Simularea pe calculator si optimizarea proceselor tehnologice

Bucureşti 2013

INCALZIREA

Regimuri de incalzire a lingourilor si semifabricatelor in vederea deformarii plastice.

In general, procesul de incalzire a materialelor metalice in vederea forjarii, trebuie sa asigure obtinerea temperaturii necesare, cat mai uniform distribuita pe intreaga sectiune a lingoului sau semifabricatului, in minimul de timp si fara sa provoace crapaturi sau fisuri in material. Scurtarea timpului de incalzire conduce, pe de o parte la reducerea consumului de combustibil sau energie electrica, iar pe de alta parte la micsorarea exidarii si decarburarii materialului care se incalzeste. In acelasi timp insa, scurtarea exagerata a duratei de incalzire conduce la crearea unei diferente mari de demperatura intre centrul si suprafata lingoului sau semifabricatului care la randul sau favorizeaza fisurarea sau craparea materialului.

Tinand seama de acest lucru, in practica uzinala se folosesc in principal doua regimuri de incalzire:

1. Incalzire cu mentinerea constanta a temperaturii cuptorului, egala cu temperatura de incalzire finala a materialului. Aceasta varianta asigura incalzirea in timpul cel mai scurt si cu consum minim de combustibil. Pe de alta parte insa, varianta este aplicabila numai pentru semifabricatele subtiri, sau in general oteluri cu continut scazut de carbon, la care diferenta de temperatura care se creaza intre centru si periferie in timpul incalzirii materialului nu conduce la pericolul de fisurare sau crapare.

2. Incalzire cu doua sau mai multe trepte de mentinere, care se foloseste pentru liongourile si semifabricatele sensibile la fisurare. La acestea, diferenta de temperatura intre centru si periferie in timpul incalzirii nu trebuie sa depaseasca o anumita valoare care determina viteza de incalzire maxim admisa.

In cazul otelurilor, fenomenul de fisurare datorita tensiunilor termice are loc numai pana cand temperatura in axa materialului atinge 500-600°C. Peste aceste temperaturi, otelurile isi maresc foarte mult plasticitatea si in consecinta tensiunile care iau nastere din cauza diferentei de temperatura pe sectiunea lingoului sau semifabricatului, conduc la deformari plasitce locale fara pericol

de fisurare. De aceea, pentru otelurile sensibile la fisurare, viteza de incalzire trebuie limitata numai pana la 500-600°C, dupa care poate fi marita pana la viteza realizabila de catre cuptorul de incalzire.

Alegerea numarului de trepte de mentinere depinde de gradul de aliere al otelului si de marimea lingoului sau semifabricatului.In literatura de specialitate pentru regimurile de incalzire a lingourilor si semifabricatelor sunt prezentate si recomandate o serie de date practice:

Pentru grosimi mai mici de 30 mm, 3...4 min/cm; Pentru grosimi intre 30 si 65 mm, 6...8 min/cm; Pentru grosimi intre 65 si 130 mm, 12 min/cm; Pentru lingouri cu diametrul pana la 400 mm, 10...20 min/cm.

Datele corespund asezarii semifabricatelor intr-un singur strat pe vatra cuptorului. Daca semifabricatele se aseaza in doua straturi este necesar ca timpul determinat sa fie marit cu 50%.

Pornind de la elementele prezentate s-a alcatuit un program pe calculator cu ajutorul caruia se pot trasa rapid diagramele de incalzire in vederea deformarii plastice. Parametrii care s-au folosit ca date de intrare la alcatuirea programului pe calculator au fost: starea materialului, gradul de aliere, forma sectiunii transfersale, grosimea lingoului sau semifabricatului, modul de asezare pe vatra cuptorului.

In ceea ce priveste starea materialului, s-au alcatuit doua grupe: in prima intra material in stare turnata adica lingourile, inar in a doua material deformat plastic in prealabil(semifabricate laminate sau forjate).

Din punct de vedere al gradului de aliere materialul care se incalzeste a fost impartit in trei categorii: nealiat si slab aliat, mediu aliat, inalt aliat.

Ca forma a sectiunii transversale, s-au alcatuit doua grupe: lingouri si semifabricate rotunde intr-o grupa si semifabricate patrate sau dreptunghiulare in cealalta grupa.

