WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ГАМАНЮК Сергей Борисович

Исследование крупного кузнечного стального слитка изменённой геометрии с целью повышения качества металла поковок

Специальность 05.16.02

«Металлургия чёрных, цветных и редких металлов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Волгоград – 2012

Работа выполнена на кафедре “Технология материалов” Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель:                        доктор технических наук, профессор

                                                Зюбан Николай Александрович

Официальные оппоненты:       доктор технических наук, профессор

Колпишон Эдуард Юльевич

кандидат технических наук, доцент

Ивлев Сергей Алексеевич

Ведущая организация:  Московский государственный вечерний металлургический институт

Защита состоится ”24” мая 2012 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д217.042.01, созданного на базе Открытого акционерного общества «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» (ОАО НПО «ЦНИИТМАШ») по адресу: 115088, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4, малый конференц-зал (главный корпус, 2 этаж).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО НПО «ЦНИИТМАШ».

Автореферат разослан ”___” __________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 217.042.01                                                       к. т. н. Макарычева Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблемам совершенствования технологии производства крупных кузнечных слитков и улучшению их качества всегда придается большое значение в связи с тем, что, как правило, они предназначены для ответственных заготовок энергетической, судостроительной, атомной, химической и других отраслей. 

При этом требования к качеству и однородности получаемого металла постоянно возрастают. Ротора турбогенераторов большой мощности, сосуды высокого давления, судовые валы, корпуса атомных и химических реакторов - все эти ответственные изделия получают ковкой из слитков массой 20-400 тонн.

Получение качественных крупных слитков представляет собой весьма сложную научную и техническую задачу в связи с интенсивным развитием структурной и химической неоднородности, образованием и развитием неконтролируемых дефектов металла.

Проблемой получения качественных крупных слитков занимались и занимаются в настоящее время ряд российских и зарубежных учёных – Н.И. Хворинов, В.С. Дуб, С.Я. Скобло, В.А. Ефимов, Е.А. Казачков, С.И. Жульев, Н.А. Зюбан и другие.

Однако и в настоящее время получение качественных крупных слитков и поковок представляет сложную научную и техническую задачу в связи с одновременностью физических, физико-химических и кристаллизационных процессов во время разливки, затвердевания и ковки слитков.

С целью улучшения структурной и химической неоднородности слитка существует ряд методов воздействия на затвердевающий металл: инокулирование, вибрация и другие, но главными факторами, определяющими особенности формирования структуры и строения слитка, являются его геометрические параметры.

Их наилучшее соотношение обеспечивает получение благоприятной макроструктуры, подавление развития ликвационных явлений, уменьшение дефектов осевой зоны.

Большим вкладом в решение этой проблемы явился метод отливки слитков с вогнутой донной частью («выпуклым») поддоном, разработанный в ЦНИИТМАШ. Данная конфигурация слитка позволила улучшить структуру и повысить выход годного в поковку.

Применение слитков этого типа обусловило поиск оптимального сочетания их геометрических параметров с целью улучшения структуры, снижения ликвационной неоднородности, уменьшения дефектов осевой зоны. Это определило основные направления дальнейших исследований, связанных с изучением влияния геометрических параметров слитка с вогнутой донной частью на особенности кристаллизации, формирования структуры, развития внеосевой химической неоднородности, распределения неметаллических включений и уровень механических свойств полученных из этих слитков поковок.

Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается выполнением ее в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» рег.номер 2.1.2/9220 «Исследование фундаментальных процессов формирования структуры и свойств сверхкрупных металлоизделий в различных условиях кристаллизации больших масс металла», и грантов: РФФИ №07-08-00511а «Изучение фундаментальных закономерностей формирования дефектов при кристаллизации сверхкрупных металлических тел», гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МК-4034.2012.8 «Разработка оптимальной конфигурации и технологии отливки кузнечных слитков в вакууме, с контролируемым развитием дефектных зон литого металла с целью повышения качества и надежности крупногабаритных изделий энергетического машиностроения».

  Промышленные эксперименты проводились на ОАО "ПО "Баррикады".

Цель работы. Улучшение структуры и качества крупных слитков с вогнутой донной частью за счет оптимизации их геометрических параметров, изучение особенностей кристаллизации и формирования структурной, физической и химической неоднородности, распределения неметаллических включений и уровня механических свойств слитка новой геометрии.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

  1. Провести физическое и математическое моделирование процессов кристаллизации крупных кузнечных слитков;
  2. Исследовать влияние H/D и геометрических параметров «выпуклого» поддона слитка на развитие дефектов осевой зоны и рассчитать оптимальные величины параметров H/Dср слитков с кюмпельной частью и выпуклым поддоном, обеспечивающие уменьшение дефектов осевой зоны при производстве сплошных кованых изделий тяжёлого машиностроения;
  3. Исследовать макроструктуру крупных кузнечных слитков различной геометрии;
  4. Оценить влияние геометрических параметров поддона слитка на развитие химической и физической неоднородности, распределение неметаллических включений и уровня механических свойств в слитке.

