Содержание к диссертации
Введение
1. Мировой и отечественный опыт производства крупных поковок
1.1. Рынок крупных поковок 6
1.2. Производство крупногабаритных поковок
1.2.1. Ижорские заводы 9
1.2.2. Камасталь (ОАО «Мотовилихинские заводы») 15
1.2.3. Ижбуммаш 16
1.2.4. Оскольский завод металлургического машиностроения 20
1.2.5. ОАО «Тяжстанкогидропресс» (г. Новосибирск) 20
1.2.6. Днепроспецсталь 20
1.2.7. Завод Электросталь 22
1.2.8. Юргинский машиностроительный завод (металлургическое производство) 23
1.2.9. Зарубежное производство крупных поковок
1.3. Технические и технологические аспекты производства металла для крупных поковок 26
1.4. Влияние водорода на качество металла 32
1.5. Термическая обработка крупных поковок 40
1.6. Задачи исследования 52
2. Разработка технологии выплавки, внепечной обработки и разливки металла для крупногабаритных поковок
2.1. Технологическая схема производства крупногабаритных поковок на ОАО «Мечел» 55
2.2. Особенности технологии выплавки и внепечной обработки металла для крупных поковок 59
2.3. Разработка параметров кузнечного слитка и сменного стале разливочного оборудования
2.3.1. Расчет параметров кузнечного слитка 62
2.3.2. Разработка конструкции изложницы, надставки и поддона 67
2.3.3. Расчет продолжительности кристаллизации слитка 71
2.3.4. Изготовление и эксплуатация сменного оборудования 76
2.4. Исследование качественных характеристик 17,5-тонного слитка для поковок 77
2.4.1. Изменение содержания водорода при выплавке и внепеч ной обработке металла для крупных поковок 77
2.4.2. Влияние содержания серы и неметаллических включений на флокенообразование 86
2.4.3. Термодинамический анализ взаимодействия компонентов жидкой и кристаллизующейся стали 40ХГМ 95
2.4.4. Исследование структуры и химической неоднородности 1755-тонного слитка стали 40ХГМ 103
2.5. Выводы ПО главе 122
3. Разработка оборудования и технологии термической обработки поковок методом водовоздушной закалки
3.1. Разработка устройств и оборудования для проведения водо воздушной закалки поковок диаметром до 700 мм 126
3.1.1. Гидравлические испытания форсунок капельного орошения 129
3.1.2. Гидравлические испытания водовоздушного коллектора 137
3.1.3. Тепловые испытания. Определение охлаждающей способности форсунок капельного орошения и водовоздушных коллекторов 141
3.1.4. Компоновка охлаждающих устройств в установке водовоздушного охлаждения
3.2. Разработка технологии термической обработки крупногабаритных поковок с применением установки водовоздушного охлаждения 150
3.3. Выводы по главе 164
4. Общие выводы 166
Библиографический список использованной литературы
- Оскольский завод металлургического машиностроения
- Разработка параметров кузнечного слитка и сменного стале разливочного оборудования
- Исследование качественных характеристик 17,5-тонного слитка для поковок
- Тепловые испытания. Определение охлаждающей способности форсунок капельного орошения и водовоздушных коллекторов
Оскольский завод металлургического машиностроения
Для получения металла с более высокими характеристиками сталь подвергается электрошлаковому или вакуумно-дуговому переплаву. Методом вакуумно-дугового переплава производятся жаропрочные сплавы, коррозионностойкие, инструментальные, конструкционные, подшипниковые и другие стали; масса слитков от 1 до 6 тонн.
Методом электрошлакового переплава производятся подшипниковые, конструкционные, коррозионностойкие и другие стали. Масса слитков -0,7...20 тонн.
