автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование влияния теплофизических условий затвердевания и формы слитка для полых заготовок на его строение и распределение неметаллических включений

На правах рукописи

Галкин Антон Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ И ФОРМЫ СЛИТКА ДЛЯ ПОЛЫХ ЗАГОТОВОК НА ЕГО СТРОЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

Специальность 05.16.02 «Металлургия чёрных, цветных и редких металлов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Волгоград-2015

21 ОКТ 2015

005563583

005563583

Работа выполнена на кафедре "Технология материалов" ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного технического университета

(г. Волгоград)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

Кандидат технических наук Ведущая организация:

Зюбан Николай Александрович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология материалов» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Куклев Александр Валентинович, директор Центра новых металлургических технологий (ЦНМТ) ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»

Ромашкин Александр Николаевич, заместитель директора ИМиМ по научной работе АО «НПО «ЦНИИТМАШ»

ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский , технологический университет «МИСиС»

Защита диссертации состоится « 12 » ноября 2015 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 217.042.01, созданном на базе Акционерного общества «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» (АО. НПО «ЦНИИТМАШ»)» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4, малый конференц-зал (главный корпус, 2 этаж).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АО НПО «ЦНИИТМАШ». Диссертация и автореферат размещены на официальном сайте АО НПО «ЦНИИТМАШ» ИПрУ/ут^пниитмаш-рф. Текст автореферата и объявление о защите размещены на официальном сайте Министерства образования и науки Российской Федерации по адресу: http://vak.2ed.gov.ru/

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просьба направлять по адресу: 115088. г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская,' д. 4, диссертационный совет Д 217.042.01. Копии отзывов можно направлять по e-mail: EVMakarvchevafaicniitmash.com.

Автореферат разослан « Г» /€' 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 217.042.01, к.т.н.

Е.В.Макарычева

Актуальность темы. Классическая технология получения слитков путём разливки стали в изложницы с утепляющей прибыльной надставкой является наиболее распространённой после непрерывной разливки, имеющей свой сортамент и предназначение. Обеспечивая относительно плотную осевую зону утепление прибыли способствует интенсивному развитию ликвационных процессов по высоте слитка, особенно ликвации углерода, серы и фосфора, что отрицательно сказывается на качестве получаемых заготовок и уменьшении выхода годного.

Проблема получения качественных слитков является важной задачей современного машиностроения, над решением которой работали и работают многие российские и зарубежные учёные: B.C. Дуб, С.И. Жульев, Н.И. Хворинов, М. Флеминге, Б. Чалмерс, CJI. Скобло, В.А. Ефимов, Е.А. Казачков, H.A. Зюбан, А.Н. Смирнов и другие. Но и на данный момент решение этой задачи осложняется воздействием комплекса различных факторов при протекании физических, физико-химических и кристаллизационных процессов во время разливки, затвердевания и ковки слитков.

Уменьшить структурную и химическую неоднородность можно рядом технических решений — вибрационным воздействием, инокулированием, вращением слитка при затвердевании и др., однако главным условием получения качественного металла остаются правильно выбранные геометрические параметры слитка. Именно в этом случае можно получить более благоприятную макроструктуру, снизить ликвационную неоднородность и дефектность осевой зоны.

Не последнюю роль в этих процессах играет объём и конфигурация прибыли, обеспечивающей сохранение металла в жидком состоянии в осевой области слитка как можно большее время. Однако стремление к поддержанию высоких температур в осевой зоне слитка с целью снижения усадочных дефектов может привести к усилению развития химической неоднородности, в частности по углероду.

Также при производстве полых заготовок из слитков с полноразмерной утепляющей прибылью наблюдается значительный перерасход металла и снижение выхода годного (рис.1).

Одним из методов, позволяющих совместить эти два взаимоисключающих условия, является отливка слитков с применением захолаживания прибыли, предназначенная для производства полых поковок. Использование этой технологии обусловило повышение выхода годного, перемещение усадочной раковины в осевую область, удаляемую при ковке, уменьшение ликвации углерода, серы, фосфора по высоте слитка1.

Дальнейшее совершенствование и развитие этого метода требует рассмотрения механизма и кинетики кристаллизационных процессов, протекающих в условиях ускоренного охлаждения верхней части слитка, распределения неметаллических включений, исследования дендритной структуры и плотности литого металла с целью оценки его качества и надёжности. Это и определило направление настоящей работы; связанной с исследованием кристаллизационных процессов, структуры, формированием й распределением неметаллических включений, исследованием ликвационных процессов в слитках, отлитых с применением прибыли-холодильника.

Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается выполнением ее в рамках следующих грантов:

1. Грант Президента Российской Федерации 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

1 В.А. Шамрей, С.И. Жульев Новая форма кузнечного слитка для изготовления полых кованых изделий / Металлург № 11,2007 С. 49-54

машиностроения.

■ Выход годного

г Донная обрезь

□ Обрезь сверху

выход годного обрезь Обрезь сверху

Кольца Валы многобуртовые Трубы

прифильные, обечайки профильные

а

6

а — усреднённые данные, б — различные типы поковок Рисунок 1 — Баланс металла при ковке слитков для полых поковок

2. ФЦП № I4.B37.21.1065 Создание технологии производства крупных слитков для ответвленных поковок энергетического машиностроения на основе управления параметрами слитка, процессами разливки и кристаллизации стали

3. Грант РФФИ № 12-0831328/12 Исследование закономерностей кристаллизации и формирования критических дефектов при затвердевании сверхкрупных объемов металла в формах различной геометрии

Цель: Исследование влияния процесса затвердевания слитка при захолаживании его верхней части на строение, распределение неметаллических включений, физическую неоднородность и формирование внутренних дефектов с целью повышения свойств полых поковок и выхода годного.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

• анализ и оценка роли теплофизических факторов и условий кристаллизации в процессах формирования структуры слитка, его дефектов, физической неоднородности;

• экспериментальные исследования на базе физического моделирования особенностей кинетики затвердевания слитков при различных теплофизических условиях кристаллизации;

• теоретический расчёт эффективности тепловой работы прибыли слитков, полученных в различных условиях охлаждения;

• математическое моделирование процессов формирования структуры и внутренних дефектов слитка с прибылью-холодильником с целью выявления особенностей расположения усадочной области в осевой зоне слитка.

• Исследование макроструктуры, внутренних дефектов, распределения неметаллических включений по составу и количеству в слитке стали 38ХНЭМФА массой 1,53 т с захоложенной верхней частью с целью оценки качества и надёжности металла, полученного в условиях ускоренной кристаллизации.

Научная новизна.

В работе были получены следующие новые научные результаты: 1. по результатам математического моделирования процесса кристаллизации слитка массой 1,53 т с захоложенной прибыльной частью объёмом 10,6%, была выявлена зависимость глубины проникновения усадочной раковины в тело слитка от величины параметра H/D, с возрастанием которого от 1,4 до 2,5 относительная протяжённость усадочной раковины снижается с 41% до 21%, что позволяет разрабатывать оптимальную технологию ковки слитка.

2. теоретическим расчётом баланса тепловой работы прибыли было установлено более чем двукратное поглощение тепла расплавленного металла с захолаживаемой прибылью (77,7%) по сравнению со слитком с утепляющей прибыльной надставкой (36,67%).

3. металлографическими исследованиями установлено более благоприятное распределение неметаллических включений в слитке, отлитом с прибылью-холодильником, по сравнению со слитками с утепляющей прибыльной надставкой:

3.1. на верхнем горизонте установлено снижение количества оксисульфидов от поверхности слитка к оси и соответствующее повышение содержания сульфидов, количество которых существенно меньше по сравнению с обычными слитками;

3.2. на среднем горизонте количество сульфидных включений резко возрастает, достигая максимума у оси слитка, что обеспечивает благоприятные условия для их удаления при прошивке слитка;

4. на основании физического моделирования установлено изменение кинетики кристаллизации слитка, отлитого с захолаживанием головной части, заключающееся в том, что на начальном этапе процесс вертикальной кристаллизации описывается пропорциональной зависимостью между высотой затвердевшего слоя и временем затвердевания. В дальнейшем интенсивность кристаллизации многократно возрастает за счёт смыкания вертикального и горизонтального фронтов затвердевания, в результате чего процесс смещается к объёмному типу. Для слитка с утепляющей прибылью

равномерность и стабильность кристаллизации характерна для всего времени затвердевания.

Практическая значимость работы заключается в том, что применение слитка с захолаживаемой прибылью за счёт интенсификации кристаллизационных процессов и перераспределения тепловых потоков обеспечивает улучшение структурных характеристик металла, благоприятное распределение неметаллических включений, с преимущественной концентрацией сульфидов в осевой области, удаляемых при ковке слитка, что даёт возможность регулируемого перемещения усадочной раковины в тело слитка, с соответствующим снижением объёма головной обрези.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечена соблюдением всех методик исследования, а также использованием современного высокоточного оборудования при выполнении экспериментов, включая электронный растровый двулучевой микроскоп FEI Versa 3D LoVac, микроскоп металлографический серии ЕС МЕТАМ РВ.

