Введение к работе
Актуальность темы. Развитие различных отраслей промышленности, науки и техники требует решения проблемы повышения качества стали. Современные конструкции и их элементы часто находятся в сложных условиях эксплуатации, характергауемые широким интервалом температурно-динамических воздействий. В связи с этим очевидна необходимость проведения дальнейших гаучеїшй различных свойств стали с целью коренного улучшения ее протводствештых характеристик.
Качество стали во многом зависит от химического состава, технологии производства и обработки продукции. В ее состав попадают не только целенаправленно вводимые компоненты, но и элементы -нежелательные примеси, ухудшающие структуру и свойства. Поэтому регулирование состава, формы, количества и распределение включений является важным резервом улучшения ее свойств. Для большинства сталей наиболее вредной и трудно устранимой примесью является сера, отрицательно влияющая, прежде всего, на пластичность и ударную вязкость. Практически во всех сталях, содержащих более 0.015% S, на долю сульфидных и окснсульфидных включений приходится более 70-80% от всех неметаллических включений и их влияние заметно сильнее, чем оксидов, что в значительной степени определяет направление работы по изучегппо включений.
Анализ имеющихся результатов не дает однозначного ответа на вопросы о происхождении и условиях образования неметаллических включений. Поэтому, наиболее важным является создание и разработка математических расчетов на основе экспериментальных. данных, преследующих цель прогнозирования и объяснения опытных результатов. При промышленном производстве стали, появление включений, влияющих на конечные свойства продукции, может свести на нет усилия, затраченные на разработку состава и технологию ее производства. В связи с этим, прогноз и, возможно, управление на основе математического моделировашія процессами формирования и распределения включений позволит получать продукцию со свойствами, близкими к заданным.
Цель работы. Исследование и прогнозігровште процессов образования, развития, распределения сульфидных включений, а так же изучение возможности их дальнейшего влияния на зарождение и распространение внутренних трещин в стальном слитке.
Задачи исследования.
-
Проведение теоретического анализа условий образования сульфидных включений при охлаждении и кристаллизации стали.
-
Исследование возможности образования и развития внутренних трещин, гашциированных сульфидными включениями.
-
Установление методом вычислительного эксперимента:
4 процесса образования докристаллизационных неметаллических включений при температурах жидкой стали; процесса образования неметаллических включений при кристаллизации стали с учетом химических реакций, температурных и концентрационных факторов, влияющих на кинетику реакций в двухфазной зоне;
связи между концентрацией примеси и ее распределением по объему слитка;
условий распространения внутренних трещин, главную роль в зарождении, которых играют неметаллические включешй.
-
Проверка расчетных результатов методом сравнения с экспериментальными данными для подтверждения математической модели.
-
Анализ результатов и прогноз состава и распределения неметаллических включений в стали.
Научная новизна. Состоит в том, что:
обоснована возможность разделения замкнутой задачи теории квазиравновесной двухфазной зоны на тепловую и диффузионную задачи;
впервые получены данные последовательного решения тепловой и диффузионной задач, позволяющие связать результаты расчетов термодашамики образования сульфидных включешй с геометрией сечения слитка;
разработан программный модуль, позволяющий с помощью
линейной апроксимации детализировать картину и последовательно
определять параметры двухфазной зоны и термодинамические показатели
образования сульфидных включений в объемах, соизмеримых с размером
включения;
применеігае модели к анализу ликвационного накопления сульфидов в сталях с низким содержаїшем серы дало основание для заключения о возможности снижения технологического содержания марганца в чистых сталях;
разработана методика расчета на основе систем интегральных сингулярных уравнений возможного появления внутренних трещин, источником которых являются сульфидные включения;
разработана методика приближенного расчета развития внутренних трещин при совместном решении уравнений упругости и пластичности.
Достоверность полученных выводов. Обусловлена использовшшем современных методов и средств математического моделирования, основанных на фундаментальных уравнениях сохранения массы и переноса вещества, а также удовлетворительным согласованием расчетных результатов с экспериментальными данными.
Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты расчетов дают возможность более глубоко поішмать
5 происхождение различных по составу неметаллических включений их природу и процесс образования.
Разработанный комплекс моделей позволяет проводить количественную оценку образовагаи различных сульфидных включений в зависимости от начального содержания серы и марганца. Результаты прогнозирования возможно найдут применение при разработке технологии рафинирования различных составов стали. Например, изменение температуры сульфидообразования, характеризуемое выделением определенных типов сульфидов, необходимо регулировать добавками различных компонентов, влияющих на температуру (Са, Zr, Се).
Созданная структура моделей может быть использована, кроме того, для исследования трещин различной природы образования при кристаллизации разных марок сталей.
Полученные автором, как количественные оценки, так и отдельные модели, могут быть также использованы для решения широкого круга задач металлургии, металловедения и т.д.
Методика и программное обеспечение использовалась для оценки содержания серы и сульфидных включений на примере расчета стальных слитков выпускаемых на различных промышленных предприятиях (в т.ч. на Новолипецком металлургическом комбинате).
Апробация работы и публикации. По результатам исследования опубликовано 3 статьи.
Материалы диссертации доложены в ЗАО НПЦ «ВНИПИ САУ-30», ФГУП ЦНИИЧермет им. Бардина.
Структура и объем работы. Полный объем работы 160 страниц, в том числе 46 рисунков, 12 таблиц. Текст изложен на 114 страницах. Список литературы насчитывает 133 наименования.