Выплавка нержавеющих коррозионностойких сталей с низким содержанием углерода осуществляется дуплекс- процессом: открытая дуговая электропечь - конвертор. Высокое качество выплавляемых сталей и сплавов, стандартность их химического состава обеспечивается тщательной подготовкой исходных материалов и лома в специализированном цехе подготовки производства и скрапоразделочном цехе. Разливку стали в изложницы осуществляют сифонным способом. При необходимости производится продувка металла аргоном в ковше.
На дальнейший передел (прокатку, ковку, прессование) слитки передаются горячим всадом (с температурой поверхности не менее 850 С) или в холодном состоянии, в зависимости от марок. Перед прокаткой (прессованием) производится зачистка поверхности слитков, поступающих на передел в холодном состоянии.
Кузнечно-прессовый цех завода оборудован гидравлическими прессами с номинальным усилием 60 и 32 МН. Прессы оснащены манипуляторами грузоподъемностью 10 и 5 т, соответственно. В цехе имеются участки для термообработки, отделки поковок и ультразвукового контроля с современными приборами.
На заводе производятся поковки круглого и квадратного сечения размером от 200 до 500 мм, слябы размером (120-300) х (300-800) мм и шайбы диаметром 400-1100 мм, высотой 120-300 мм из конструкционных, инструментальных, коррозионно-стойких нержавеющих сталей, прецизионных и жаропрочных сплавов различных способов выплавки.
Кузнечный цех специализируется на производстве труднодефор-мируемых легированных, инструментальных, быстрорежущих и нержавеющих сталей, жаропрочных сплавов, в т.ч. с применением радиальной ковки. В цехе установлены две радиально-ковочные машины усилием 10 и 3,4 МЫ фирмы GFM (Австрия) и 7 пневматических молотов с массой падающих частей от 1 до 5 тонн. Оптимальные схемы деформации металла с применением радиально-ковочных машин позволяют получить поковки и заготовки с высоким качеством поверхности и достаточной точностью по размерам.
Сталеплавильное производство представлено на заводе пятью электросталеплавильными цехами, в которых установлены 5 и 20 т дуговые сталеплавильные печи, агрегат для внепечной обработки металла в 20 т печи-ковше (АКВОС), индукционные печи емкостью 0,5 и 1,0 т, целый ряд агрегатов спецметаллургии (вакуумные дуговые и электрошлаковые печи).
Разливка металла в сталеплавильных цехах производится в изложницы и на машинах непрерывного литья заготовок. Непрерывная разливка прочно заняла свое место в замкнутом цикле производства высококачественных сплавов методами вакуумного дугового и электрошлакового переплавов.
Заводом "Электросталь" накоплен большой опыт производства высококачественного металла методами специальной электрометаллургии, которые обеспечивают высокую степень чистоты металлов от газов, неметаллических включений и примесей вредных цветных металлов, лучшее усвоение активных легирующих и модифицирующих элементов с одновременным получением плотного однородного по составу слитка.
В кузнечно-прессовом цехе № 1 установлены два гидравлических пресса усилием 4000 тс, имеются участки для термообработки: отпуска, отжига и отделки поковок (обточка, шлифовка). В составе цеха есть кузнечное отделение, включающее в себя трех- и семитонные молота, производящие кованый сорт круглого, квадратного сечения размерами 80-200 мм и, прямоугольного сечения размерами 30-120 х 100-300 мм.
Цех выпускает штанги круглого и квадратного сечения размером от 180 до 450 мм, слябы размером 80-300 х 320 - 600 мм и шайбы диаметром 350- 900 мм весом от 100 до 1000 кг.
В кузнечно-прессовом цехе № 2 установлены радиально-ковочная машина SXP-55 усилием 10 МН фирмы GFM (Австрия) и горизонтальный экструдинг-пресс усилием 63МН. Цех оснащен термическими средствами и адъюстажем. Благоприятная схема деформации металла на радиально-ковочной машине позволяет получить поковки и заготовки с высоким качеством поверхности и повысить уровень автоматизации и механизации процесса ковки. Цех производит поковки и заготовки круглого и квадратного сечения размером 105-180 мм. Горизонтальный пресс 63 МН предназначен для получения прутков диаметром от 80-210 мм сложнолегированных особо труднодеформируемых сплавов.
