Sıcak sürekli haddeleme yüksek kromlu demirin iş silindirlerindeki termal hasar çatlaklarının araştırılması

Çeşitli tipte çatlaklar meydana gelecektir. sıcak haddeleme iş silindirleri Üretim ve kullanımın tüm yaşam döngüsü boyunca. Haddehanelerin ve ruloların üretim güvenliğini sağlamak için, bu çatlaklar, özellikle mekanik darbe çatlakları ve üretim hatası çatlakları, üretim süreci gereksinimlerine göre giderilmelidir. Ancak, rulolar çelik haddeleme işleminin ana yedek parçalarıdır. Çok sayıda rulo anormalliği kaçınılmaz olarak çelik haddeleme maliyetlerinde artışa yol açacaktır. Ayrıca, ruloların devir verimliliğini ve rulo hazırlama verimliliğini etkileyerek üretim istikrarını ve güvenliğini etkileyecektir. Yukarıdaki sorunları çözmek için, makinede bitirme haddelemesinin ön bölümünde termal hasar çatlakları olan yüksek kromlu demir iş rulolarının deneysel şeridi kullanıldı.

Sıcak haddeleme iş silindirlerinin kullanımı sırasında oluşan üç ana çatlak türü vardır: mekanik çatlaklar, yorulma çatlakları ve termal hasar çatlakları (sıkışmış çeliğin aşırı ısınmasından kaynaklanan vb.). Belirli bir sıcak haddeleme hattının, esas olarak F1 kayması ve sıkışması, F1~F4 çelik yığılması vb. olmak üzere, bitirme haddelemesinin ön bölümünde (F1~F4) yüksek bir kaza oranı vardır. Bu, bitirme haddelemesinin ön aşamasında yüksek kromlu demir iş silindirlerinde ayda ortalama 60 mm'den fazla kayba neden olur ve bunun yaklaşık 80%'sini termal hasar çatlak kayıpları oluşturur. Üretim süreci gereksinimlerine göre, haddehanenin ve silindirlerin operasyonel güvenliğini sağlamak için bu çatlaklar giderilmelidir. Bununla birlikte, çelik haddeleme maliyetini (silindir tüketim maliyeti ve taşlama maliyeti) düşürmek ve silindirlerin taşlama verimliliğini ve devir verimliliğini artırmak için, bitirme haddeleme yüksek kromlu demir malzeme üzerinde sıcak çatlaklara sahip iş silindirlerini kullanma mekanizmasını araştırmak gerekir.

Stres analizi iş ruloları bitirme haddelemesinin ön bölümünde

Haddeleme kuvvetine ek olarak, bitirme haddeleme iş silindiri haddeleme işlemi sırasında sürtünme kuvveti, mikro gerilim, termal gerilim vb. de yaşar. Ancak, sürtünme, mikro gerilim ve termal gerilim haddeleme kuvvetinden çok daha küçüktür. Bu nedenle, bitirme haddeleme iş silindirinin gerilimi analiz edilirken, esas olarak haddeleme kuvvetinin rolü dikkate alınır. Şekil 1'de gösterildiği gibi, silindir yüzeyi A şeritle temas halinde olduğunda, oradaki pozitif basınç ve sürtünme kuvvetinin bileşke kuvvetinin haddeleme kuvvetine yaklaşık olarak eşdeğer olduğu kabul edilir. Sıcak tandem haddeleme hattının bitirme haddeleme ön uç standının maksimum haddeleme kuvveti 35 MN'dir. Genellikle, normal üretim sırasında haddeleme kuvveti 15~20 MN'dir.

Şekil 1 Bitirme haddeleme iş rulolarının haddeleme işlemi sırasında oluşan gerilimin şematik diyagramı

Termal hasar çatlak yayılımı için kritik koşulların analizi yüksek kromlu demir iş silindirleri operasyon sırasında

Bu makale, yüksek kromlu demir iş silindirlerinde, son haddelemenin erken aşamasında termal hasar çatlaklarının kullanımını araştırmaktadır. Bu amaçla, malzeme kırılma kriteri kavramından alıntı yapılmaktadır. Elastik mekanik denklemi veya elastik-plastik mekanik denkleminden başlayarak, çatlak bir durum olarak kabul edilir, çatlak ucundaki gerilim, gerinim ve yer değiştirme alanı dikkate alınır ve çatlak genişlemesi için kritik durum - kırılma kriteri oluşturulur.

