Введение к работе
2005-4
12388
Актуальность темы. Наиболее сложной задачей при производстве ответственных изделий тяжелого машиностроения, судостроения, энергетики является получение крупных слитков с однородным химическим составом и равномерным распределением свойств по длине и сечению. Решение этой задачи усложняется с увеличением массы кованых деталей и соответственно слитков для их производства (до 100...500 т), что усиливает физико-химическую и структурную неоднородность металла. Этот рост обусловлен постоянным увеличением мощности агрегатов.
Вакуумная обработка, используемая для повышения качества стали, позволяет снизить концентрации кислорода, водорода, азота и сократить содержание неметаллических включений. Дефекты в крупном слитке в основном возникают вследствие развития процессов ликвации. Различная растворимость элементов в жидкой и твердой фазах приводит к обогащению границы затвердевания слоем ликвирующих примесей (углерод, сера, фосфор и др). Ликвационные процессы усиливаются с увеличением времени затвердевания и расширением температурного интервала кристаллизации. Образующаяся зональная ликвация приводит к различию свойств металла в объеме слитка.
D/A
Одним из путей решения этой проблемы является разливка с дисперсными инокуляторами как метод эффективного воздействия на процесс кристаллизации расплава, поскольку именно в период затвердевания происходит формирование кристаллической структуры, образование ликвационной неоднородности и сегрегация неметаллических включений. В настоящее время этим направлением занимаются ряд российских и иностранных ученых - Ефимов В.А, Затуловский С.С, Гольд-штейн Я.Е., Мизин В.Г., Жульев СИ., Turnbull D. и др.
Введение затвердевших капель в расплав при разливке увеличивает скорость затвердевания, снижает ликвацию примесей, уменьшает усадочную рыхлость. Играя роль внутренних теплостоков, затравки снимают перегрев жидкой стали и интенсифицируют объемное затвердевание, повышают физико-химическую однородность слитков и, таким образом, стабильность механических свойств металла поковок.
Однако использование в качестве твердых холодильников готового металлического порошка, обсечки, литой дроби, несмотря на положительный эффект в измельчении макроструктуры, показало их существенный недостаток - увеличение загрязненности стали неметаллическими включениями, в основном оксидами.
В настоящее время основные усилия должны быть направлены на изыскание методов, способствующих повышению однородности металла стальных слитков и при этом не усложняющих технологию их производства.
В связи с этим актуально развитие возможностей технологии разливки в вакууме с управляемым распылением части струи расплава и обеспечением условий затвердевания стальных капель в полете. Эти затвердевшие капли - инокуляторы, введенные в жидкий металл, снизят ликвационную неоднородность в слитке и повысят однородность механических свойств в крупных кованых изделиях ответственного назначения.
Диссертационная работа выполнена в рамках работ: / проекта Министерства промышленности, науки и технологии 6/354-03 «Разработка технологии производства металлургических заготовок повышенной однородности для изделий тяжелого машиностроения» (2003 г.) по распоряжению № 3.900/41-68 от 26.03.2003 / гранта Минобразования России 6/422-03 «Разработка металлургической технологии жидко-твердой разливки крупных слитков для ответственных изделий энергетики» (2003+2004 гг.) по проекту АОЗ-3.1 ?-й. НАЦИОНАЛЬНАЯ і
ЗвЭД
СП 08
Цель работы: Повысить физико-химическую однородность крупного стального слитка в 1,5-2 раза за счет совершенствования жидко-твердой разливки в вакууме и обеспечить 2-3-кратную стабилизацию показателей механических свойств в кованых заготовках ответственного назначения.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Исследованы возможности способа по формированию твердых капель металла в периферийной зоне истекающей в вакууме струи при разливке крупных слитков.
-
Установлен характер воздействия инокуляторов на процесс кристаллизации и развитие ликвационной и физической неоднородности.
-
Определено требуемое количество, гранулометрический состав и температура твердых капель для обеспечения 1,5-2,0-кратного снижения ликвационной неоднородности в изделиях.
-
Доработана технология жидко-твердой разливки в вакууме до уровня, гарантирующего 2-3-кратное повышение стабильности показателей механических свойств подлине и сечению готовых изделий.
Методы исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов оптической и растровой микроскопии OLYMPUS ВХ21, NEOPHOT NU2/E, MSM-2, твердомеров, а также разработанных новых оригинальных методик с использованием компьютерных программ - определения плотности дендритной структуры1 и моделирования процесса кристаллизации слитка.
Научная новизна:
-
Выявлены закономерности образования затвердевших капель при жидко-твердой разливке в вакууме крупных кузнечных слитков: размер образующихся капель 0,2-5,0 мм, их температура 600-1300 СС.
-
Параллельным детальным исследованием двух кузнечных слитков стали марки 38ХНЗМФА, массой 24,2 т., установлено повышение доли объемного затвердевания (увеличение объема конуса осаждения в 1,5 раза и измельчение его структуры), что привело кустранению зоны дугообразных трещин и сокращению площади осевой рыхлости в 2 раза.
-
Установлено, что введение 1,5-2,6 % твердых частиц при жидко-твердой разливке повышает химическую однородность слитка и поковки в 1,5-2,0 раза и увеличивает стабильность свойств по длине кованых изделий в 2-3 раза.
-
Для максимального эффекта от разливки слитков с формированием твердой фазы в струе расстояние между направляющей трубой и прибыльной надставкой должно составлять 5 м, а количество инокуляторов 2,6 % от массы слитка.
Практическая ценность.
Усовершенствована и внедрена промышленная технология жидко-твердой разливки стальных слитков за счет твердых капель, формирующихся из струи расплава в вакууме, что позволяет снизить ликвационную неоднородность в 1,5-2 раза и повысить стабильность механических свойств по длине и сечению готового изделия в 2,0-3,0 раза. Результаты работы обеспечили производство качественные изделий ответственного назначения с новым уровнем стабильности свойств.
Внедрение на Волгоградском ПО «Баррикады» усовершенствованной технологии разливки позволило снизить отбраковку заготовок судовых валов, а также уменьшить количество термических переработок готовых изделий, что дало экономический эффект 585,975 тыс. рублей (доля автора 20 %).
1 В создании универсальной компьютерной программы «МГП» и детальном исследовании слитков принимали участие аспиранты кафедры «Технология материалов» Волгоградского государственного технического университета Титов К.Е., Руцкий Д В., Федоров Д. Н., Живов М.Е., Бузинов Е.И.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 5 международных конференциях (Донецк, 2001 г.; Липецк, 2001 г.; Москва, 2001 г.; Волгоград, 2002 г.; Темиртау, 2003 г.), российской конференции (Москва, 2002 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2002*2004 гг.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 2 статьи в центральных рецензируемых журналах.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 139 страниц машинописного текста, 63 рисунка, 24 таблицы, и список литературы из 126 наименований.