Юргинский машиностроительный завод (ОАО «Юрмаш») - это предприятие, состоящее из комплекса заводов с полным циклом, - от выплавки стали до выпуска готовых машин. На предприятии разработаны и доведены до серийного производства артиллерийские системы, оборудование ракетно-космических стартов, подъемно-транспортная техника, маслоотжимные агрегаты различной модификации, погрузчики-экскаваторы, шахтное оборудование и другие изделия производственно-технического назначения.
В процессе конверсии предприятие освоило производство горношахтного оборудования. Высокое качество горно-шахтного оборудования обеспечивает наличие развитой базы: стальное, чугунное, цветное литье, раскатные кольца, валки холодного проката, заготовки валов ротора, а также высокоразвитое механосборочное производство с уникальными крупногабаритными станками и станками с программным управлением.
Разработка параметров кузнечного слитка и сменного стале разливочного оборудования
Увеличение конусности слитка способствует не только улучшению макроструктуры, но и одновременно и увеличению толщины верхнего слоя затвердевающей стали. При одной и той же скорости кристаллизации это способствует уменьшению нагрузки, приходящейся на единицу поперечного сечения слитка и, следовательно, уменьшению поперечных трещин в верхней, подпри-быльной части слитка. Кроме того, увеличение конусности слитков улучшает условия подъема корочки на поверхность металла в изложнице и способствует предотвращению образования заворотов.
Чем длиннее слиток, тем большую конусность нужно придавать стенкам изложницы для получения плотной макроструктуры. Для высоколегированных сталей уширенные кверху изложницы должны иметь конусность 4,0...6,0 % (на одну сторону) или 8... 13% на обе стороны. С учетом ограничений габаритных параметров слитка - высоты и размеров нижнего и верхнего сечений при расчете определили (Приложение 2) максимально возможную конусность слитка, равную 8,8% и отношение высоты к приведенному диаметру, равное 2,24.
Подчеркнем, что конусность кузнечных слитков принято считать на обе стороны [1, 3, 4, 7]. При расчете слитков квадратного и прямоугольного сечения конусность рассчитывается всегда на одну сторону.
Главное назначение прибыльной части слитка - обеспечить резерв жидкого металла для питания последовательно затвердевающих слоев стального слитка. Поэтому конструкция прибыльной надставки при минимальном объеме должна обеспечивать ее основное предназначение. Обычно внутренний контур применяемых прибыльных надставок имеет форму усеченной фигуры, сечение которой приближается к форме верхнего сечения слитка. Конусность прибыли обычно находится в пределах 10-20%, объем колеблется в пределах 14-20% от веса слитка. Однако, в относительно узкой и высокой прибыли уровень жидкого металла снижается при затвердевании слитка быстрее, благодаря чему меньше металла затвердевает в самой прибыли и следовательно объем этого металла используется полнее [79] При этом снижаются и теплопотери в прибыльной надставке, т.к. большая их часть (-93%) отводится прибылью через боковую поверхность и корпус надставки и только небольшая часть ( 7%) через зеркало металла [15].
Скорость затвердевания стали при этом определяется формой прибыльной части слитка и отношением поверхности охлаждения к объему металла, заключенному в ней. Уменьшение поверхности ее охлаждения увеличивает время пребывания жидкого металла в надставке и способствует лучшему питанию слитка. Поэтому применение круглых прибылей более целесообразно, чем квадратных и прямоугольных.
Непременным условием получения плотного слитка является то, что металл в изложнице должен затвердеть раньше, чем питающий его металл в прибыльной надставке. Практически расчет прибыли сводится к определению таких условий охлаждения металла в прибыли, при которых получается резерв жидкой стали обеспечивающий питание слитка. Наиболее важным при этом является правильный выбор формы нижнего основания надставки, ее диаметра, высоты и уклона стенок (конусности прибыли) [7].