Bileşenlerdeki çatlakların şekline göre, Şekil 2'de gösterildiği gibi, genellikle nüfuz eden çatlaklar, yüzey çatlakları ve gömülü çatlaklar olmak üzere üç türe ayrılırlar:

Şekil 2 Farklı çatlak şekillerinin şematik diyagramı: (a) penetrasyon çatlağı; (b) yüzey çatlağı; (c) gömülü çatlak

Yüksek kromlu demir iş merdanelerinin son haddeleme işleminin erken aşamasında oluşan termal hasar çatlakları genellikle yüzey çatlaklarıdır. Bu nedenle, esas olarak yüzey çatlaklarının kırılma tokluğunu inceliyoruz. Laboratuvarda, kırılma tokluğu deneyleri yüksek kromlu demirden yapılmış merdaneler üzerinde gerçekleştirildi. Çatlak ucuna yakın her bir noktadaki stres yoğunluğu σ√πa miktarıyla ilişkilidir. Yani, çatlak ucuna yakın her bir noktadaki stres, bileşen üzerindeki çekme stresi σ ile orantılı olarak artmaz veya azalmaz, ancak σ√πa ile orantılı olarak artar veya azalır. σ√πa, stres yoğunluğu faktörü olarak adlandırılır ve KI olarak kaydedilir. Birimi MPa⋅m1/2MPa⋅m1/2'dir, KI =σ√πa, burada a çatlak derinliğidir.

Yük arttıkça, gerilim yoğunluk faktörü KI de kademeli olarak artar. Deneysel sonuçlar, belirli bir kritik değere KIc ulaştığında, çatlağın dengesiz bir şekilde yayılacağını ve bileşenin kırılmasına neden olacağını göstermektedir. KIc, kısa çatlak tokluğu olarak adlandırılır. Yani, kırılma mukavemeti faktörü KI, KIc'den düşükse, bileşende çatlak yayılımı meydana gelmeyecektir.

Japonya'daki Kawasaki Steel'in Mizushima Çelik Fabrikası'ndan Mühendis Fumio Tanaka'ya göre, kırılma mekaniği kriteri, rulo kullanım sınırını belirlemek için kullanıldı, KI=1.12σ√πa⩽KIc. Bu formülden teorik olarak hesaplanan, 10.59 mm'den daha az derinliğe sahip çatlaklar, 34 MN'lik bir haddeleme kuvvetinin etkisi altında normal olarak kullanılabilir. Bu nedenle, haddeleme hattının son haddeleme işleminin ön bölümündeki yüksek kromlu demir iş ruloları, makinede normal olarak kullanılabilir.

Bilgisayar deneyleri ve analizleri

Termal hasar çatlak morfolojisi ve girdap akımı özelliklerinin karakterizasyonu

Son haddelemede yüksek kromlu demirden yapılmış iş silindiri sıkıştıktan sonra, çelik geçiş alanında genellikle termal hasar çatlak bölgesi oluşur. Çatlakların şekli genellikle ızgara benzeridir (Şekil 3), derinliği 3~10 mm'dir ve silindir yüzeyi makineden çıkarıldıktan sonra anormal derecede belirgindir. Silindir taşlandıktan sonra, girdap akımı testi yapılır. Tespit sonuçlarının, silindir gövdesindeki çatlaklara karşılık gelen çatlak değeri bantlarını ve yumuşak nokta değeri bantlarını, silindirin eksenel yönü boyunca içerdiği görülecektir (Şekil 4). Girdap akımı çatlak değeri ve yumuşak nokta değerinin eşikleri sırasıyla 0,2 ve 0,4'tür ve bunu aşan her şey anormal kabul edilir.

Şekil 3 Sıkışmış çelik silindir yüzeyindeki sıcak çatlak morfolojisi

Şekil 4 Sıkışmış çelik silindir yüzeyindeki sıcak çatlak morfolojisi

Çatlaklı deneylerde tespit ve garanti çalışmaları

Eddy akımı test sonuçları termal çatlaklardaki değişiklikleri geri bildirir. Sıcak çatlak bölgesinin eddy akımı çatlak değeri ve yumuşak nokta değeri genellikle çok az değişir veya azalmaya devam eder, bu da çatlağın giderek zayıfladığını gösterir. Aynı zamanda, çatlak bölgesinin şeklinin gözlemlenmesiyle (eksenel ve çevresel yönlerde sıcak çatlak bölgesinin genişliği daralır, çatlak sınırı incelir, vb.) birlikte, rulonun makinede sürekli kullanılıp kullanılamayacağı belirlenir.

