А.Кобелев, В.Д.Рогаль //Тяжелое машиностроение. – 1991. - №9. – С. 21-24.
4. Троицкий В.П., Кобелев О.А. Совершенствование технологических процессов изготовления трубных поковок и деталей ответственного назначения //Металлург. – 1998. - №5. – С. 15-19.
5. Троицкий В.П., Кобелев О.А., Лебединский И.Н. Технологические особенности изготовления толстостенных труб большого диаметра //Кузнечно-штамповочное производство. – 1998. - №7. – С. 26-28.
6. Hot Punching of high intermediates with Nonuniform Temperature Field. /O.A.Kobelev, H.Hartman, A.W.Zinoviev, M.A.Zepin. У111 Miedzynarodowa Konferencja Naukova. Nowe technologie i osiagniecia w metalurgii I inzynierii materialowey. Czestochowa, 2007. s. 249-252.
7. Kobelev O.A., Popov V.A. and Kobelev A.G. Development of a Method for Manufacturing Thick Large-sized Plates. Proc. Of Int. Conf. “Materiais 200 – Х111 Conference of Socidade Portuguesa de Materials, 1-4 April 2007, Porto, Portugal, Book of abstracts, p. 522.
8. Кобелев О.А., Тюрин В.А. Анализ процессов производства крупногабаритных плит //Известия вузов. Черная металлургия. – 2007. - №9. – С. 9-11.
9. Кобелев О.А., Зиновьев А.В. Изготовление широких толстолистовых плит. Труды седьмого конгресса прокатчиков (том 1). М.: МОО «Объединение прокатчиков» - 2007. – С. 50-57
10. Кобелев О.А., Цепин М.А. Прошивка толстостенных трубных заготовок. Труды седьмого конгресса прокатчиков (том 1). М.: МОО «Объединение прокатчиков» - 2007. – С. 443-447.
11. Кобелев О.А., Тюрин В.А. Изготовление толстостенных трубных поковок и заготовок для производства плит // Кузнечно-штамповочное производство. – 2008. - №1. – С. 27-31.
12. Kobelev O.A., Tyurin V.A. Production of Large Plates. Steel in Translation, 2007. - Vol. 37. - No. 9. - Р. 727-729.
13. Kobelev O.A., Zinovev A.V. Research of structure and properties of thick-walled tube forgings. 1Х Miedzynarodowa Konferencja Naukova. Nowe technologie i osiagniecia w metalurgii I inzynierii materialowey. Czestochowa, 2008. - S. 195-200.
14. Скрипаленко М.М., Цепин М.А., Кобелев О.А.. Влияние формы прошивня на усилие прошивки предельно высоких заготовок. Материалы 1Х международной научной конференции. Польша, Ченстохов, 2008. - C. 424-429.
15. Ромашко Н.И., Токарев А.Г., Кобелев О.А. Разработка технологии изготовления крупногабаритных толстых плит и вытяжки бесшовных днищ большого диаметра. Кузнечно-штамповочное производство. – 2008. - №7. – c. 22-26.
16. O.A.Kobelev, M.A.Tsepin, M.M. Skripalenko, V.A.Popov. Features of Technological layout of Manufacture of unique mono-block large-dimension Plates. 1 St International Conference on New Materials for Extreme Environmets June 2t 04, 2008 San Sebastian (Spain). – Р. 30-31.
17. Кобелев О.А. Выплавка стали для штамповки бесшовных днищ большого диаметра. Сб. трудов научно-техн. конф. «Экология, ресурсосбережение, материаловедение в производстве высококачественных металлов». М.: МГВМИ, 2008. – С. 15-16.
18. Кобелев О.А. Технологическая схема производства моноблочных крупногабаритных плит. Сб. трудов научно-техн. конф. «Экология, ресурсосбережение, материаловедение в производстве высококачественных металлов». М.: МГВМИ, 2008. – С. 17-18.
19. Features of technological layout of manufacture of unique mono-block large-dimension plates. / O.A. Kobelev, M.A. Tsepin, M.M. Skripalenko, V.A. Popov. EXSTREMAT: Advanced Materials Research. – 2009. - Vol. 59. - Р. 71-75.
20. Kobelev O.A., Tyurin V.A. Manufacturing Thick –Walled Forged Tubular Items and Preforms for Production of Plates. Forging and Stamping Production. Material Working bu Pressure. – 2008. - №1. – Р. 21-31.