Основываясь на вышеизложенном и исходя из условий эксплуатации и назначения слитка, рассчитана его прибыльная часть со следующими параметрами: - высота прибыльной части слитка - 650 мм; - форма сечения прибыльной части - окружность; - диаметр нижнего сечения - ИЗО мм (выбран промежуточным между минимальным и максимальным диаметрами верхнего сечения слитка, с целью исключения возникновения напряжений от подвисания и плавного поступления металла из изложницы в надставку); - конусность 20,7% (конусность более 20% способствует [7] получению плотной осевой зоны слитка; - объем прибыльной части - 20,5% (это хорошо согласуется с данными работы [11], где
Расчет и конструирование восьмигранной изложницы для кузнечного слитка массой 17,5 т производили с использованием методики расчета изложниц, представленной в работах [7, 69, 70, 75]. Эти расчеты основывались на результатах исследования и анализа температурных полей [6, 17, 63, 64], физико-механических свойств доменного передельного чугуна и напряженно-деформированного состояния сквозных слябинговых и блюминговых изложниц [38,81,82].
Изложница выполнена равностенной по высоте. С учетом конфигурации поперечного сечения расчетная масса ее составила 13,5 т, а отношение массы изложницы к массе слитка mjmc составила 0,77, что значительно меньше mJmc-\, рекомендуемого для изложниц с квадратным или прямоугольным сечениями. Однако, отливка изложниц рассчетной массы в условиях ФЛЦ не представляется возможной из-за ограничений по грузоподъемности кранов. Поэтому конструкция изложницы была облегчена до 11,5 т за счет уменьшения толщины стенки до 170 мм, отношение т,/тс составило 0,66.
Нижний торец изложницы упрочнен бандажом. Методика расчета изложницы [70, 72, 75] приведена в Приложении 3, а на рис. 2.5 представлен ее чертеж.
Конструкция прибыльной надставки связана с конструкцией прибыльной части слитка (рис. 2.3). При этом использованы данные работ [13, 15, 83]. Для уменьшения теплопотерь во время кристаллизации конусность надставки выбрали равной 21,2%. Форма сечения надставки - окружность. Внутренний размер основания надставки выбирали из условий плавного перехода металла в надставку. Он меньше среднего диаметра верхнего сечения тела слитка, что позволяет исключить «подвисание» и в то же время уменьшить вероятность заворотов корки во время входа металла в надставку. Для исключения смещения надставок при транспортировке состава предусмотрен фиксатор в виде бурта по всему внешнему периметру надставки.
Исследование качественных характеристик 17,5-тонного слитка для поковок
Как обсуждалось в литературном обзоре, требования современного рынка поковок - это не только достаточно крупный размер и масса, но и высокие механические свойства кованных изделий, что достигается путем закалки поковок.
Окончательная термическая обработка крупных поковок из низко- и среднелегированных марок сталей должна обеспечить получение заданного комплекса механических свойств на требуемой по стандартам глубине от поверхности с минимальным уровнем временных и остаточных напряжений для предотвращения трещинообразования. При этом оптимальное охлаждение при закалке крупных стальных поковок диаметром 200...750 мм и длиной до 6,5 м должно состоять как минимум из двух стадий.
На первой стадии необходимо поддерживать высокие скорости охлаждения за счет интенсивной подачи охладителя на поверхность поковки. Скорость снижения температуры поверхности должна обеспечить максимальное подавление протекания перлитного превращения на возможно большей глубине от поверхности поковки. Поскольку большая часть сечения в начальные моменты времени находится в аустенитном состоянии, характеризующемся большей пластичностью, можно не опасаться высокого уровня временных напряжений вследствие появления больших температурных градиентов.
