Введение к работе
Актуальность проблемі. Современный уровень развития различных отраслей машиностроения Украины характеризуется непрерывным повышением требований к качеству и потребительским свойствам металлоггродукции в условиях развития свободной конкуренции. При этом высокие требования к качеству обычно рассматриваются в тесной взаимосвязи с себестоимостью, что предопределяет актуальность проблемы снижения материало-и энергоемкости продукции на всех стадиях производства.
Для достижения гарантированно высокого уровня физикомеханических и технологических свойств конструкционных материалов все шире используются прогрессивные методы выплавки металла в комплексе с современными высокоэффективными приемами доводки чугуна и стали в ковше. Промышленная реализация этих мероприятий требует,как правило, значительных капиталовложений и реконструкции существующих технологических, линий или цехов, а достигнутый эффект повышения качества металла в ковше в значительной степени может быть утерян в ходе затвердевания слитков или заготовок за счет развития ликвационных и усадочных дефектов.
В соответствии с современными представлениями о затвердевании слитков и заготовок существенные резервы повышения качества металлопродукции могут быть найдены на стадии перехода от жидкой фазы к твердой. С этой точки зрения весьма перспективным представляется использование методов принудительного перемешивания жидкой фазы в ходе затвердевания, обеспечивающих управление массо- и теплообменными процессами. В настоящее время благодаря работам Абрамова О.В., Баландина Г.Ф., Борисова В.Т., Дюдкиня Л-А., Бфимова В.А., Кнзачкова Е.А., Кэм-пбелла Дж., Оно А., Пилюшенко В.Л., Скворцова А.А., Скребцова A.M., Флемингса М.С., Шкляра B.C., Эльдарханова А.С, Яковлева Ю.Н. и других исследователей развиты общие представления о влиянии внешних воздействий на процессы, происходящие при затвердевании. Между тем, широкое промышленное применение методов внешних воздействий на слитки и заготовки в значительной степени сдерживается отсутствием комплексных рекомендации и достаточных для практического применения теоретических представлений о массо- и теплообменных процессах, происходящих в жидкой и жидко-твердой фазах при затвердевании в условиях наложения принудительного воздействия. Принимая во внимание большое разнообразие геометрической формы, массы, эксплуатационных характеристик слитков и отливок, производимых для нужд машиностроения, задача использования методов внешних воздействий должна включать дальнейший поиск рациональных схем и приемов с учетом конкретных производственных условий.
Особый интерес для управления процессами формирования слитков и заготовок при затвердевании представляет метод пульсационного воздействия, обеспечивающий направленное и регламентированное перемещение потоков жидкости и находящихся в них частиц твердой фазы. Поэтому для его применения в промышленных условиях необходимо изучить взаимосвязь между параметрами пульсационного воздействия, характером и интенсивностью перемешивания, характером развития колебательных процессов в системе, степенью проявления кавитационных явлений, закономерностями образования и роста частиц твердой фазы в расплаве, изменениями в тепловой работе прибылей и пр.
Представленная к защите работа является теоретическим и экспериментальным обобщением в области металлургии, связанным с новым решением проблемы эффективного управления усадочными, ликвационными и кристаллизационными процессами непосредственно в ходе затвердевания слитков и отливок с помощью методов пульсационного и вибрационного воздействия. Она способствует решению важной народно-хозяйственной задачи - получение металлопродукции требуемого уровня качества с минимальными затратами за счет использования универсальных и технически несложных методов воздействия на слиток или заготовку.
Связь работы с научными программами, планами, телами. Работа является итогом исследований, проведенных в Донецком политехническом институте (ннне Донецком государственном техническом университете) в рамках финансируемых хоздоговорных работ (номера госрегистрации 0I86004722I, 0I83003568I, 0I89002929I, 01890004686, 01890057423, 0I9000I4875, ОТ900008043, 01900060802, 0I9I0003379, 0I9I0043362, ПИП0007326, Ш0НЮ02504Р) в соответствии с планами министерств черной металлургии СССР и УССР, тяжелого и энергетического машиностроения СССР, нефтяного и химического машиностроения СССР. В этих исследованиях автор принимал непосредственное участие с 1978 года, в т.ч. с 1986 г. в качестве научного руководителя.