Научная новизна

В работе были получены следующие новые научные результаты:

- выявлены особенности кристаллизации слитка с вогнутой донной частью, обусловливающие опережающее развитие вертикальной составляющей кристаллизации, в 1,4 раза превышающей аналогичную характеристику для обычного кюмпельного слитка, что обеспечивает интенсификацию процесса затвердевания и оказывает положительное влияние на формирование структуры и химической неоднородности;

- установлено, что за счёт захолаживающего воздействия «выпуклого» поддона на осевые объёмы слитка улучшаются условия подпитки осевой зоны жидким металлом прибыли, в результате чего её протяжённость сокращается на 450 мм, а диаметр на 50 мм;

- показано, что ускорение кристаллизационных процессов в нижней части опытного слитка приводит к интенсивному перераспределению примесей в процессе формирования шнуров внеосевой ликвации: количество их увеличивается, в 1,7 раза, а диаметр уменьшается в 1,5 раза, что приводит к снижению химической неоднородности по всему объёму слитка.

- выявлено уменьшение среднего размера оксидных, сульфидных и оксисульфидных включений в 6, 2,5 и 1,3 раза, соответственно, по сечению и высоте опытного слитка за счёт интенсивного продвижения фронта кристаллизации в вертикальном направлении;

- промышленными экспериментами обоснована и показана эффективность применения слитка с вогнутой донной частью, обеспечивающего повышение качества металла поковок.

Практическая значимость работы заключается в том, что предлагаемый опытный слиток с вогнутой донной частью по своим структурным и качественным характеристикам превосходит слиток обычной геометрии. Его получение не требует изменения технологии и вложения затрат, что делает его производство экономически целесообразным. Ожидаемый экономический эффект составляет 569520 рублей.

Полученные результаты дают возможность проводить целенаправленный выбор соответствующей конфигурации слитка, обеспечивающей изготовление качественной поковки с минимальным развитием дефектов осевой зоны и улучшенными структурными характеристиками.

Получен патент на полезную модель 110667, РФ, МПК B 22 D 7/08 / Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / Зюбан Н.А., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., [и др.] – Опубл. 27.11.2011. Бюл. №33.

Получен патент на полезную модель 114281, РФ, МПК B 22 D 7/08 / Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / Зюбан Н.А., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., [и др.] – Опубл. 20.03.2012. Бюл. №8.

Апробация работы

Основное содержание диссертационной работы отражено в 11 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии. Получены два патента на полезную модель РФ.

Материалы диссертационной работы докладывались на 2-х международных конференциях (Самара, 2009 г.; Санкт-Петербург, 2010 г.), на 2-х Всероссийских научно-практических конференциях (г. Камышин,  2008-2009 гг.), на 3-х региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (2008÷2010 гг.), на 3-х Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов (г. Магнитогорск, 2008-2010 гг.), на научно-технической конференции «65 лет ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П.Бардина"» (г. Москва, 2009 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2007÷2012 гг.).

Достоверность результатов полученных в работе обеспечивается применением: современных технических средств, методов исследования и подтверждается успешной реализацией защищаемых научных и технологических решений при производстве крупных слитков и поковок. Экспериментальная часть работы выполнена: с применением методов оптической и растровой микроскопии SMZ-143N266, МИМ, OLIMPUS BX21, EP NEOFOT NU2/E, твердомеров, а также разработанных новых оригинальных методик с использованием компьютерных программ – определения плотности кристаллической структуры и моделирования процесса кристаллизации слитка (универсальная компьютерная программа «МГП», программный комплекс «CRYSTAL», прикладной пакет DEFORM 3D); использованием адекватных физических моделей, подробно описанных в научной литературе и соответствующих современному уровню исследований в области рассматриваемых явлений.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературных источников из 167 наименований, содержит 165 страниц машинописного текста, 60 рисунков, 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность темы диссертационной работы, ее цель, решаемые задачи, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе представлен обзор литературных данных по анализу влияния формы слитка и его геометрических параметров на развитие химической, физической и структурной неоднородности крупного кузнечного слитка.

Геометрические параметры слитка являются основополагающими факторами, определяющими основные закономерности процессов, происходящих при кристаллизации металла и формировании структуры слитков. Оптимальное сочетание этих параметров обеспечивает получение благоприятной макроструктуры, подавляя развитие ликвационных явлений, уменьшая дефекты осевой зоны и т.д.