Апробация результатов исследования. Основные теоретические и практические результаты исследований были представлены на международных и региональных конференциях:Инновации в материаловедении (г. Москва, 1-4 июня 2015 г.) / Ин-т металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН.; XVII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 6-9 нояб. 2012 г.; Актуальные проблемы прочности (Уфа, 4-8 июня 2012 г.) / Ин-т проблем сверхпластичности металлов РАН, Башкирский гос. ун-т.; Актуальные вопросы современной техники и (г. Липецк, 27 окт. 2012 г.) / Липецкое регион, отделение Общерос. обществ, организации «Российский союз молодых учёных»; Современная металлургия начала нового тысячелетия / ФГБОУ ВПО "Липецкий гос. техн. ун-т", ОАО "Новолипецкий металлургический комбинат". - Липецк.; Наука и производство Урала / ФГАОУ ВПО Национальный исслед. технол. ун-т "МИСиС", Новотроицкий филиал. -Новотроицк; Технические науки - от теории к практике : XLIV междунар. науч.-практ. конф. (март 2015 г.) / Сибирская ассоциация консультантов (СибАК). - Новосибирск; Инженерная мысль машиностроения будущего (ИММБ 2012) / Союз машиностр. предприятий России, ФГАОУ ВПО "Урал, федер. ун-т им. первого Президента России Б.Н. Ельцина" - Екатеринбург; Актуальные вопросы науки / V междунар. науч.-практ. конф. (16.04.2012 - Москва.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 19 работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе 7 статьи в изданиях, входящих в список ВАК и 3 статьи в изданиях, входящих в базу цитирования «Skopus».

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, библиографического списка из 102 наименований, выводов и приложения. Включает 106 страниц основного текста, содержит 37 рисунков, 7 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 тепловой работы прибыльной надставки на развитие химической, физической и структурной неоднородности стального слитка.

Тепловая работа прибыльной надставки слитка является важным фактором, определяющим закономерности кристаллизационных процессов и формирования структуры слитков. Вместе с тем, улучшение работы прибыли, связанное с поддержанием металла как можно дольше в «горячем» состоянии, способствует усилению развития химической неоднородности слитка.

Применение захолаживающей прибыльной надставки обеспечивает ускорение

процесса кристаллизации, что позволяет получить более благоприятную макроструктуру, контролируемое расположение усадочных дефектов, подавление развития ликвационных явлений и т.д.

Исследование кинетики кристаллизации металла при захолаживании прибыли, особенностей расположения и распределения неметаллических включений, параметров макроструктуры позволит расширить и дополнить современные представления о процессах затвердевания, слитков, а также контролировать образование внутренних усадочных дефектов и развитие ликвационных процессов за счёт регулирования объёма захолаживаемой прибыльной надставки.

Во второй главе описана методика проведения исследований процесса кристаллизации и структурообразования слитков различной конфигурации на холодной модели (физическое моделирование), математического моделирования с использованием программного комплекса Crystal, моделирования тепловой работы захолаживающей прибыльной надставки и методика исследования литого металла слитка стали 38ХНЭМФА массой 1,53 т.

На рисунке 2 представлена схема устройства для физического моделирования процесса кристаллизации стального слитка с захоложенной головной частью, позволяющего изменять геометрические параметры слитков и конфигурацию, а также регулировать объем захоложенной прибыльной надставки. При проведении физического моделирования в качестве моделирующего вещества использовался натрий серноватистокислый (кристаллический гипосульфит) — Na2S203x5H20. Лабораторные слитки имели следующие геометрические параметры: отношение H/D = 1,7; конусностью 7,5%, при отливке слитка с изменённой конфигурацией донной части («выпуклым» поддоном) H/D = 1,2, конусностью 2,5%.

aJ

1 — каркас с водоохлаждаемыми полостями; 2 — донная часть; 3,4 — боковые стенки; 5 — шарнир; 6 — прибыльная надставка; 7, 8 — штуцеры для подвода и отвода воды от прибыльной надставки соответственно; 9, 10, 11 —шланги; 12 — хомут; 13 — контргайка; 14 — стяжные болты; 15 — струбцины; 16 — орг. стекло; 17 — опора модели;

18 — штуцер отвода воды от модели; 19 — внутренняя полость модели с моделирующим

веществом

Рисунок 2 — Модель изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков Математическое моделирование проводилось на программном комплексе Crystal, разработанном в ВолгГТУ, позволяющем моделировать процессы кристаллизации в различных условиях работы прибыльной надставки, соотношения H/D и формы поддона.

7

Моделирование тепловой работы захолаживающей прибыльной надставки проводилось с помощью методики, разработанной на кафедре «Технология материалов» ВолгГТУ.

