Konstrukcyjno-eksploatacyjne czynniki procesu niszczenia odlewów palet stosowanych w piecach do obróbki cieplnej : rozprawa doktorska
Ładowanie...
Data
2021
Tytuł czasopisma
ISSN czasopisma
Tytuł tomu
Wydawca
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Abstrakt
Odlewy palet, stanowiące przedmiot analiz podjętych w niniejszej rozprawie doktorskiej, stanowią podstawowy element osprzętu pieców do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej, na których ulepszane cieplnie elementy są transportowane podczas procesów obróbki. Z uwagi na warunki eksploatacji palety narażone są na oddziaływanie wiel u niekorzystnych czynników wpływających negatywnie na ich trwałość. Celem prowadzonych badań było poznanie mechanizmów powodujących niszczenie tego rodzaju osprzętu oraz ocena możliwości spowolnienia tego procesu .
Na podstawie dokonanego przeglądu literatury obejmującego m.in. takie zagadnienia jak: warunki pracy osprzętu technologicznego pieców, materiały stosowane do wykonywania analizowanych odlewów, źródła naprężeń w elementach eksploatowanych w warunkach gwałtownych zmian temperatury oraz przegląd powszechnie występujących zniszczeń rzeczywistych elementów osprzętu pieców postawiono tezę, iż możliwe jest wprowadzenie takich zmian konstrukcyjnych palet, które istotne zmniejszą naprężenia cieplne w czasie każdego cyklu pracy, skutkiem czego będzie znaczące podwyższenie ich trwałości .
Zmiany takie nie mogą być jednak wprowadzane arbitralnie, lecz muszą wynikać z odpowiednio przeprowadzonych analiz wytrzymałościowych , w których uwzględnione zostaną zarówno zmiany struktury i związane z tym zmiany właściwości mechanicznych zachodzące w materiale palet w czasie ich eksploatacji, jak i naprężenia cieplne powstające w każdym cyklu pracy wskutek gradientu temperatury w przekroju nagrzewanych i chłodzonych elementów oraz naprężenia cieplne wywołane różną rozszerzalnością cieplną faz występujących w materiale.
W ramach prowadzonych badań opracowano metodykę porównawczą rozwiązań konstrukcyjnych palet pod kątem powstających w nich, w warunkach gwałtownych zmian temperatury , naprężeń cieplnych. Pierwszym krokiem prowadzonych według opracowanej metodyki analiz jest modelowanie numeryczne przepływu ciepła w badanych elementach podczas realizowanego procesu cieplnego, a następnie wyznaczenie czasu t,,,ax, po którym na wybranym kierunku powstają największe różnice temperatury. Następnym krokiem jest przeprowadzenie obliczeń numerycznych naprężeń cieplnych, jakie powstają w poszczególnych punktach badanego elementu po zmianie temperatury z wyjściowej -jednakowej dla całego obiektu do rozkładu temperatury wyznaczonego dla danego procesu po czasie t,,,ax. Krokiem końcowym jest optymalizacja rozwiązań konstrukcyjnych pod kątem minimalizacji powstających w czasie cyklu pracy naprężeń cieplnych.
Z uwagi na istotną rolę analiz przepływu ciepła w zaproponowanej metodyce, zbudowano stanowisko badawcze do pomiaru zmiany temperatury podczas nagrzewania lub chłodzenia próbki odzwierciedlającej kształtem żebro pionowe palety . Na zbudowanym stanowisku przeprowadzono pomiary kinetyki zmian temperatury wewnątrz próbki przy nagrzewaniu w piecu oraz przy chłodzeniu w oleju i wodzie, przy różnych temperaturach granicznych danego procesu. Uzyskane wyniki wykorzystano do opracowania modelu MES przepływu ciepła w nagrzewanym i chłodzonym żebrze palety.
Po uzyskaniu zgodności wyników obliczeń numerycznych przepływu ciepła z wynikami badań doświadczalnych , przeprowadzono numeryczne analizy naprężeń cieplnych z wykorzystaniem metody elementów skończonych . Przyjęto, że głównymi źródłami tych naprężeń w analizowanych paletach jest różna rozszerzalność cieplna składników strukturalnych występujących w staliwie, z którego są one wykonywane oraz tworzący się podczas procesów wymiany ciepła gradient temperatury. W prowadzonych analizach przyjęto, że w całym zakresie temperatury pracy stosowane do produkcji palet staliwo ma stabilną strukturę austenityczną, a więc w czasie zmian temperatury nie zachodzą w nim przemiany fazowe żelaza Cl w żelazo y i odwrotne.