Отношение H/D и конусность слитка, являются важнейшими параметрами слитка, определяющие особенности зонального строения, продолжительность затвердевания металла, развитие усадочных процессов.

Регулируя геометрические параметры слитка можно управлять процессом кристаллизации с целью получения благоприятной структуры слитка с минимальным количеством дефектов.

Другой важной характеристикой слитка является его конфигурация, определяющая особенности технологии деформационной обработки слитка, исходя из конструкции и типа получаемой заготовки.

Таким образом, определение оптимального сочетания геометрических параметров слитка и его конфигурации представляет актуальное направления исследований по повышению качества крупных слитков и поковок.

Во второй главе приведены сведения о материале исследований, описана методика исследования двух слитков стали 38ХН3МФА, отлитых в изложницы с кюмпельным и опытным («выпуклым») поддоном, с применением современных методов металлографических исследований, позволяющих описать количество дендритов на единицу длины секущей, длину их наибольшей оси и угол наклона к горизонтали, а также другие характеристики. По совокупности всех этих параметров определяли границы структурных зон слитка.

Исследование химической неоднородности производилось на различных горизонтах слитка. При этом анализировалось содержание основных ликвирующих элементов: углерода, серы и фосфора.

В третьей главе приведены результаты моделирования процессов кристаллизации крупных кузнечных слитков. Описана методика и результаты проведения исследований процесса кристаллизации и структурообразования слитков различной конфигурации на холодной модели (физическое моделирование) и математического моделирования с использованием программного комплекса Crystal.

Для проведения физического моделирования процесса кристаллизации и структурообразования слитков применялось устройство, которое позволяет задавать геометрические параметры слитков с различным отношением высоты изложницы от плоскости вогнутой части до основания прибыльной надставки к среднему диаметру изложницы Hизл/Dср, конусностью изложницы и объемом прибыльной части (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема лабораторной установки для исследования процесса кристаллизации и структурообразования слитка с вогнутой донной частью

При проведении физического моделирования в качестве моделирующего вещества использовался натрий серноватистокислый (кристаллический гипосульфит) - Na2S2O35H2O.

На основании полученных данных были построены графики зависимостей изменения количества нарастающего слоя от времени охлаждения расплавленного гипосульфита в изложнице (рисунок 2).

Нижний горизонт слитков затвердевает быстрее, с увеличением высоты скорость затвердевания уменьшается. Однако в опытном слитке на нижнем горизонте скорость образования твердой фазы в 1,3 раза выше, чем в обычном слитке. На среднем и верхнем горизонтах скорость кристаллизации в сравниваемых слитках одинакова.

Изменение конфигурации поддона за счет увеличения его массы позволяет увеличить в 1,4 раза долю вертикальной кристаллизации (см. рисунок 2).

(а) - вертикальное затвердевание; (б) горизонтальное затвердевание

Рисунок 2 – Изменение количества твердой фазы в процессе затвердевания обычного и опытного модельных слитков

Величина литейной конусности в процессе охлаждения расплава в обоих слитках уменьшается, но в опытном слитке её значение в 1,5 – 2 раза выше по сравнению с обычным (рисунок 3). Такой характер изменения величины литейной конусности обусловлен возрастанием скорости затвердевания нижней части слитков за счёт более интенсивного продвижения фронта кристаллизации в горизонтальном направлении.

слиток обычной геометрии; опытный слиток

Рисунок 3 – Зависимость литейной конусности от времени затвердевания

Полученные результаты моделирования свидетельствуют о том, что в опытном слитке процесс направленной кристаллизации является более выраженным, что обеспечивает возможность получения слитков с меньшим развитием дефектов, вызванных усадкой стали и физической неоднородностью.

На рисунке 4 представлена макроструктура моделируемых слитков.

а – слиток обычной геометрии; б – слиток с вогнутой донной частью;

1 – зона столбчатых кристаллов; 2 – нижняя конусообразная структурная зона;

3 – зона различно ориентированных кристаллов;

4 – зона осевой рыхлости; 5 – усадочная раковина

Рисунок 4 – Макроструктуры модельных слитков

Для анализа влияния отношения H/D слитка на протяженность и диаметр зоны осевой рыхлости было проведено математическое моделирование слитков различной геометрии, которое осуществлялось с помощью программного комплекса Crystal.

На рисунке 5 показана динамика продвижение фронта кристаллизации в процессе затвердевания моделируемых слитков.

(б)

Ж – жидкий металл, Д – двухфазная зона

Рисунок 5 – Продвижение фронта кристаллизации в процессе затвердевания слитка обычной геометрии (а) и слитка с вогнутой донной частью (б)

Зависимость изменения протяжённости нижней конусообразной части слитка от значений параметра H/D представлена на рисунке 6. Видно, что с возрастанием этого параметра протяжённость конусообразной зоны уменьшается, а при значениях H/D=1,89-2,05 она имеет минимальное значение. При этом в опытном слитке эта зона на 6 % меньше, чем в обычном.