Optimizarea regimurilor de incalzire

Incalzirea lingourilor si semifabricatelor in vederea deformarii plastice se face in scopul maririi plasitcitatii si reducerii rezistentei la deformare. Se poate aprecia ca la temperaturile la care are loc deformarea la cald, rezistenta la deformare a materialelor este de aproximativ 8-10 ori mai mica si plasticitatea de 3-5 ori mai mare decat la temperatura ambianta. In cuptoare, incalzirea materialului se face pe baza schimbului de caldura intre spatiul de lucru al cuptorului si suprafata lingoului sau semifabricatului incalzit. In continuare distributia temperaturii pe sectiunea materialului depinde de modul de realizare al transferului de caldura de la suprafata spre centrul lingoului sau semifabricatului in timpul incalzirii.

Realizarea incalzirii este dependeta de mai multi factori: temperatura finala de incalzire, viteza de incalzire, densitatea de flux termic la care se adauga temperatura mediului de incalzire(a cuptorului). Din teoria transferului de caldura se cunoaste faptul ca prelucrarea ecuatiei transferului de caldura este posibila doar daca se adopta anumite conditii la limita(de contur, de ordinul 3). In cazul concret al incalzirii in cuptoare metalurgice, unul din parametrii enumerati mai sus trebuie mentinut constant. In functie de acestea se disting mai multe regimuri de incalzire care determina algoritmul de calcul pentur durata de incalzire. Aceste regimuri de incalzire sunt:

Incalzire la temperatura cuptorului constantaAcest regim se aplica frecvent in cazul incalzirii in cuptoarele cu

combustibil a semifabricatelor subtiri (Bi<0,25) si in cazul celor masive (Bi>0,25) dupa ce s-a depasit pericolul fisurarii din cauza tensiunilor termice (peste 700-800°C).

Incalzire cu flux termic constantVarianta se utilizeaza in general pentru lingourile si semifabricatele

masive din punct de vedere termic (Bi>0,25), la care exista pericolul fisurarii din cauza tensiunilor termice care pot depasi valorile admisibile.

Daca la aceste materiale toata perioada de incalzire se realizeaza cu q<qadm=constant, se obtine o neuniformitate a incalzirii foarte ridicata, ceea ce ar insemna o mentinere indelungata la temperatura de incalzire

pentru egalizare. Acest lucru conduce la diminuarea productivitatii cuptorului si la cresterea consumurilor energetice.

Incalzire cu viteza constantaAceasta situatie reprezinta o varianta a incalzirii cu flux termic

constant si se aplica la incalzirea corpurilor cu difuzivitate termica(a) redusa sau la incalzirea otelurilor panal la 700-800°C inlocuind incalzirea cu flux termic constant.

Incalzire cand temperatura suprafetei materialului se mentine constantaAcest regim de incalzire se utilizeaza in ultima perioada a incalzirii

cu scopul micsorarii diferentei de temperatura pe sectiunea materialului incalzit. Regimul prezentat poate fi realizat in doua variante: incalzire izoterma cand se mentine Ts=ct, fluxul termic primit de material servind pentru cresterea temperaturii zonei centrale Tc, adica q=qcond, (qcond este fluxul conductiv in interiorul materialului); incalzire adiabata atunci cand, in perioada de incalzire, temperatura suprafetei Ts se ridica peste cea ceruta de tehnologie, apoi se intrerupe sursa termica, temperatura centrului Tc crescand pe seama fluxului termic conductiv(qcond) de la suprafata spre interiorul materialului.

Una din caracteristicile fizice de baza care intervine in procesul de transfer de caldura din interiorul materialului este conductivitatea termica (λ). Aceasta depinde de compozitia chimica a otelului si de temperatura. De regula pe masura cresterii gradului de aliere conductivitatea termica scade. De asemenea odata cu cresterea temperaturii, conductivitatea termica scade pentru otelurile aliate si creste pentru cele nealiate pana in jurul temperaturilor de 700-800°C. Peste aceste temperaturi valoarea λ este aproximativ aceeasi pentru toate otelurile si are o crestere usoara de la 22kcal/m*h*°C pentru 700°C la 27 Kcal/m*h*°C pentru temperaturi in jur de 1200°C.

Conductivitatea termica mai depinde si de starea materialului, aceasta fiind cu 10-15% mai mare la materialul deformat plastic in comparatie cu cel turnat si mai mica pentru materialul calit, fata de cel recopt.