Исследование литого металла проводилось в три этапа:

1. Оценка загрязнённости порами и неметаллическими включениями по методу Л. ГОСТ 1778-80.

2. Исследование химического состава неметаллических включений на сканирующем микроскопе Versa 3D.

3. Изучение макроструктуры слитка стали Э8ХНЗМФА массой 1,53 т с захоложенной головной частью.

В третьей главе приведены результаты физического моделирования процесса кристаллизации слитков для полых поковок.

По результатам физического моделирования для различных горизонтов и в вертикальном направлении от донной части слитка были построены графики зависимости изменения количества нарастающего твёрдого слоя от времени охлаждения расплавленного гипосульфита в изложнице (рис. 3) с различными объёмами захолаживающей надставки (11,6%. 21,8%, 14,2% + «выпуклый» поддон).

5 145 2905 130 2605 130 2605 120 240

Время проведения эксперимента, мин -- Вертикальная кристаллизация — Низ слитка Середина слитка Верх слитка .......Прибыль

а — обычный слиток; б — слиток с захоложенной прибыльной надставкой малого объёма (I 1.6%); в — слиток с захоложенной прибыльной надставкой большего объёма (21,8%); г — слиток, полученный совместным использованием захолаживающей прибыльной надставки (14,2%) и выпуклого поддона Рисунок 3 —Динамика нарастания твёрдой фазы модельных слитков в зависимости от

времени затвердевания

Приведённые данные характеризуют особенности затвердевания, как всего слитка, так и различных его областей, в зависимости от условий теплоотвода. В случае (а) с утепляющей прибыльной надставкой рост твёрдой фазы в вертикальном направлении практически линейно связан со временем процесса, приближаясь к прямо пропорциональной зависимости. Это характеризует стабильность и равномерность процесса кристаллизации модельного слитка традиционной формы.

При использовании захолаживаемой прибыли объёмом 11,6 % (б) пропорциональный участок вертикальной кристаллизации сохраняется в течение 50 мин., (около 27% от всего времени затвердевания) после чего интенсивность затвердевания многократно возрастает (вертикальный участок кривой). Это обусловлено смыканием вертикального фронта кристаллизации с боковыми растущими кристаллами и приближению процесса затвердевания к объёмному типу.

При отливке модельного слитка с объёмом захолаживаемой прибыли 21,8% (в) пропорциональный участок равномерной кристаллизации возрастает до 110 мин. (около 45% от всего времени затвердевания), что объясняется снижением температурного градиента по высоте слитка за счёт более мощного охлаждающего воздействия прибыли-холодильника. Динамика дальнейшего процесса кристаллизации практически не отличается от предыдущего случая (б).

В случае использования захолаживаемой прибыли объёмом 14,2 % при отливке слитка с вогнутой донной частью («выпуклым» поддоном) пропорциональный участок вертикальной кристаллизации сокращается до 35 мин. (около 15% времени затвердевания) (г). Затем темп затвердевания расплава возрастает, однако, не с такой интенсивностью как в случаях (б) и (в), что обусловливается уменьшением температурного градиента по высоте слитка за счёт мощного охлаждающего воздействии со стороны донной части и прибыли-холодильника.

Общее время вертикального затвердевания для всех типов слитков было различным. Средняя скорость вертикальной кристаллизации за всё время затвердевания каждого слитка приведена на рис. 4.

Обьдоыйслнтокс Слитое с прибылью- Слиток с прибылью- Слиток С ГфИбыЛЬЮ-

утвпляюи^ холодильником холодильником холодильником

прибыльной объемом 11,8% объемом21,8% обммом14,2Чйи

надставкой выпуклым поддоном

Тип слитка

Рисунок 4 ■— Средняя скорость вертикального затвердевания стальных слитков с различной оснасткой

В процессе исследований оценивались параметры зоны усадочных дефектов в модельных слитках, и проводилось их сравнение с промышленным слитком массой 1,53 т, рисунок 5.

а б в г

Тип слитка

О *-.-1-1-1-

a S в г д _ Тип слитка _

а — модельный слиток, с утепляющей прибыльной надставкой, объём прибыли 24,) %, б — модельный слиток с объёмом прибыли-холодильника 11,6%,, объём прибыли 11,6%. в — модельный слиток с увеличенным объёмом прибыли-холодильника, объём прибыли 21.8%. г — модельный слиток с прибылью холодильником и выпуклым поддоном, объём прибыли 14,2%. д — промышленный слиток с захоложенной головной частью, 1,53 т,

объём прибыли 10,8% Рисунок 5 — Параметры усадочной раковины в модельных и промышленном слитках

Увеличение объёма надставки-холодильника приводит к возрастанию диаметра усадочной раковины и уменьшению её протяжённости.