Рисунок 6 – Влияние изменения H/D на высоту нижней части в исследуемых слитках

Протяжённость зоны осевой рыхлости также зависит от параметра H/D (рисунок 7). При этом в опытном слитке она не изменяется, а в обычном кюмпельном слитке возрастает на 25 % в рассматриваемом диапазоне значений H/D (1,69-2,05). В опытном слитке протяженность зоны осевой рыхлости в 2 раза меньше, чем в слитке обычной геометрии.

Рисунок 7 – Влияние изменения H/D на протяжённость осевой зоны в исследуемых слитках

Анализ влияния отношения H/D на диаметр зоны осевой рыхлости показал, что в диапазоне значений H/D=1,9-2,0 в опытном слитке этот параметр снижается на 20-40% и имеет величину, в два раза меньшую по сравнению с обычным слитком (рисунок 8). При остальных значениях H/D диаметр зоны осевой рыхлости в опытном слитке уменьшается в 1,3 раза.

Рисунок 8 – Влияние изменения H/D на диаметр осевой зоны в исследуемых слитках

Анализ влияния конусности слитка на протяженность и диаметр зоны осевой рыхлости (при H/D=1,9) показал (рисунок 9, 10), что минимальные значения её длины и диаметра наблюдаются в опытном слитке при конусности 4,1%, а в обычном соответственно при конусности 18%.

В интервале значений конусности от 4,1 до 12 % протяженность осевой зоны в опытном слитке увеличивается, а при больших значениях несколько снижается. В слитке обычной геометрии с увеличением конусности длина осевой зоны уменьшается. Диаметр зоны осевой рыхлости в обоих слитках с увеличением конусности увеличивается (рисунок 9, 10).

Рисунок 9 – Влияние конусности слитка на длину зоны осевой рыхлости в исследуемых слитках

Рисунок 10 – Влияние конусности слитка на диаметр зоны осевой рыхлости в исследуемых слитках

Таким образом, по результатам математического моделирования получен интервал рекомендуемых значений отношения H/D для опытного слитка, который составляет 1,9-2,0. При этих значениях обеспечиваются минимальные значения протяженности и диаметра зоны осевой рыхлости опытного слитка.

С помощью прикладного пакета DEFORM 3D, было проведено компьютерное моделирование поведения трещин осевой зоны в процессе осадки слитков.

Рисунок 11 – Моделирование процесса закова трещин осевой зоны в процессе осадки

Из представленных на рисунке 11 компьютерных схем видно, что в процессе осадки трещины постепенно заковываются. Однако в опытном слитке заков трещин осевой зоны происходит с большей эффективностью, что вызвано их более благоприятной ориентацией и увеличением плотности дендритной структуры.

В четвёртой главе приводятся данные по исследованию структурной, физической и химической неоднородности, распределению и загрязненности неметаллическими включениями литого металла двух слитков стали 38ХН3МФА: обычной геометрии массой 24,2 тонны и слитка с вогнутой донной частью массой 22,5 тонны (рисунок 12, таблица 2).

а) б)

а) – слиток массой 24,2 т; б) - слиток массой 22,5 т

1 – корковая зона; 2 – зона столбчатых дендритов; 3 – зона мелких различно ориентированных дендритов; 4 – зона крупных различно ориентированных дендритов; 5 – зона осевой рыхлости; 6 – нижняя конусообразная структурная зона;

7 – зона дугообразных трещин.

Рисунок 12 – Структурные зоны исследуемых слитков стали 38ХН3МФА

Таблица 2 – Параметры структурных зон исследуемых слитков стали 38ХН3МФА

Зоны слитка

Слиток обычной геометрии

Слиток с вогнутой донной части

1. Корковая зона:

– средняя ширина зоны, мм.;

– площадь, см2.;

– % к площади осевого темплета.

10

586,1

2,1

10

523,4

2,10

2. Зона столбчатых дендритов:

– средняя ширина зоны, мм.;

– площадь, см2.;

– % к площади осевого темплета.

90

5689,4

19,6

70

3266,4

13,1

3. Зона мелких различно ориентированных дендритов:

– высота, мм.;

– площадь, см2.;

– % к площади осевого темплета.

1435

2548,9

8,90

1160

2046,4

8,2

4. Зона крупных различно ориентированных дендритов:

– площадь, см2.;

– % к площади осевого темплета.

13295,1

46,4

13658,8

54,81

5. Зона осевой рыхлости:

– протяжённость, мм.;

– % к высоте тела слитка;

– площадь, см2.;

– % к площади осевого темплета;

– диаметр самой широкой части, мм.;

– % к диаметру слитка.