Цель и задачи исследования.
Целью работы является развитие теории процессов форшроиишш слитков и заготовок, происходящих при затвердевании металла в условиях наложения пульсационного и вибрационного воздействия, для повышения эффективности существующих и разработки новых технологий управления качеством металла посредством выбора рациональных режимов пульса-ционной и вибрационной обработки.
Исходя из поставленной цели были определены следующие основные задачи исследования: развитие теоретических основ и методик расчета параметров пульсационного воздействия применительно к обработке ме-
таллургических расплавов; оценка эффективности перемешивания металлургических расплавов методом пульсационной обработки в промышленных условиях и разработка принципов конструктивного оформления агрегатов такого типа; качественная и количественная оценка основных физических эффектов, сопровождающих процессы затвердевания слитков и отливок в условиях наложения пульсационного и вибрационного воздействия, с использованием методов математического и физического моделирования; разработка, промышленное опробование и внедрение технологий пульсационной и вибрационной обработки, обеспечивающих подавление усадочнчх и ликвационных дефектов в промышленных слитках и отливках.
Научная новизна полученных результатов.
В работе раскрыта взаимосвязь основных физических эффектов и механизмов, проявляющихся при пульсационном воздействии и вибрационной обработке гадкой фазы слитков и отливок; разработаны методы количественной оценки влияния параметров этих воздействий на результаты обработки; созданы методики, позволяющие прогнозировать рациональные рабочие параметры и промышленные результаты обработки металла на основании данных лабораторных и опытно-промышленных исследований.
I.Показано, что в отличие от известных методов принудительного перемешивания жидкой ванны слитков при наложении пульсационного воздействия формируется качественно иная картина движения конвективных потоков, характеризующаяся циклическим образованием области вихревых турбулентных течений в зоне движения вытесняемой из погружаемой трубы струи и формированием зоны устойчивых восходящих конвективных потоков, движущихся вдоль фронта затвердевания, что препятствует развитию дефектов усадочного и ликвационного характера.
2.Получило дальнейшее развитие математическое моделирование колебаний жидкости в системе "пульсационная труба - обрабатываемый объем металла" применительно к резонансной области пульсаций. В частности, показана взаимосвязь интенсивности развития явления образования всплесков жидкости со скважностью импульса вынуждающего давления. Для ограничения интенсивности всплесков рекомендовано ограничить величину скважности импульса в пределах 4-5 единиц при одновременном формировании в нем пологих участков в местах перехода от увеличения давления к уменьшению и наоборот.
Впервые предложена математическая модель колебательных процессов в жидкой ванне для многоприбыльных отливок. Установлено, что при выборе параметров пульсационной обработки в этом случае необходимо учитывать колебательные эффекты, развивающиеся в соседних прибылях, представляющих собой замкнутую колебательную систему.
3.Созданы физические модели и экспериментальные установки, позволяющие изучать особенности процессов формирования твердой фазы слитков и отливок на прозрачных моделирующих веществах в зависимости от параметров пульсационного и вибрационного воздействий. Выявлен механизм влияния пульсационного и вибрационного воздействий на тепловую работу прибылей слитков и отливок, заключающийся в смещения теплового ядра в более высокие горизонты из-за перекрытия температурных полей частиц твердой фазы, растущих в переохлажденном расплаве.
Показано, что эффект перекрытия температурных полей оказывается возможным при доле твердой фазы в расплаве порядка 0,1-2% для частиц радиусом 0,1-0,8 мм с максимальным его развитием для частиц радиусом 0,1-0,2 мм. Экспериментально доказано, что максимальное количество частиц твердой фазы образуется на резонансных режимах.пульсационного и вибрационного воздействий при амплитудно-частотных параметрах, приближающихся к порогу кавитации.