На второй стадии необходимо резко (на порядок и более) снизить скорость охлаждения, так как появление за краткий промежуток времени значительного количества мартенсита, обладающего большим удельным объемом, приведет к резкому возрастанию величины растягивающих временных напряжений.
Реализация такой технологии предусматривает применение двух видов охлаждающих устройств, которые обеспечат двухстадийное охлаждение при достаточной равномерности раздачи воды по поверхности поковки. Для реали 127 зации первой стадии охлаждения наиболее рационально использование центробежных форсунок капельного орошения, конструкции которых приведены в [136,155], тогда как на второй стадии следует применить относительно мягкое водовоздушное охлаждение [156]. Форсунки капельного орошения позволяют при относительно низком давлении сжатого воздуха получать достаточно дисперсионную водовоздушную смесь с размером капель 100-500 мкм [137]. Для осуществления более мягкого по интенсивности водовоздушного охлаждения применяются форсуночные устройства, состоящие из смесителя (собственно форсунки) и раздающего коллектора. К смесителю одновременно подводятся вода и воздух под давлением 0,2-0,4 МПа. Размер получаемых капель при этом существенно меньше - 100 мкм.
В настоящей работе на первом этапе разработки установки водовоздушного охлаждения были проведены гидравлические испытания форсунок капельного орошения и водовоздушных форсуночных устройств с целью определения характеристик равномерности орошения и устойчивости работы для различных расходов, давления воды и давления сжатого воздуха. На втором этапе разработки осуществлены тепловые испытания смесительных и раздающих устройств, в ходе которых определены зависимости коэффициентов теплоотдачи от температуры охлаждаемой поверхности для оптимальных значений расходов и давлений воды и воздуха. Весь объем работ проведены на опытно-промышленном стенде в условиях КГТЦ ОАО «МЕЧЕЛ». Эскиз стенда в положениях «настройка» (для гидравлических испытаний) и «закалка» (для тепловых испытаний) приведен на рис. 3.1.
На основании полученных данных была разработана общая компоновочная схема промышленной установки водовоздушного охлаждения и определены ее основные техни Проведение опытных обработок и анализ полученных результатов позвонил сформулировать основные положения технологии термической обработки поковок с помощью водовоздушного охлаждения.
Как уже отмечалось ранее, требуемый уровень механических свойств определяется структурой, формирующейся в ходе охлаждения поковок в УВВО и последующего отпуска. Основная цель охлаждения в УВВО заключается в формировании мартенситной или бейнитной (в зависимости от типа стали) структуры на возможно большую глубину. При этом уровень закалочных напряжений не должен превышать предельно допустимый. Поставленная цель достигается тем, что закалку на УВВО проводят в два этапа со строго регламентированной плотностью орошения на каждом из них. Плотность орошения водовоздушной смесью на первом этапе охлаждения составляет 0,5... 1,5 л/м с. Этот этап продолжается до тех пор, пока температура охлаждаемой поверхности не достигнет мартенситной точки Мн, величина которой определяется содержанием основных легирующих элементов в стали, при этом максимально подавляется протекание перлитного превращения.
Второй этап охлаждения характеризуется формированием мартенсита в поверхностных слоях поковки. При этом интенсивность охлаждения должна, с одной стороны, обеспечить формирование требуемой структуры на глубине 1/2... 1/3 радиуса поковки, а с другой стороны - скорость образования мартенсита должна быть, возможно, меньшей для предотвращения появления закалочных трещин. Этой интенсивности охлаждения отвечает плотность орошения 0,1...0,5 л/м с. Охлаждение ведут до достижения поверхностью температуры Мк ... (70...100)С, при которой превращение заканчивается не только на поверхности поковки, но и в подавляющей части сечения.