Conductivitatea termica a otelurilor nealiate se poate calcula cu formula emipirica:

λ 0=60-8.7*C-14.4*Mn-29.0*Si Kcal/m*h*°C

in care C, Mn si Si reprezinta continutul procentual de carbon, mangan si siliciu. Aceasta relatie este valabila pentru temperatura de 20°C si un continut de carbon de pana la 1.5%, de mangan si siliciu de pana la 0.5%.

Pentru determinarea conductivitatii termice a otelurilor nealiate in functie de temperatura se foloseste relatia urmatoare, unde K este o constanta care tine seama de temperatura.

λt=K*λ0 Kcal/m*h*°C

FORJAREA

Modelarea curgerii materialului in timpul forjarii

Raportul intre alungire si latire la intinderea prin forjare influenteaza nu numai proprietatile mecanice ale produsului obtinut, ci si o serie de parametri tehnologici cum ar fi productivitatea, marimea tensiunilor de intindere axiala, forta si lucrul mecanic in timpul deformarii plastice. La randul lor alungirea si latirea sunt influentate atat de existenta capetelor rigide in fata si in spatele portiunii care se deformeaza la o lovitura sau preasare, cat si de conditiile de lucru. Printre conditiile de lucru se numara raportul dintre lungimea de prindere a semifabricatului intre scule l0 si latimea b0 a acestuia, gradul de deformare, forma initiala a sectiunii transversale.

In cazul absentei capetelor rigide, deplasarea materialului in timpul deformarii unui semifabricat paralelipipedic, cu lungimea l0 si latimea b0, se va face conform legii minimei rezistente. Astfel, daca l0=b0, atunci latirea va fi egala cu alungirea, indiferent de gradul de deformare aplicat. Existenta inevitabila a capetelor rigide la intinderea prin forjare, modifica foarte mult

raportul dintre alungire si latire in sensul franarii latirii si implicit intensificarii alungirii. Acest fenomen a constituit obiectul numeroaselor cercetari.

Program pentru calcularea rezistentei la deformarea plastica.

Pentru analizarea parametrilor energetici in timpul deformarii plastice la cald trebuie cunoscuta in prealabil valoarea rezistentei la deformare. La randul sau rezistenta la deformare depinde de o serie de parametri care tin seama atat de natura materialului supus deformarii plastice, cat si de conditiile de deformare.

Principalul parametru care depinde de natura materialului este compozitia chimica, iar cei legati de conditiile de deformare plastica sunt: schema de tensiuni aplicata, temperatura, viteaza de deformatie, gradul de deformare. In literatura de specialitate exista o serie de diagrame, obtinute experimental, care prezinta variatia rezistentei la deformare a unui otel, sau in general a unui aliaj, in functie de temperatura de deformare, sau din functie de temperatura si viteza de deformatie. In unele cazuri, prin prelucrarea avanasata a rezultatealor experimentale in laborator, au fost obtinute corelatii matematice intre rezistenta la deformare si temperatura, viteza de deformatie, grad de deformare. Aceste corelatii, cunoscute sub denumirea de ecuatii constitutive, sunt valabile numai in cazul otelului sau aliajului pentru care s-au efectuat experimentarile.

Realizarea unor programe de modelare si simulare pe calculator a proceselor de deformare plastica prin forjare, laminare sau extruziune necesita o generalizare a metodologiei de calcul a rezistentei la deformarea plastica. Datorita acestui fapt a fost alcatuit un program pe calculator cu ajutorul caruia poate fi calculata rezistenta la deformare in functie de compozitia chimica a otelului si de conditiile de deformare plastica.

Programul de calcul a fost astfel alcatuit incat pe langa calcularea rapida a rezistentei la deformare in conditiile date, sa poata fi trasate si graficele de variatie a rezistentei la deformare in functie de temperatura, viteza de deformatie si grad de deformare. Structura sa este:

Pentru exemplificare in figurile de mai jos sunt prezentate graficele obtinute, cu ajutorul programului, in cazul unui otel aliat de scule, marca 30VCrW85, STAS 3611-88, cu urmatoarea compozitie chimica: 0.32%C, 0.27%Mn, 0.20%Si, 2.38%Cr, 0.05%Ni, 0.33%V, 6.94%W.