1650

68,3

2271,5

7,93

170

15,5

1200

54,8

1043,4

4,19

120

10,9

6. Нижняя конусообразная структурная зона:

– высота, мм.;

– % к высоте тела слитка;

– площадь, см2.;

– % к площади осевого темплета;

– наибольший диаметр, мм.;

– % к диаметру слитка.

760

31,5

3626,9

12,7

808

74,3

914

38,4

3898,4

15,6

882

83,2

7. Зона дугообразных трещин:

– высота, мм.;

– % к высоте тела слитка;

– площадь, см2.;

– % к площади осевого темплета;

– наибольший диаметр, мм.;

– % к диаметру слитка.

300

12,4

626,7

2,2

352

32,0

216

9,1

484,8

1,95

408

38,5

Осевая зона слитка имеет самые неблагоприятные условия для своего формирования. Затвердевание этой зоны происходит в условиях максимального переохлаждения расплава, имеющего минимальный температурный градиент, и характеризуется нарастанием твердожидкой фазы в вертикальном направлении.

Исследование осевой зоны показало, что в опытном слитке её протяженность меньше на 450 мм по сравнению с обычным, а диаметр уже на 50 мм (таблица 2).

Из представленных данных на рисунке 13 видно, что средняя длина главной оси дендритов на всех горизонтах зоны осевой рыхлости в опытном слитке меньше, чем в слитке обычной геометрии. Также в опытном слитке наблюдается существенное увеличение плотности дендритной структуры по всей осевой зоне. Это также  свидетельствует об ускорении кристаллизации в нижней части опытного слитка, за счет захолаживающего воздействия выпуклого поддона. В дальнейшем это должно обеспечить либо полное удаление трещин при высверловке, либо высокую степень их закова в процессе осадки.

Рисунок 13 – Изменение величины кристаллов (а) и плотности дендритной структуры (б) по высоте осевой зоны слитков

Исследование химической неоднородности слитков на продольных осевых темплетах показало, что содержание углерода, серы и фосфора от периферии к центру увеличивается на среднем и верхнем горизонте слитков, и уменьшается в нижней части. Степень ликвации по углероду, и частично по сере в опытном слитке ниже, чем в слитке обычной геометрии (таблица 3).

Распределение Mo, V, Ni, Cr, Si и Mn равномерное, степень их ликвации не превышает 5 %.

Таблица 3 – Результаты исследования степени ликвационной неоднородности

Горизонт слитка

Обычный кюмпельный слиток

Опытный слиток

(«выпуклый» поддон)

C, %

S, %

P, %

C, %

S, %

P, %

Верх слитка

+20

+30

+29

+18

+27

+20

Низ слитка

-23

-30

-40

-13

-40

-47

Результаты исследования геометрических параметров шнуров внеосевой ликвационной неоднородности представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Результаты исследования геометрических параметров шнуров внеосевой ликвационной неоднородности

Тип
слитка

Кол-во
шнуров на осевом
темплете

Длина шнура, мм

Угол наклона шнура
к оси слитка, град.

Диаметр шнура, мм

min

max

сред.

min

max

сред.

min

max

сред.

Слиток обычной
геометрии

54

20

149

63

1

47

9,31

1

14

5,5

Слиток с вогнутой донной частью

92

11

204

62,9

2

31

12

1

10

3,6

Из приведённых в таблице 4 данных видно, что в опытном слитке количество шнуров внеосевой ликвации в 1,7 раза больше, чем в слитке обычной геометрии.

Анализ полученных данных показал (рисунок 14), что в опытном слитке значительная часть шнуров (72 %) имеет диаметр от 1 до 4 мм, тогда как в обычном слитке больше всего шнуров приходится на диаметр от 3 до 7 мм (55 %). Отсюда следует, что в опытном слитке шнуры внеосевой ликвации имеют меньшее сечение.

В опытном слитке шнуры имеют большую протяжённость, чем в слитке обычной геометрии. Для двух типов слитков характерно то, что очень малое количество шнуров (17 % для опытного слитка и 15 % для слитка обычной геометрии) имеет длину свыше 100 мм.

Рисунок 14 – Распределение шнуров внеосевой ликвации по диаметру

Из гистограммы распределения шнуров по высоте слитков, представленной на рисунке 15 видно, что шнуры в опытном слитке располагаются значительно ниже, чем в слитке обычной геометрии. В нижней половине слитка находятся 50 % шнуров, а в слитке обычной геометрии на том же уровне находятся только 25 % шнуров. В верхней части слитков сильных различий не наблюдается.