21. Metal Quality Studies in Manufacturing of Wide Forged Plates. / O.A Kobelev, V.A. Popov, R. Kawalla, A.G. Kobelev. European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes “EUROMAT 2007”. Nurnberg, Germany, 2007. – РР. 89-93.
22. Исследование температурных условий неравномерного нагрева крупных кузнечных заготовок для их последующей прошивки. / О.А. Кобелев, А.В. Зиновьев, М.А.Цепин, М.М. Скрипаленко. Материалы Х международной научной конференции. Польша, Ченстохов, 2009. - С. 156-161.
23. Кобелев О.А., Цепин М.А., Кобелев А.Г. Развертка крупногабаритных трубных поковок в плиты плоским инструментом. Материалы Х международной научной конференции. Польша, Ченстохов, 2009. - С. 18-21.
24. Кобелев О.А., Тюрин В.А. Клиновой инструмент для развертки толстостенной трубной поковки в плиту. // Кузнечно-штамповочное производство. – 2009. - №. 7– С.12-15.
25. Кобелев О.А., Тюрин В.А. Совершенствование процесса прошивки крупных предельно высоких заготовок //Известия вузов. Черная металлургия. – 2009. - №7. – С. 29-31
26. Ковка разверткой толстостенных трубных поковок в плиты для штамповки бесшовных крупногабаритных плит. /О.А. Кобелев, М.А. Цепин, А.Г. Кобелев, М.М. Скрипаленко. Материалы У Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании. Том 1. г. Варна: Болгария, 2009. – С. 209-212.
27. Kobelev O.A., Tyurin V.A. Improving the Piercing of Large Blanks of Limiting Height. Steel in Translation, 2009. vol. 39. No. 7. pp. 541-543.
28. Кобелев О.А., Зиновьев А.В.,. Цепин М.А. Разработка эффективной технологии производства крупногабаритных трубных заготовок ответственного назначения //Сталь. – 2009. - №6 - с. 48-52.
29. Кобелев О.А. Исследование структуры металла плит размером 5500х5500х300мм и бесшовных днищ на разных стадиях их производств. В сб. В сб. «Прогрессивные технологии пластической деформации». М.: МИСиС, 2009. –С.201-202.
30. Кобелев О.А. Физико-механические свойства широких плит и бесшовных днищ большого диаметра для атомного машиностроения. В сб. «Прогрессивные технологии пластической деформации». М.: МИСиС, 2009. – С. 202-203.
31. Кобелев О.А. Моделирование процесса развертки крупногабаритных трубных поковок в плоские плиты //Известия вузов. Черная металлургия. – 2010. - № 1. – С. 28-32
32. Кобелев О.А. Совершенствование клинового инструмента для развертки толстостенных трубных поковок в плиты//Известия вузов. Черная металлургия. – 2010. - № 3.– С. 13-15
33. Кобелев О.А. Моделирование и совершенствование клинового инструмента для развертки кованых труб большого диаметра. Кузнечно-штамповочное производство. – 2010. - №. 7.– С. 27-29
34. Кобелев О.А. Технология изготовления цельнокованых крупногабаритных плит и бесшовных днищ //Металлург. – 2009. - № 12. – С. 55-58
35. Кобелев. О.А. Физико-механические свойства крупногабаритных плит и бесшовных днищ на разных этапах технологии их производства. //Металлург. – 2010. - № 1. – С. 56-58
36. Кобелев. О.А. Технологическая схема производства моноблочных плит размерами 7600х7600х360 мм. //Сталь. – 2010. - № 4. – С. 59-60
37. А.с. №1731386, СССР, МКИ B 21 J 5/10/. Способ изготовления полых заготовок. /Г.А.Пименов, О.А.Кобелев. М.: 1988.
38. А.с. СССР № 1665604. Кл. B 21 J 5/10, 1989. Инструмент для разведения кромок полых цилиндрических предварительно разрезанных по образующей заготовок /Г.А.Пименов, О.А.Кобелев, Б.И.Соловьев. М.: 1988.
39. А.с. СССР №1756008. Кл. B 21 J 5/10. Способ изготовления полых поковок / Г.А.Пименов, О.А.Кобелев, Ю.Ф.Суров. М.: 1990.
40. А.с. СССР №1814855. Кл. B 21 J 5/10. Способ протяжки полых заготовок/ Г.А.Пименов, О.А.Кобелев, В.П.Кучумов и др. М.: 1990.
41. А.с. СССР №1814858. Кл. B 21 J 5/10. Способ изготовления полых поковок/ Г.А.Пименов, О.А.Кобелев, В.Н.Звонарев. М.: 1990.