Çatlak derinliği değişimlerini tespit etmek ve analiz etmek için açılı probları kullanın. Termal çatlaklara sahip bir iş silindirinin her taşlanmasından sonra, çatlakların derinliğini tespit etmek için ultrasonik bir eğik prob kullanılabilir. Eğik prob tarafından tespit edilen derinlik kademeli olarak azalırsa, bu çatlağın kademeli olarak ortadan kalktığını gösterir.

Termal çatlak büyümesini tespit etmek ve analiz etmek için çift elemanlı düz problar kullanın. Çift elemanlı düz prob tespiti en önemlisidir ve ana işlevi çatlağın açılı olarak genişleyip genişlemediğini kontrol etmektir. Uzunlamasına dalgaların özelliklerine göre, çatlak yuvarlanma yüzeyinin kesitine dik ise, çift elemanlı prob bunu tespit edemez ve yalnızca bağlama tabakasının yansıyan dalgasını tespit edebilir. Bir çatlak yayıldığında, ikiz kristaller tarafından tespit edilen çatlak dalgası, sığdan sığa doğru kademeli olarak derinleşen bir "dalga yürüyüşü" fenomeni gösterir.

Deneysel çalışma ve sonuçlar

Deneyin başlangıcında, daha sığ çatlaklara sahip silindirler önce deney objeleri olarak kullanıldı. Çatlaklar normal şekilde giderildikten sonra, daha derin çatlaklara sahip silindirler kademeli olarak test edildi ve sonraki deneyler hurdaya yakın bir çapa sahip silindirler üzerinde gerçekleştirildi. Sonuç olarak, çatlaklar normal şekilde giderilene veya çatlaklar normal ve hurdaya ayrılana kadar sekiz deney silindirinin tamamı kullanıldı; bu da, son haddelemenin ön bölümündeki yüksek hızlı çelik iş silindirlerinin sıcak çatlaklarla güvenli bir şekilde kullanılabileceğini göstermektedir. Ayrıntılı deneysel veriler Tablo 1'de gösterilmektedir.

Tablo 1 Son haddeleme işleminin ön bölümünde yüksek kromlu demir iş silindirlerinde oluşan sıcak çatlakların deneysel koşulları

Daha sonra kullanım sistemini, makinede termal çatlaklar bulunan silindirleri normal kullanıma dahil edecek şekilde değiştirin ve makinede çatlaklar bulunan kaza silindirleri, silindir değiştirme döngüsü ve taşlama miktarı normal silindirlerle aynıdır. Sistemin uygulanmasından sonra, yüksek kromlu demirin sıcak çatlak taşlama kaybı ayda 40 mm'den fazla azalır ve taşlama diskleri, kesme sıvıları ve manuel taşlama gibi büyük miktarda maliyetten tasarruf edilir. İş silindirlerine yapılan ağır yatırım, büyük sermaye işgali ve yerinde bitirme haddelemesinin ön aşamasında sıkı ciro durumunu hafifletir.

Çözüm

Teorik hesaplamalar ve deneysel doğrulama, son haddeleme işleminin ön bölümündeki yüksek kromlu demir iş silindirlerinin termal hasar çatlakları olan makinede kullanılabileceğini ve silindir değiştirme döngüsünün ve taşlama miktarının normal silindirlerle tutarlı olabileceğini göstermektedir. Çatlak büyüme hızı, silindirin normal çap küçültmesinden daha küçüktür ve termal hasar çatlakları silindir kullanıldıkça kademeli olarak kaybolur. Kullanım yerinde, ultrasonik çift elemanlı prob çatlakların varlığını tespit edemez, yani çatlakların yönü ultrasonik dalgaların yönüyle tutarlıdır ve silindir yüzeyinin kesim yüzeyine diktir.

Bitirme haddelemesinin ön aşamasında termal hasar çatlakları olan yüksek kromlu demir iş silindirleri makineye yerleştirilir, bu sadece yüksek kromlu demir iş silindirlerinin anormal kaybını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda taşlama tekerlekleri, kesme sıvıları ve manuel taşlama gibi çok sayıda maliyetten de tasarruf sağlar. Ayrıca, büyük önem taşıyan, yerinde bitirme haddelemesinin ön aşamasında ağır iş silindiri girişi ve sıkı devir durumunu da hafifletir.