4.В промышленных условиях доказана возможность уменьшения глубины проникновения усадочных дефектов и зоны подусадочной ликвации за счет смещения теплового ядра в верхние горизонты прибыли. Обработка крупных слитков массой 27-45 тонн обеспечила уменьшение массы прибыли в среднем на 16-25 при длительности воздействия 0,17-0,25 периода затвердевания слитка и глубине погружения трубы не более 0,75-0,80 принятой высоты налива металла в прибыли в зависимости от геометрической Формы слитка и прибыли. Показано, что длительность пульсационного воздействия ограничена падением уровня металла в прибыли в ходе затвердевания.
5.Впервые установлен эффект смещения шнуров внецентреннои ликвации из зоны, затвердевшей непосредственно в ходе пульсационной обработки, к оси слитка. Показана взаимосвязь этого эффекта с развитием восходящих вдоль фронта затвердевания принудительных конвективных потоков, формирующихся в ходе пульсационной обработки.
6.Впервые выполнены теоретические и экспериментальные исследования пульсационной обработки прибылей крупных многоприбыльных отливок. Показано, что особенности обработки крупных прибылей, заключающиеся в перемешивании только ограниченных прибылью объемов металла, оказывают существенное влияние на условия их тепловой работы и степень развития усадочных дефектов. Экспериментально доказано, что пульсационная обработка обеспечивает уменьшение глубины проникновения усадочных и ликвацйонннх дефектов в среднем на 15-18 от высоты налива металла в прибылях, подвергаемых прямому пульсационному воздействию, и на 10-12% в соседних в случае резонансного возбуждения колебаний между ними.
Методы исследований. Для достижения поставленной цели в работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований, базирующиеся на основных положениях теории металлургических процессов, теории процессов литья, теории колебаний и теории подобия: лабораторные определения характера и эффективности перемешивания жидаости пульсирующей затопленной струей; лабораторные определения закономерностей затвердевания слитков и отливок при наложении пулъсационного и вибрационного воздействий; опытно-промышленные исследования влияния на качество слитков и отливок; математическое и аналоговое моделирование процессов колебаний и перемешивания жидкости в системе "пульса-ционная труба - обрабатываемый объем металла"; промышленная проверка результатов теоретического анализа и математического моделирования. Комплексная статистическая оценка загрязненности отдельных зон слитков и отливок неметаллическими включениями осуществлялась по разработанной автором методике стереологической реконструкции распределения неметаллических включений.
Практическое значение работы заключается в разработке новых способов обработки металла, основанных на перемешивании расплава пульсирующей затопленной струей, а также технологии и оборудования для их реализации. Разработаны новые технологические приемы, позволяющие существенно повышать качество слитков и отливок за счет их виброобработки при затвердевании и после выбивки и обрубки. Способы и устройства защищены 40 авторскими свидетельствами на изобретения.
Созданные экспериментальные лабораторные установки для визуального изучения процессов перемешивания модельных жидкостей и затвердевания слитков и отливок обеспечивают визуализацию физических эффектор и получение комплексных качественных характеристик, позволяющих прогнозировать технологические принципы производства слитков и отливок требуемого уровня качества.
Впервые экспериментально установленное явление подавления вне-центренной ликвации в зоне, затвердевающей непосредственно в ходе пульсационного перемешивания, позволяет разрабатывать мероприятия по управлению качеством изделий из кузнечных слитков с учетом требований последующей пластической деформации и условий эксплуатации.
Предложен комплекс критериев, обеспечивающих управление затвердеванием при виброобработке и основанный на общих закономерностях зарождения и роста частиц твердой фазы в переохлааденном расплаве, что позволило разработать технологические основы новых эффективных технологий вибрационной обработки отливок ответственного назначения.