Рисунок 15 – Распределение шнуров внеосевой ликвации по высоте слитков

Распределение шнуров внеосевой ликвации по сечению слитков показало, что шнуры занимают большую площадь по сечению опытного слитка, по сравнению с обычным. В последнем случае большая часть шнуров (75 %) расположена на расстоянии 2/3 радиуса от поверхности слитка. В слитке новой геометрии, наоборот, большинство шнуров располагаются на участке от 1/3 до 1/2 его радиуса.

Исследование количественного распределения неметаллических включений по сечению и высоте слитков показало, что в нижней части слитков преобладают оксидные, сульфидные и оксисульфидные включения, размер которых до 2 мкм, однако встречаются включения и больших размеров, но преимущественно в слитке обычной геометрии, размер которых достигает 12 мкм. В опытном слитке количество оксидных и сульфидных включений, размер которых не превышает 2 мкм в 1,5 и 2,5 раза меньше, чем в обычном слитке, соответственно. Максимальный размер оксисульфидных включений в опытном слитке не превышает 4 мкм, тогда как в обычном слитке встречаются включения до 12 мкм.

На среднем горизонте опытного слитка встречаются оксидные включения, размер которых до 2 мкм, и их количество в 3 раза больше, чем в слитке обычной геометрии. Но в слитке обычной геометрии наблюдается обратная зависимость по оксидным включениям, размер которых свыше 2 мкм и достигает 12 мкм. Сульфидных и оксисульфидных включений размером до 2 мкм в опытном слитке в 3,5 и 7 раза меньше, соответственно, чем в обычном слитке, в котором преобладают включения, размер которых до 12 мкм.

На верхнем горизонте опытного слитка размер оксидных включений до 2 мкм в 5 раз больше, чем в слитке обычной геометрии, в котором встречаются включения, размер которых свыше 10 мкм. Сульфидных и оксисульфидных включений размером до 2 мкм в опытном слитке в 3,3 и 2,5 раза меньше, соответственно. В опытном и обычном слитке встречаются оксисульфидные включения, размер которых достигает 8 мкм.

Исследование изменения среднего размера неметаллических включений по сечению и высоте слитков показало, что на нижнем горизонте в обоих слитках средний размер оксидных включений от периферии к центру увеличивается. Средний размер сульфидных включений от периферии к центру в обоих слитках увеличивается, однако в опытном слитке размер включений больше. Средний размер оксисульфидных включений от периферии к центру в обоих слитках увеличивается, при этом в центре слитка обычной геометрии размер включений в 2,5 раза больше.

На среднем горизонте слитка обычной геометрии средний размер оксидных включений от периферии к центру увеличивается, а в опытном слитке не изменяется, и в осевой зоне в 6 раз меньше. Средний размер сульфидных включений в слитке обычной геометрии от периферии к центру увеличивается, а в опытном слитке не изменяется. Однако размер сульфидных включений у края и в середине опытного слитка в 2 раза больше чем в обычном, а в осевой зоне в 2,5 раза меньше. Средний размер оксисульфидных включений в слитке обычной геометрии от периферии к центру увеличивается, и в осевой зоне в 1,3 раза больше, чем в опытном слитке.

На верхнем горизонте опытного слитка средний размер оксидных включений от периферии к центру увеличивается, и в центре слитка в 4 раза больше, а на радиуса в 5 раз меньше, по сравнению с обычном слитком. Средний размер сульфидных включений в обоих слитках от периферии к центру увеличивается, но в опытном слитке размер включений в 2,5 раза больше, чем в обычном. Средний размер оксисульфидных включений в обычном слитке от периферии к центру увеличивается, но размер включений на расстояние радиуса слитка в 4 раза больше в опытном слитке.

В пятой главе приводятся данные по исследованию уровня механических свойств поковок полученных из слитков новой и обычной конфигурации, изготовленных на ФГУП ПО «Баррикады» и предназначенных для заготовок валов роторов турбогенераторов (таблица 5).

Для защиты выпуклого поддона от размывания струей жидкого металла его поверхность покрывалась тонким слоем цирконовой пасты ЦБЖ-1 толщиной 1÷1,5 мм, а также защищалась фанерным листом толщиной 10 мм. В процессе отливки слитка с выпуклым поддоном был использован способ подачи аргона в струю под вакуумом с целью большей дестабилизации струи и снижения её термомеханического воздействия на чугунный поддон.

Из таблицы 5 видно, что прочностные характеристики изделий изготовленных из опытного слитка выше, чем в изделиях из слитков обычной геометрии на 30-60 МПа.

Таблица 5 – Результаты механических испытаний валов роторов турбогенераторов, откованных из слитков обычной геометрии и с вогнутой донной частью

Чертеж

Плавка - поковка

Вес слитка, тонн

0,2, МПа

в, МПа

, %

, %

KCU,

кг/мм2

Направление

Прод

Танг

Прод

Танг.