На основании этого был предложен способ закалки водовоздушными смесями стальных цилиндрических изделий, преимущественно поковок, включающий нагрев до температуры аустенитизации, выдержку, регулируемое охлаждение, отличающийся тем, что с целью получения требуемых структуры и свойств изделий диаметром 180 ...700 мм охлаждение ведут с плотностью орошения в пределах 0,5... 1,5 л/м с до температуры поверхности изделия (Мн+20)...Мн, затем - с плотностью орошения 0,1...0,5 л/м с до температуры поверхности изделия Мк...(70...100)С [160].
После проведения опытных режимов термообработки поковок, данные технологии были рекомендованы для промышленного использования.
На рис. 3.22 приведены зависимости механических свойств от диаметра закаливаемых поковок. Пробы отбирались на глубине 1/3 радиуса поковки. Для каждого профилеразмера проведено не менее 30 испытаний. В целом испытано более 250 проб, отобранных от поковок 26 плавок. Как следует из приведенных данных, разработанная технология гарантированно позволяет получать уровень свойств, требуемый нормативной документацией. Аналогичные результаты получены на сталях типа 18ХГНМ, 34ХНЗМ и ряде других.
Таким образом, в результате проведенной работы спроектирована установка водовоздущного охлаждения [162], позволяющая проводить закалку поковок широкого размерного и марочного сортамента с получением после отпуска уровня свойств, требуемого согласно НТД. Разработанный способ охлаждения защищен патентом России №2178004 [161] и обладает целым рядом преимуществ по сравнению с традиционной закалкой в масло.
Известно, что в процессе работы масло окисляется, густеет, и его охлаждающая способность снижается. При повышении вязкости более чем на 40% от первоначального значения масло требует замены, влекущей за собой неминуемые затраты на приобретение нового масла и утилизацию старого. Долговечность индустриальных масел при работе без защитной атмосферы составляет 400-1000 часов в зависимости от массы закаленных деталей. Окисление возрастает с повышением рабочей температуры масляного бака. Специальные масла типа МЗМ, обладающие хорошими антиокислительными свойствами и сопротивлением загущению, работают дольше, но их цена в 2-3 раза выше цены обычных масел типа И20А.
Использование масел для закалки делает необходимым применение специальных баков, оснащенных системами очистки и охлаждения масла. При этом размеры и стоимость эксплуатации вспомогательных устройств могут быть выше, чем размеры и стоимость эксплуатации самого бака.
Кроме того, процедура закалки в масло является непрерывной. Практически невозможны перерывы в закалке, а также прекращение закалки до мо-мента снижения среднемассовой температуры изделия ниже температуры вспышки масла (для большинства используемых масел это 160-280С). Подобные операции используются в исключительных случаях, когда необходимо обеспечить максимально «мягкое» охлаждение на завершающей стадии закалки, и приводят к интенсивному горению масла на поверхности детали.
Таким образом, к существенным недостаткам применения закалочных масел относятся их высокая стоимость, пожароопасность и загазованность помещений, необходимость дополнительной очистки и обезжиривания деталей, утилизация отработанного масла, а также ухудшение санитарно-гигиенических условий труда.
Применение водовоздушнои смеси для закалки лишено перечисленных выше недостатков. Рассмотрим основные характеристики потребления охлаждающей воды и парообразования при закалке крупной стальной поковки. Проведенные нами исследования показывают, что для обеспечения производительности объемной закалки до 5 тонн в час требуемый расход воды составляет до 2,5 тонн на 1 тонну термообрабатываемого изделия. При этом максимальное повышение температуры на выходе из установки составляет не более 25С. Тепловые расчеты показали, что это соответствует переходу в пар около 5% воды. Следует заметить, что определяющий вклад в охлаждение поверхности детали в процессе закалки данным способом вносит именно испарение капель. Благодаря чрезвычайно развитой суммарной поверхности капель водовоздушнои смеси происходит частичная конденсация пара непосредственно в рабочем объеме установки, а удаляемый пар практически полностью улавливается конденсаторами, установленными в вентиляционных каналах установки (при этом обеспечивается защита оборудования и персонала от воздействия теплового излучения и перегретого водяного пара). Установка водовоздушнои закалки легко встраивается в замкнутый водооборотный цикл, что обеспечивает резкое снижение реального расхода воды до 0 004-0 08 тонн на тонну металла.