В четвёртой главе показаны результаты математического моделирования процесса крист&плизации слитка и тепловой работы захолаживающей прибыльной надставки с помошью программного комплекса «Crystal», рис. 6. В слитке с захоложенной головной частью (рис. 6, в) наблюдается проникновение усадочной раковины на значительную глубину в сравнении со слитком с утепляющей прибыльной надставкой (рис. 6, б). Моделирование кристаллической структуры бесприбыльного слитка (рис. 4.1, а) выявило незначительное проникновение усадочной раковины вглубь тела слитка, но существенное увеличение её диаметра в устье, что приведёт к увеличению отходов и снижению выхода годного при производстве полых поковок из слитков данного типа.

Так как осевая зона при ковке полых заготовок удаляется, в основном, в отходы

10

(вместе с усадочной раковиной), головная обрезь снижается за счёт использования прибыли-холодильника малого объёма, то на основании результатов моделирования слитки с захолаживаемой головной частью обладают необходимыми условиями для повышения выхода годного.

а — бесприбыльный слиток массой 1,4 т; б — слиток массой 1,7 т с утепляющей

прибыльной надставкой; в — слиток массой 1,53 т с захолаживающей прибыльной

надставкой; г — слиток массой 1,31 тс захолаживающей прибыльной надставкой и

выпуклым поддоном

1 — усадочная раковина, 2 — зона глобулярных дендритов, 3 — зона крупных

равноосных кристаллов. 4 — зона столбчатых кристаллов, 5 — корковая зона

Рисунок 6 — Структурные зоны слитков с различным утеплением прибыли и изменённой конфигурацией донной части по данным математического моделирования

Учитывая существенное влияние захолаживающей прибыли на формирование осевой зоны, с помощью математического моделирования было проведено исследование

особенностей расположения и протяжённости усадочной раковины в зависимости от изменения отношения H/D в слитке массой 1,53 т с захоложенной верхней частью (рис. 7).

Рисунок 7 — Влияние отношения H/D слитков, отлитых в изложницы с прибылью-холодильником, на изменение относительной протяжённости и относительного диаметра усадочной раковины в теле слитков

С увеличением соотношения H/D слитка снижается относительная протяжённость усадочной раковины в теле слитка при сравнительно постоянном относительном диаметре.

Зависимость относительной протяжённости усадочной раковины в теле слитка описывается выражением:

£ = -66.358(Я/£))3+337.56(Я/£))2-574.697(Я/0) + 365.96, R = 0.9988 (1)

Где L — относительная протяжённость усадочной раковины, %;

Зависимость относительного диаметра усадочной раковины в теле слитка сводится к формуле:

Dy, = -1,923(Я/D) + 28.59, Я = 0.5803 (2)

Где Др — относительный диаметр усадочной раковины, %;

Использование этих результатов позволяет разрабатывать оптимальную технологию ковки слитков данного типа с повышенным выходом годного в поковку.

Для количественной оценки эффективности воздействия прибыли холодильника на вертикальную кристаллизацию был проведён расчёт тепловой работы захолаживающей и

утепляющей прибыльной надставки. При моделировании тепловой работы прибыльная надставка с расплавленным металлом была представлена в виде неравномерно прогретого цилиндра с температурой 1640 °С (жидкий металл) в центре и 20 °С (прибыльная надставка) на наружной поверхности. Температура окружающей среды принималась равной 20 °С. Длительность процесса кристаллизации металла в прибыли составляла 0,125 ч после разливки металла. Температура конца кристаллизации - 1431°С.

По результатам расчёта баланса тепловой работы прибыли было установлено более чем двукратное поглощение тепла расплавленного металла прибылью-холодильником (77,7%) по сравнению со слитком с утепляющей прибыльной надставкой (36,67%), что повышает интенсивность теплоотвода в головной части слитка и обеспечивает ускорение процесса затвердевания металла.

В пятой главе представлены результаты изучения литого металла слитка стали 38ХНЭМФА массой 1,53 т с захоложенной головной частью.

Проводилось исследование распределения микропор по размеру и неметаллических включений на грех горизонтах - нижнем, среднем и верхнем.

Показано, что в слитке, в основном, находятся мелкие поры размером до 4,28 мкм. Их количество уменьшается от периферии к половине радиуса слитка, а затем, к осевой зоне снова возрастает. Наибольшее их количество сконцентрировано на среднем горизонте на границе с осевой зоной.