Прод

Танг

Прод.

Танг

Прод

Тан.

ВАЛЫ ИЗ СЛИТКОВ С ВОГНУТОЙ ДОННОЙ ЧАСТЬЮ

8БС-202-316Б

Б4450-1В-14

39,5

682

670

645

640

822

810

817

810

23,2

21,0

20,6

19,0

64,3

64,0

61,8

61,0

19,8

19,4

12,2

11,2

ВАЛЫ ИЗ СЛИТКОВ ОБЫЧНОЙ ГЕОМЕТРИИ

8ВЖ-200-212

Б4438-1В-1

39,5

615

580

585

580

777

750

770

770

23,1

22,4

21,0

20,5

67,8

66,0

58,5

58,0

21,7

21,0

11,6

11,2

79/84-60

Б3443-1-1

39,5

640

640

640

630

790

780

789

770

21,5

20,0

19,4

18,0

72,3

71,0

64,8

63,0

20,1

18,8

12,9

12,2

Примечание: В числителе – средние значения, в знаменателе – минимальные.

Таким образом, предлагаемый опытный слиток с вогнутой донной частью по своим структурным и качественным характеристикам превосходит обычный кюмпельный слиток. Его получение не требует изменения технологии и вложения затрат, способствует повышению выхода годного, что делает его производство экономически целесообразным.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

  1. В результате комплексного исследования слитка с вогнутой донной частью, физического и математического моделирования процесса формирования структурных зон впервые были определены оптимальные геометрические параметры слитка с вогнутой донной частью, позволяющие увеличить долю вертикальной составляющей процесса кристаллизации в 1,4 раза, и ускорение кристаллизации за счёт захолаживающего воздействия «выпуклого» поддона на осевую область слитка.
  2. Математическим моделированием выявлено, что минимальные значения длины и диаметра зоны осевой рыхлости наблюдаются в опытном слитке при конусности 4,1%, а в обычном соответственно при конусности 18% (при H/D=1,9). Диаметр зоны осевой рыхлости в обоих слитках с увеличением конусности увеличивается.
  3. По результатам математического моделирования установлен интервал рекомендуемых значений отношения H/D для опытного слитка, в пределах 1,9-2,0,обеспечивающих минимальные значения протяженности и диаметра зоны осевой рыхлости.
  4. Установлено, что за счет захолаживающего воздействия «выпуклого» поддона, улучшаются условия подпитки осевой зоны жидким металлом прибыли, в результате чего ее протяженность сокращается на 450 мм, а диаметр на 50 мм. В дальнейшем это должно обеспечить либо полное удаление трещин при высверловке, либо высокую вероятность их закова в процессе осадки.
  5. Математический расчет эффективных деформаций в осевой зоне заготовки от слитка с вогнутой донной частью показал, что заков трещин в ней происходит более эффективно, что обусловлено их благоприятной ориентацией и увеличением плотности дендритной структуры.
  6. Установлено, что применение «выпуклого» поддона обеспечивает ускорение кристаллизационных процессов в нижней части слитка и способствует интенсивному перераспределению примесей в процессе формирования шнуров внеосевой ликвации. Количество их увеличивается в 1,7 раза, а диаметр уменьшается на 35%. Это обеспечивает снижение химической неоднородности по объёму слитков и поковок и более равномерное распределение механических свойств.
  7. Исследование количественного распределения неметаллических включений по сечению и высоте слитков показало, что в нижней части опытного слитка количество оксидных и сульфидных включений в 1,5 и 2,5 раза меньше, чем в обычном слитке. На среднем горизонте сульфидных и оксисульфидных включений в опытном слитке в 3,5 и 7 раза меньше. На верхнем горизонте опытного слитка оксидных включений в 5 раз больше. Сульфидных и оксисульфидных включений в опытном слитке в 3,3 и 2,5 раза меньше.
  8. Исследование изменения среднего размера неметаллических включений по сечению и высоте слитков показало, что в зоне осевой рыхлости опытного слитка размер оксидных, сульфидных и оксисульфидных включений в 6, 2,5 и 1,3 раза меньше, соответственно, чем в слитке обычной геометрии.
  9. Прочностные характеристики изделий изготовленных из слитка с вогнутой донной частью выше в среднем на 5-10%, чем в изделиях из слитков обычной геометрии.
  10. Предлагаемый опытный слиток с вогнутой донной частью по своим структурным и качественным характеристикам превосходит обычный кюмпельный слиток. Его получение не требует изменения технологии и вложения затрат, способствует повышению выхода годного, что делает его производство экономически целесообразным. Ожидаемый экономический эффект составляет 569520 рублей.
  11. Полученные результаты дают возможность проводить целенаправленный выбор соответствующей конфигурации слитка, обеспечивающей изготовление качественной поковки с минимальным развитием дефектов зоны осевой рыхлости и улучшенными структурными характеристиками.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