Всего в 2001 году было термообработано более 2500 т поковок из стали 40ХГМ и ее зарубежных аналогов 42CrMo4V и AISI 4140, что позволило ОАО "Мечел" прочно занять экономическую нишу по производству улучшенных поковок из качественных сталей, ранее занимаемую только предприятиями тяжелого машиностроения. Годовой экономический эффект от внедрения данной технологии и оборудования составил 15235 тыс. руб. (Приложение 7).
ческие характеристики. Последующие тепловые испытания установки водовоздушного охлаждения, проведенные на поковке диаметром 300 мм, позволили уточнить истинную охлаждающую способность установки в целом для каждого из предложенных видов охлаждающих устройств.
Технологию термической обработки крупногабаритных поковок разрабатывали на основе определенных ранее характеристик промышленной установки водовоздушного охлаждения путем расчета температурных полей поковок диаметром 200-700 мм при их закалке, оптимизации температурно-временных параметров отпуска. По результатам проведенных механических испытаний образцов, вырезанных из поковок, производили корректировку промышленных режимов термической обработки.
Распыление воды в форсунке центробежного типа (капельного орошения) достигается за счет движения закрученной струи через сопло. Плотность орошения регулируется в пределах от 1... 12 л/м2с за счет изменения давления в коллекторе в пределах 1,5...3,5 атм. Угол раскрытия водяного факела составляет 90.,120 угловых град. Конструкция и принцип действия данных форсунок подробно описаны в работе [157] (рис.3.2). Они обеспечивают охлаждение металла со скоростями, равными или превышающими скорость охлаждения в масле, особенно в интервале температур поверхности 800...400С. Для подавляющего большинства конструкционных и инструментальных сталей это интервал наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита, а для нержавеющих и других аустенитных сталей в температурном интервале 600...800С происходит выделение по границам зерен карбидов и интерметаллидных частиц, существенно снижающих служебные свойства данного класса сталей.
Поэтому быстрое охлаждение поковок в этом температурном интервале необходимо для подавления распада аустенита по первой ступени (перлитный распад) в конструкционных и инструментальных сталях и для подавления выделения карбидной фазы и интерметаллидов в сталях аустенитного класса.
Тепловые испытания. Определение охлаждающей способности форсунок капельного орошения и водовоздушных коллекторов
Для кислорода за среднее значение принимали среднюю арифметическую концентрацию, рассчитанную по всем представленным в табл. 2.12 данным (0,019%).
Как видно из табл. 2.13 степень ликвации углерода, марганца и хрома не велика и, как правило, не превышает 10%. Ликвация фосфора и кислорода не превышает 20-25%, а ликвация серы лежит в пределах от 20% до 40%. Следует заметить, что для такого большого слитка химическая неоднородность невелика, что позволяет охарактеризовать разработанный слиток как достаточно стабильный по химическому составу, обеспечивающий стабильные свойства высокое качество изготовляемых их него поковок.
Сопоставляя металлографические исследования (рис. 2.22) с результатами химического анализа (рис. 2.24, 2.25) в различных зонах слитка (рис. 2.23) следует отметить, что повышение содержания углерода, марганца, фосфора, серы и азота в центре литера А связано с тем, что эта зона приходится на V- образную ликвацию 17,5-тонного слитка (рис. 2.22). Используя данные о макроструктуре слитка можно объяснить и наличие максимума на кривых углерода, марганца, азота и серы в литере С. Проба, взятая на У2 R (рис. ..223 )литка приходится на аону Л-образной ликвации («усь»). Этим же объясняется и увеличеиная концентрация углерода, серы и азота на периферии слитка (рис. 2.24, 2.25). По-видимому, проба на краю слитка в литере И приходится на самое окончание А-образной ликвации а центральная проба в этот литере взята из зоны конуса осаждения в котором содержание ггоимесей железа минимально
Определение состава и степени загрязненности различных зон 17,5-тонного слитка стали 40ХГМ неметаллическими включениями проводили в тех же пробах, вырезанных из темплета (рис. 2.22), что и химический состав металла. Всего были изучены семь образцов металла, относящиеся к различным литерам слитка (А, С, Н). На рис. 2.23 они обозначены звездочкой.