Распределение неметаллических включений в слитке с захоложенной прибылью характеризуется пониженным содержанием сульфидов в головной части, и их существенным возрастанием в средних горизонтах, особенно в области осевой зоны. Это обусловлено расположением теплового центра в средней части слитка, и соответственно, лучшими условиями для формирования «чистых» сульфидов, удаляемых при ковке в отходы вместе с осевой зоной.

Исследование химического состава неметаллических включений на сканирующем микроскопе Versa 3D (рис. 8) показато, что оксиды представлены исключительно окислами кремния, сульфиды — сульфидами марганца, а оксисульфиды представляют собой оксиды кремния (в качестве подложки) и сульфиды марганца (окружение).

сульфид при увеличении XI2000

оксисульфид при увеличении Х35000

оксид при увеличении Х50000

Рисунок 8 — Внешний вид включений

Исследование макроструктуры литого металла выявило проникновение столбчатых кристаллов вглубь слитка на нижнем и верхнем горизонтах, что обусловлено значительным теплоотводом в этих зонах. В свою очередь, на среднем горизонте — в осевой зоне — преобладают глобулярные дендриты. Отношение площади дендритов к исследуемой площади шлифов на каждом горизонте носит одинаковый характер, выраженный снижением этого показателя от периферии к центру, что связано с

уменьшением температурного градиента по мере нарастания затвердевающего слоя металла.

Анализ уровня механических свойств по концам поковок, полученных из стали 38ХНЭМФА в слитках с утепляющей и захолаживающей прибыльной надставкой показывает снижение разницы между максимальными и минимальными значениями в слитке с захоложенной головной частью (рис. 9). Такая равномерность позволяет значительно сократить последующую обработку, нацеленную на выравнивание механических свойств по высоте слитка, что значительно снижает затраты на производство слитков для полых поковок.

□ Поковки из слитков с эахолаживанием головной части

■ Поковки из слитков с утеплением головной части

Предел Временное Относительное Относительное КСи, кДж/мл2 Твёрдость, НВ

текучести, МПа сопротивление удлинение, % сужение, % разрыву, Мпэ

Рисунок 8 — Сравнение разброса механических свойств по концам поковок, полученных из слитков с захолаживанием и утеплением головной части

Применение технологии производства слитков с захоложенной прибылью обусловило повышение выхода годного металла при ковке заготовок до 6%.

Выводы:

1. Проведён анализ литературных данных по влиянию различных типов прибыли на формирование физической однородности, структурных и ликвационных характеристик слитков, показавший необходимость проведения дальнейших исследований в области изучения особенностей кристаллизации, формирования и расположения неметаллических включений в слитках для полых заготовок в условиях ускоренного охлаждения.

2. По результатам физического моделирования установлено, что вертикальная кристаллизация в слитке с утепляющей прибылью описывается пропорциональной зависимостью между высотой затвердевшего слоя и временем процесса.

3. При отливке модельных слитков с захолаживаемой прибылью в зависимости от её объёма и конфигурации слитка начальный, пропорциональный участок вертикального затвердевания изменяется от 20 до 45 % времени процесса, после чего интенсивность затвердевания многократно возрастает. Это обусловлено смыканием вертикального фронта кристаллизации с боковыми растущими кристаллами и приближению процесса затвердевания к объёмному типу.

4. Интенсивность охлаждающего воздействия прибыли-холодильника в модельных слитках однозначно влияет на расположение и параметры усадочной раковины: при увеличении объёма захолаживаемой прибыли и использовании «выпуклого» поддона диаметр усадочной раковины возрастает в 1,3 раза, а её относительная протяжённость уменьшается в 1,6 раза.

5. По результатам математического моделирования влияния геометрических параметров слитка на формирование усадочной раковины и осевой зоны слитка с захоложенной прибылью получены зависимости, показывающие, что для нормальных слитков при изменении параметра H/D от 1,3 до 2,5 относительная глубина проникновения усадочной раковины снижается с 41 до 21 %, при практически неизменном относительном диаметре.

6. Сравнение тепловой работы утепляющей и захолаживающей прибыльных надставок позволило установить, что теплоаккумулирующая способность прибыли-холодильника является в 2 раза большей по сравнению с обычной утепляющей прибылью, что обеспечивает создание благоприятных условий для ускоренной кристаллизации верхней части слитка

7. Металлографическими исследованиями установлено изменение распределения неметаллических включений в слйтке массой 1,53 т стали 38ХНЗМФА, отлитом С прибылью-холодильником:

7.1 на верхнем горизонте установлено снижение количества оксисульфидов от поверхности слитка к оси и соответствующее повышение содержания сульфидов, количество которых существенно меньше по сравнению с обычными слитками;

7.2 на среднем горизонте количество сульфидных включений резко возрастает, достигая максимума у оси слитка, что создаёт благоприятные условия для их эффективного удаления вместе с осевой зоной при прошивке слитка;

8. Исследованиями физической неоднородности слитка массой 1,53 т с захолаживаемой прибылью выявлено наибольшее сосредоточение мелких микропор (до 4,28 мкм) на среднем горизонте слитка, возрастающих от поверхности к осевой зоне и удаляемых в процессе дальнейшей обработки слитка.

