автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование кристаллизации, макроструктуры, дефектов и напряженного состояния кузнечных слитков для изделий тяжелого машиностроения с использованием систем компьютерного моделирования и автоматизированного проектирования

На правах рукописи

БУЗИНОВ Евгений Игоревич

ИССЛЕДОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ, МАКРОСТРУКТУРЫ, ДЕФЕКТОВ И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КУЗНЕЧНЫХ СЛИТКОВ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ

ТЯЖЕЛОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальности: 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов 05 02.01 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2005

Работа выполнена на кафедрах «Технология материалов» и «Сопротивление материалов» Волгоградского государственного технического университета

Научный руководитель д-р техн наук, Научный консультант д-р техн наук,

проф ЖУЛЬЕВ Сергей Иванович. проф БАГМУТОВ Вячеслав Петрович.

Официальные оппоненты

д-р техн наук, проф ТЕСКЕР Ефим Иосифович. канд техн наук СЕРГЕЕВ Валерий Илларионович.

Ведущее предприятие

ЗАО «Волгоградский Металлургический Завод «Красный октябрь»

Защита состоится " " -МЧ-к_2005 г в А^ .00 часов на заседании диссертационного совета Д 212 028 02 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу 400131, г Волгоград-131, пр Ленина, д 28 ауд 209 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета

Автореферат разослан 2005 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Кузьмин С В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие техники предъявляет все более высокие требования к качеству и свойствам стальных изделий Кристаллизация является одним из основных и ответственных этапов в технологической цепи получения качественного изделия из стального слитка

Качество поковки напрямую зависит от исходного слитка Расположение дефектных зон слитка возможно определить либо разрезав слиток, либо расчетным путем Разрушающий метод - дорогостоящий и поэтому непригоден для штучной и мелкосерийной продукции

К настоящему моменту проведено множество исследований процессов, протекающих в стальном слитке при его кристаллизации Российскими и зарубежными исследователями получены зависимости, описывающие структуру слитка, его дефекты, динамику затвердевания При этом, несмотря на публикации по отдельным вопросам формирования слитка (в основном экспериментального характера), в настоящее время нет единого математического описания всего процесса кристаллизации, с учетом формирования структурных зон, напряженного состояния и дефектов

Отсутствие в литературе таких моделей обусловлено как сложностью математического описания процессов кристаллизации стали в изложнице, так и трудоемкостью экспериментального выявления характерных зон в структуре крупного слитка

Кристаллизация крупных кузнечных слитков часто сопровождается появлением внутренних трещин в осевой зоне, которые негативным образом сказываются на качестве металла готового изделия Важными показателями качества являются достаточная плотность металла по сечению слитка и отсутствие внутренних дефектов.

Появление внутренних трещин во многом зависит от температурных и усадочных напряжений, возникающих при кристаллизации Оценка жесткости напряженного состояния (НС) в сочетании с анализом характерных зон слитка с использованием методов математического моделирования может служить основой для прогнозирования расположения и размеров дефектных зон Такой подход дает возможность проектировать слитки таким образом, чтобы дефекты осевой зоны, имеющиеся в них, были минимальны и не сказывались на качестве готового изделия

В связи с этим, применение математического моделирования для прогноза дефектных зон в крупном слитке, особенно ответственного назначения массой 20 -145 тонн и более, является актуальной задачей в тяжелом машиностроении

Диссертационная работа выполнена в рамках 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 Цель работы:

Повышение физической однородности металла кузнечных слитков на основе экспериментального выявления и компьютерного моделирования их характерных зон, напряженного состояния и дефектообразования в процессе кристаллизации

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1) Автоматизировать исследование макроструктуры, выявить характерные зоны опытных слитков и сопоставить их с расчетными данными

2) Разработать интегральный критерий дефектообразования, позволяющий определить размеры дефектных зон слитка

3) Оценить влияние различных факторов на структурные зоны, напряженное состояние, и дефектность кузнечных слитков путем компьютерного моделирования

4) Разработать методику управления геометрическими параметрами слитка, позволяющую добиться ликвидации или благоприятного расположения дефектных зон в его теле