Металлографическая оценка неметаллических включений проведена на оптическом микроскопе Neophot 21 при увеличении хЮО и х400. Анализ проведен по 50 полям зрения для каждого образца.
Анализ состава неметаллических включений проводили на рентгеновском микроанализаторе Super Probe 733. Размер анализируемого образца - 10x10x10 мм. Поиск неметаллического включения проводился с помощью оптической системы анализатора при увеличении х414. Микроанализ выбранного включения проводился с помощью рентгеновского спектрометра, оборудованного кристаллами LiF и PET, имеющими энергетический диапазон 10,84.. .3,33 и 4,99.. 1,54 кеУ, соответственно.
Результаты исследования показали, что количество неметаллической фазы уменьшается от головной части слитка (литер А) к донной (литер Н). При этом происходит изменение размера и состава неметаллической фазы. Включения максимального размера наблюдаются в головной части слитка (рис. 2.22). Эт включения в подавляющем большинстве имеют сложный состав и являются неудаленными продуктами вторичного окисления металла и неметаллическими включениями, образовавшимися в процессе кристаллизации слитка (рис. 2.26). На рис. 2.27 для примера представлены крупные оксинитриды в пробе металла, взятой из ковша при обработке на АКОСе.
Включения, обнаруженные в средней части слитка, имеют меньшие по сравнению с головной частью, размеры (до 40 мкм) и более простой состав. В основном, это окислы алюминия и титана (рис. 2.28, 2.29), а также дисперсные включения (размером 10-15 мкм) продуктов раскисления (окислы Si и Са),
Включения, фиксируемые в нижней части слитка (рис. 2.30, 2.31) по своей природе аналогичны включениям средней части слитка. Это окислы алюминия, кальция и титана, образовавшиеся, по-видимому, в процессе кристаллизации. По сравнению со средней частью слитка, дисперсность частиц возрастает, Размер наиболее крупных единичных включений не превышает 20 мкм, основная же масса частиц имеет размер 10... 15 мкм. Различий в размере частиц и их морфологии в зависимости от расстояния от центра слитка не обнаружена. Следует отметить, что экспериментально установленный состав неметаллической фазы хорошо соответствует составу неметаллических включений, прогнозируемому по результатам термодинамического расчета (см. раздел 2.4.3).
Сопоставляя результаты исследования с исследованиями неметаллических включений в 23-тонном слитке стали 35 [9] можно отметить меньшее содержание неметаллической фазы при более крупных размерах. Так, в 23-тонном слитке преимушественный размер включений составлял 0,5... 1,0 мкм в корковой зоне и 4...5 мкм - в осевой. Что кааается состава неметалличееких включений, то он безусловно, связан с химическим составом стали, однако в отличие от данной работы, представлен в значительной степени сульфидами марганца и разнообразными силикатами.
Неметаллическая фаза в стали 40ХГМ представлена преимущественно оксидами, силикатами и глобулями. В табл. 2.14 представлена оценка загрязненности крупных поковок из этой стали неметаллическими включениями. Как видно, в металле низкий балл по сульфидам, что хорошо согласуется с термодинамическим расчетом (см. раздел 2.4.3). Кроме того, следует отметить высокую чистоту поковок по неметаллической фазе, которая полностью укладывается в требования нормативной документации (табл. 2.14).