9. Распределение механических свойств по длине поковок из слитков с различной технологией утепления головной части выявило меньший разброс свойств у поковок, полученных из слитков с захоложенной верхней частью (от 1,5 до 4 раз), что уменьшает необходимость проведения повторных термообработок и снижает затраты на производство полых поковок.

10. Применение захолаживаемой прибыли с уменьшенными размерами обеспечивает увеличение выхода годного при производстве полых поковок в среднем до 6%.

11. Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии отливки слитков с захолаживаемой прибылью массой 1,53 тонны стали 38ХШМФА составляет 632650 руб. в год.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Анализ качества трубных заготовок из кузнечных слитков с различным утеплением прибыли / Руцкий Д.В., Зюбан H.A., Галкин А.Н., Коновалов С.С., Посламовская Ю.А., Пузиков АЛ. // Технология машиностроения. - 2012. - № 7. -С. 10-13.

2. Влияние захолаживания головной часта на условия кристаллизации стального слитка и качество полученных из него поковок / Галкин А.Н., Зюбан H.A., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., Пузиков А.Я., Фирсенко В.В. // Металлург. - 2013. -№ 3. - С. 54-59.

3. Влияние условий кристаллизации головной части кузнечных слитков на их строение и качество поковок / Руцкий Д.В., Зюбан H.A., Галкин А.Н., Гаманюк С.Б. // Изв. вузов. Чёрная металлургия. - 2012. - № 7. - С. 32-37.

4. Исследование слитков с охлаждающей прибыльной надставкой и полученных из них полых поковок / Руцкий Д.В., Зюбан H.A., Галкин А.Н., Гаманюк С.Б. // Заготовительные производства в машиностроении. - 2012. - № 8. - С. 3-8.

5. Галкин, А.Н. Исследование физической неоднородности и распределения неметаллических включений в слитке стали 38ХНЭМФА, отлитом с прибылью-холодильником / Галкин А.Н., Зюбан H.A., Руцкий Д.В. // Металлург. - 2014. - № 10.-С. 28-31.

6. Влияние охлаждения прибыльной части слитка стали 38ХНЗМФА на образование и расположение дефектов усадочного происхождения / Зюбан H.A., Галкин А.Н., Скрипкин И.Н., Руцкий Д.В. // Изв. ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 6 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012.9 (96). - С. 150-153.

7. Влияние охлаждения прибыльной части слитка стали 38ХНЗМФА на распределение углерода и ликвационные процессы / Зюбан H.A., Галкин А.Н., Ильин И.Н., Руцкий Д.В. // Изв. ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. б : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 9 (96). - С. 172-175.

8. Effect of chilling of the top part of a steel ingot on the conditions of its crystallization and the quality of forgings obtained from it / Галкин A.H., Зюбан H.A., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., Пузиков А.Я., Фирсенко В.В. // Metallurgist. - 2013. - Vol. 57, No. 34. - С. 199-206.

9. Influence of ingot-solidification conditions on forging structure and quality / Руцкий Д.В., Зюбан H.A., Галкин A.H., Гаманюк С.Б. // Steel in Translation. - 2012. - Vol. 42,No. 7.-С. 572-576.- Англ. . . .

10. Study of Nonmetallic inclusion Inhomogeneity and Distribution in a Steel 38KhN3MFA Ingot Cast with a Head Section Cooler / Галкин А.Н,. Зюбан H.A., Руцкий Д.В. // Metallurgist. — 2015. — Vol. 58, No. 9-10. — С. 853-858. — Англ. '

11. Влияние интенсивности теплоотвода на процесс кристаллизации слитка и выход годного / Галкин А.Н., Руцкий Д.В., Зюбан H.A., Пузиков АЛ., Фирсенко B.B. II Актуальные вопросы современной техники и технологии : сб. докл. IX-й междунар. науч. конф. (г. Липецк, 27 окт. 2012 г.) / Липецкое регион, отделение

Общсрос. обществ, организации «Российский союз молодых учёных», Изд. центр «Гравис» [и др.]. - Липецк, 2012. - С. 115-118.