  1. Исследование кристаллического строения донной части крупных кузнечных слитков / Ю.А. Посламовская, С.И. Жульев, А.И. Горунов, С.Б. Гаманюк // Известия Волгоградского гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2: межвуз. сб. науч. ст. / отв. ред. Ю. П. Трыков; ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - № 10. - C. 152-154.
  2. Гаманюк, С.Б. Особенности внутреннего строения и распределения примесей в слитке стали 38ХН3МФА / С.Б. Гаманюк, С.В. Ящук, Д.В. Руцкий // Известия Волгоградского гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2: межвуз. сб. науч. ст. / отв. ред. Ю. П. Трыков; ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - № 10. - C. 154-156.
  3. Исследование влияния особенностей процесса кристаллизации крупного слитка спокойной стали 38ХН3МФА на прочностные и пластические характеристики / С.Б. Гаманюк, Д.В. Руцкий, Н.А. Зюбан, К.Е. Титов, М.Ю. Чубуков // Известия ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 3: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2009. - № 11. - C. 154-158.
  4. Руцкий, Д.В. Особенности затвердевания и развития дефектов осевой зоны в кузнечных слитках с изменённой конфигурацией донной части [Электронный ресурс] / Д.В. Руцкий, Н.А. Зюбан, С.Б. Гаманюк // 65 лет ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П.Бардина" : юбил. сб. ст. : [по матер. науч.-техн. конф., Москва, 30 сент. 2009 г.] / ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П.Бардина" [и др.]. - М., 2009. - 1 CD-ROM. - C. 377-387.
  5. Влияние химической и физической неоднородности слитка массой 24,2 т стали 38ХН3МФА на механические свойства трубных заготовок / Д.В. Руцкий, Н.А. Зюбан, С.Б. Гаманюк, Ю.А. Посламовская // Известия Самарского научного центра РАН. - 2010. - Т. 12, № 1. - C. 489-492.
  6. Зюбан, Н.А. Исследование осевых дефектов кузнечных слитков и поковок из них валов роторов турбогенераторов / Н.А. Зюбан, Д.В. Руцкий, С.Б. Гаманюк // Технология машиностроения. - 2010. - № 11. - C. 13-16.
  7. Исследование особенностей формирования, строения и структуры слитков с изменённой геометрией донной части / Н.А. Зюбан, С.Б. Гаманюк, Д.В. Руцкий, Н.С. Витряк // Изв. ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 4: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 4. - C. 166-169.
  8. Исследование дефектов литой структуры осевой зоны слитков стали 38ХН3МФА и их поведение во время осадки / Н.А. Зюбан, Д.В. Руцкий, С.Б. Гаманюк, А.Н. Стяжин, А.А. Сидоров // Сталь. - 2011. - № 4. - C. 24-28.
  9. Исследование причин структурной и химической неоднородности нижней половины крупных кузнечных слитков / Зюбан Н.А., Посламовская Ю.А., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б. // Известия Волгоградского гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2: межвуз. сб. науч. ст. / отв. ред. Ю. П. Трыков; ВолгГТУ. - Волгоград, 2011.
  10. Влияние геометрии и условий затвердевания слитков спокойной стали на качество поковок роторов турбогенераторов / Зюбан Н.А., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., Титов К.Е., Посламовская Ю.А., Витряк Н.С., Коновалов С.С. // «Известия Самарского научного центра Российской академии наук» Спец. вып. "Актуальные проблемы машиностроения", 2011 г., Самара, Россия.
  11. Исследование влияния изменения геометрии донной части кузнечного слитка на формирование внеосевой ликвационной неоднородности / Зюбан Н.А., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., Коновалов С.С. // Металлург. – 2011.
  12. Исследование влияния геометрии донной части кузнечного слитка массой 22,5 т на условия затвердевания и степень развития в нем физической и химической неоднородности / Руцкий Д.В., Зюбан Н.А., Гаманюк С.Б., Посламовская Ю.А., Гаврилова С.В. // Технология металлов. - 2011.
  13. Патент на полезную модель 110667, РФ, МПК B 22 D 7/08 / Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / Зюбан Н.А., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., [и др.] – Опубл. 27.11.2011. Бюл. №33.
  14. Патент на полезную модель 114281, РФ, МПК B 22 D 7/08 / Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / Зюбан Н.А., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., [и др.] – Опубл. 20.03.2012. Бюл. №8.

Подписано в печать 17.04.2012 г. Заказ № Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0.

Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ

Волгоградского государственного технического университета.

400005, Волгоград, просп. им В.И. Ленина, 28, корпус №7




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.