Результаты работа использованы при разработке и внедрении:
технологии управления качеством кузнечных слитков посредством пулБсационного перемешивания их жидкой фазы в ходе затвердевания в ЭСПЦ Краматорского завода "Энергомашспецсталь";
технологии пульсационной обработки жидкой фазы прибылей крупных одно- и многоггрибнлъных отливок в литейном цехе Краматорского завода "Знергомашспесталь;
технологии вибрационной обработки чугунных изложниц в литейном цехе Донецкого металлургического завода;
технологических мероприятий по виброобработке стальных отливок с регламентируемыми эксплуатационными свойствами, отливаемых в оболочковые форш в литейных цехах Нальчикского и ишимбайского машиностроительных заводов;
технологических мероприятий по виброобработке сварно-литых деталей бурового оборудования на ДРМЗ ПО "Спецшахтобурение".
Суммарный первичный годовой экономический эффект от внедрения указанных разработок составляет 873 тыс. рублей в ценах до 31.12.91 г. и 907 тыс. рублей в ценах середины 1992 г.
Научные и прикладные результаты работы, опубликованные в монографии и в научно-технических периодических изданиях, используются в учебном процессе.
Личный вклад соискателя состоит в теоретической постановке задач и обосновании методов исследований, проведении математического и физического моделирования процессов, сопровождающих наложение пульеационного и вибрационного воздействия на расплав, а также в анализе и научной интерпретации результатов исследований; разработке конструктивного оформления лабораторных стендов и методик исследований, обеспечивающих изучение процессов перемешивания жидкости и характера затвердевания модельных сплавов для условий пульеационного и вибрационного воздействий; теоретическом оформлении и практической реализации принципиально новых технологий пульсационной обработки крупных слитков и отливок в промышленных условиях; теоретическом обосновании принципов выбора параметров вибрационной обработки отливок в ходе затвердевания в зависимости от видов подавляемых дефектов.
Апробация результатов диссертации. Основные научные положения и прикладные результаты работы обсуждались и получили одобрение на 14 Международных, Всесоюзных и межрегиональных конференциях и симпозиумах: Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика внепечной обработки стали" (Москва, 1985); конференции "Проблемы повышения технического уровня производства черных металлов и сплавов" (Москва,1987); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы
повышения технического уровня производства черных металлов и сплавов" (Донецк, 1987); конференции "Научно-технический прогресс в производстве ферросплавов и электростали" (Челябинск, 1988); межреспубликанской конференции "Передовой опыт производства стали, ее внепечной обработки, разливки в слитки и получения кузнечных заготовок" (Волгоград, Т989); Всесоюзной научно-технической конференции "Обобщение работы молодах ученых, инженеров и рабочих отрасли по экономии материальных и энергетических ресурсов" (Донецк, 1989); международной конференции "П Yugoslovensky Simpozlvtm о livarstvu" (Югославия, Будва, 1989); 1-ой Всесоюзной конференции "Совершенствование металлургической технологии в машиностроении" (Волгоград, 1990); Всесоюзной научно-технической конференции "Процессы разливки, модифиїдарования и кристаллизации стали" (Волгоград, Т990); 7-й Всесоюзной научной конференции "Современные проблемы электрометаллургии стали" (Челябинск, 1990); 2-й Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование металлургической технологии в машиностроении" (Волгоград, 1991); научной конференции "Ц Savjetovanje о primenl naucnlh istrazivanja u metalurgljl" (Югославия, Никшич,1995); Международной конференции "YI Jugoslovensky Slmpozlum о metalurglji" (Югославия, Врнячка Баня, 1996), Международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии машиностроения и современность" (Севастополь, 1997).
Пиблшацш. Результаты исследований, включенные в диссертацию, опубликованы в I монографии, 52 статьях в научных журналах, 4 статьях в сборниках научных трудов, 18 тезисах и докладах научных конференций, 40 авторских свидетельств на изобретения. Основные положения диссертационной работы изложены в 33 публикациях, в том числе Т монографии и 7 авторских свидетельствах на изобретение.
Структура и объел работы. Диссертация изложена на 325 страницах машинописного текста и состоит из введения, 7 глав и заключения. Она содержит 31 таблицу, 58 рисунков, перечень источников из 305 наименований и 3 приложения.