12. Влияние технологии утепления и геометрии прибыли на процесс кристаллизации и химическую неоднородность кузнечных слитков / Галкин А.Н., Руцкий Д.В., Зюбан Н.А., Пузиков А.Я., Шулешко Д.Г. // Современная металлургия начала нового тысячелетия : сб. науч. тр. Ч. II / ФГБОУ ВПО "Липецкий гос. техн. ун-т", ОАО "Новолипецкий металлургический комбинат". -Липецк, 2012. - С. 151-155.

13. Влияние технологии утепления прибыли на процесс кристаллизации кузнечных слитков и выход годного / Галкин А.Н., Гаманюк С.Б., Зюбан Н.А., Руцкий Д.В. // Наука и производство Урала: межрегион, сб. науч. тр. (посвящ. 20-летию филиала) / ФГАОУ ВПО Национальный исслед. технол. ун-т "МИСиС", Новотроицкий филиал. - Новотроицк, 2012. - С. 51-53.

14. Галкин, А.Н. Исследование влияния интенсивности охлаждения головной части слитков на условия и интенсивность кристаллизации / Галкин А.Н., Фирсенко В.В., Зюбан Н.А. // XVII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 6-9 нояб. 2012 г. : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2013. - С. 94-95.

15. Исследование распределения и химического состава неметаллических включений в слитке стали 38ХНЗМФА массой 1,53 т, полученном с использованием прибыли-холодильника / Галкин А.Н., Руцкий Д.В., Зюбан Н.А., Коновалов С.С. // Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки = Fundamental science and technology - promising developments П. : матер. П междунар. науч.-практ. конф., Москва, 28-29 нояб. 2013 г. / spc Academic. - North Charleston (SC, USA), 2013. - С. 106-108.

16. Математическое моделирование физической и структурной неоднородностей литого металла слитков с изменёнными теплофизическими условиями затвердевания головной части / Руцкий Д.В., Галкин А.Н., Гаманюк С.Б., Зюбан Н.А., Сибгатуллин И.Р. // Актуальные проблемы прочности : сб. тез. докл. 52-й междунар. науч. конф., (Уфа, 4-8 июня 2012 г.) / Ин-т проблем сверхпластичности металлов РАН, Башкирский гос. ун-т [и др.]. - Уфа, 2012. - С. 187.

17. Моделирование процесса кристаллизации слитков с различным утеплением головной части / Руцкий Д.В., Галкия А.Н., Зюбан Н.А., Посламовская Ю.А. // Инженерная мысль машиностроения будущего (ИММБ 2012) : сб. Матер, всёрос. молодёжной науч.-практ. конф. с междунар. участием / Союз машиностр. предприятий России, ФГАОУ ВПО 'Урал, фёдер. ун-т им. первого Президента России Б.Н. Ельцина" [и др.]. - Екатеринбург, 2012. - С. 105-108.

18. Физическое моделирование процесса кристаллизации слитков с охлаждением прибыльной надставки / Галкин А.Н., Руцкий Д.В., Зюбан Н.А., Скрипкин И.Н., Ильин И.Н. // Актуальные вопросы науки : матер. V межДунар. науч.-практ. конф. (16.04.2012) / Науч. журнал "Актуальные проблемы современной науки", Изд-во "Спутник+". - М., 2012. - С. 103-107.

19. Исследование влияния объёма «захолаживающей» головной части кузнечного слитка на особенности его затвердевания и развития дефектных зон / Зюбан Н.А., Руцкий Д.В., Галкин А.Н., Гаманюк С.Б., Пузиков А.Я. // Технические науки - от теории к практике : сб. ст. по матер. XLIV междунар; науч.-практ. конф. (март 2015 г.). № 3 / Сибирская ассоциация консультантов (СибАК). - Новосибирск, 2015. - С. 77-83

Полученные патенты

1. П. м. 110667 РФ, МПК B22D 7/08. Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в модели изложницы / НА. Зюбан, Д.В. Руцкий, С.Б. Гаманюк, С.Н. Никуйко, А.Н. Галкин; ВолгГТУ. - 2011

2. П. м. 135551 РФ, МПК B22D7/08. Модель изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков / H.A. Зюбан, Д.В. Руцкий, А.Н. Галкин, С.Б. Гаманюк, Е.А. Косова, АЛ. Пузиков; ВолгГТУ. - 2013.

3. П. м. 141550 РФ, МПК B22D7/08. Модель изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков / Зюбан H.A., Руцкий Д.В., Галкин А.Н., Гаманюк С.Б., Косова Е.А., Пузиков АЛ.; ВолгГТУ. - 2014.

Подписано в печать 06.10.2015 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Печ. л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 633.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.