Do analizy naprężeń strukturalnych wywoływanych różną rozszerzalnością cieplną składników staliwa opracowano modele MES strefy przypowierzchniowej nawęglonego stopu austenitycznego. Modele te wykorzystano do analizy wpływu takich parametrów , jak: głębokość strefy nawęglonej , grubość warstwy tlenków na powierzchni stopu czy wielkość ziarna, na naprężenia powstające w warstwie przypowierzchniowej gwałtownie chłodzonego elementu. W etapie końcowym prowadzonych analiz opracowane modele wykorzystano do obliczeń uwzględniających jednoczesne odziaływanie naprężeń spowodowanych różną rozszerzalnością cieplną składników strukturalnych staliwa oraz tworzącego się gradientu temperatury . Uzyskano rozkłady naprężeń sprzyjające powstawaniu obserwowanych w rzeczywistości pęknięć. Dzięki przeprowadzonym analizom modelowym i obliczeniom numerycznym uzyskano wyniki dostarczające informacji o czynnikach sprzyjających formowaniu się naprężeń, w przypowierzchniowej warstwie nawęglonego stopu, przyczyniających się do inicjacji obserwowanych pęknięć .
Analizy naprężeń wywołanych gradientem temperatury wykorzystano do oceny wpływu czynników, takich jak rodzaj medium chłodzącego oraz temperatura początkowa i końcowa procesu, na rozkłady naprężeń powstających w pionowym żebrze palety. Zaproponowaną metodykę wykorzystano do analiz wpływu różnych rozwiązań konstrukcyjnych palet na kształtowanie się naprężeń cieplnych podczas gwałtownego chłodzenia. W ramach tych badań przeprowadzono analizy wpływu grubości ścianek palety i rozwiązania konstrukcyjnego ich połączenia oraz analizy wpływu usztywnienia zewnętrznego obrysu palety na naprężenia powstające na wybranych kierunkach. Dzięki uzyskanym wynikom stwierdzono, które rodzaje połączeń powinny być stosowane w paletach poddanych gwałtownym zmianom temperatury, a których należy unikać orazjakie decyzje konstrukcyjne powinny być podejmowane w celu zmniejszenia naprężeń cieplnych powstających na analizowanych kierunkach. Zaproponowaną metodykę porównawczą zweryfikowano w praktyce dokonując modernizacji konstrukcji kosza wykorzystywanego do transportu wsadu. W wyniku identyfikacji , na podstawie przeprowadzonych analiz numerycznych , mechanizmu odpowiedzialnego za powstawanie zniszczeń (dużych deformacji) kosza, zaproponowano zmianę rozwiązania konstrukcyjnego połączenia jego ścian bocznych z podstawą. Zmiana ta przyniosła zamierzony efekt w postaci istotnego zmniejszenia powstających w cyklu cieplnym deformacji, co w znaczący sposób wydłużyło czas eksploatacji badanej
konstrukcji.
Rezultaty uzyskane w ramach zrealizowanej rozprawy doktorskiej znacząco przyczyniają się do zwiększenia wiedzy o wpływie czynników konstrukcyjnych i eksploatacyjnych na procesy niszczenia osprzętu do transportu wsadu w piecach do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej , w tym, w szczególności wytwarzanych ze staliwa austenitycznego odlewów palet. Na podstawie opracowanej metodyki porównawczej i przeprowadzonych przy jej wykorzystaniu numerycznych analiz symulacyjnych można jednoznacznie stwierdzić, czy i poprzez jakie zmiany konstrukcyjne można zredukować naprężenia cieplne powstające w konstrukcjach palet podczas cyklu eksploatacji, a tym samym podwyższyć ich trwałość . Zaproponowana w pracy metodyka porównawcza może być stosowana nie tylko przy projektowaniu palet, ale także przy projektowaniu innych elementów konstrukcyjnych eksploatowanych w warunkach gwałtownych zmian temperatury.
Opis
Słowa kluczowe
naprężenia cieplne, obróbka cieplna metali, odlewy staliwne, termokinetyka
Cytowanie
Bajwoluk, A. (2021).
Konstrukcyjno-eksploatacyjne czynniki procesu niszczenia odlewów palet stosowanych w piecach do obróbki cieplnej : rozprawa doktorska. Szczecin, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie,
157 s. (Niepublikowana praca doktorska) https://hdl.handle.net/20.500.12539/1495