Методы исследования:

Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов оптической и растровой микроскопии OLYMPUS BX21, NEOPHOT NU2/E, MSM-2 и использовании новых оригинальных методик с использованием компьютерных систем - определения параметров дендритной структуры (программа МГП), моделирования процесса кристаллизации слитка с учетом его напряженного состояния и дефекто-образования (Crystal), выбора оптимального слитка для заданной поковки (САПР «Выбор слитка»)

Научная новизна работы состоит в разработке методики расчета и оптимизации величины внутренних дефектов слитка, а также в установлении количественного влияния параметров оснастки и технологических факторов разливки на структурные и дефектные зоны

Показано, что дефектность осевой зоны слитка зависит от пяти основных параметров интенсивности напряжений ст„ градиента температур G, жесткости напряженного состояния (i„, *|/, давления р, возникающего в ходе протекания жидкого металла сквозь пористую среду в двухфазной зоне Обосновано, что этих пяти параметров достаточно для расчета зон залегания внутренних дефектов при кристаллизации слитка В качестве интегрального критерия дефектообразования предложена формула увязывающая воедино влияние этих параметров на распределение физической неоднородности Эта формула использована в комплексе математических моделей кристаллизации позволяющем осуществлять прогноз расположения дефектных зон слитка

С использованием данного комплекса моделей базирующихся на методе конечных разностей впервые рассчитано расположение внутренних дефектов в кузнечных слитках различной геометрии и отлитых при разных условиях разливки

Впервые проведен сопоставительный анализ структурных зон 30-ти реальных, разрушенных вдоль оси слитков массой 1 7 - 125 т с расчетными данными полученными моделированием, и достигнута их сходимость что подтвердило достоверность разработанного интегрального критерия

Разработанный комплекс позволил получить зависимости распределения структурных и дефектных зон слитка от таких параметров, как температура разливки, отношение высоты к диаметру и конусность изложницы, химический состав стали, объем прибыли, масса слитка, теплопроводность литейной оснастки, время после заливки Данные зависимости используются в разработанной автором системе автоматизированного проектирования «Выбор слитка», с помощью которой решена задача выбора оптимального слитка для заданного пользователем изделия Критериями оптимизации являются максимальный выход годного металла в поковку и минимальная трудоемкость ковки «Выбор слитка» оптимизирует геометрию слитка для минимизации дефектных зон и исключения слитков, не обеспечивающих заковывание или удаление из поковок осевых дефектов

Впервые показано, что качество поковки типа ступенчатого вала с разноразмерными цапфами зависит от ее ориентации в слитке из-за зоны дугообразных трещин находящихся в нижней трети слитка Обосновано, что большая цапфа поковки должна коваться из нижней части слитка, т к в таком случае зона дугообразных трещин слитка переходит на эту цапфу и заковывается

Практическая ценность.

Проведенные исследования позволили сформулировать практические рекб-мендации, позволяющие обосновано выбирать оптимальный слиток для заданного пользователем чертежа поковки.

Для отдела главного металлурга ФГУП ПО «Баррикады» разработана и внедрена система автоматизированного проектирования «Выбор слитка», позволяющая экономить 3 нормо-часа работы технолога по проектированию технологического процесса ковки одной заготовки. При этом обеспечивается требуемое качество изделия за счет использования полученного расчетом прогноза его структурной однородности по интегральному критерию дефектообразования. Устранена отбраковка ступенчатых валов по осевой рыхлости. Экономический эффект разработок составил 1 188 320 рублей. Доля автора 25%.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3-х международных конференциях (Донецк, 2001 г., Волгоград, 2002 г., Темиртау, 2003 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2001*2004 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 3 статьи в центральных рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и двух приложений. Основные результаты сформулированы в виде выводов. Работа содержит 134 страницы текста, 51 рисунок, 6 таблиц и 2 приложения. Список использованной литературы содержит 106 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко раскрыты сущность и актуальность рассматриваемой проблемы - оценка напряженного состояния и структурных зон слитка с целью получения более качественного изделия. Изложены цель работы и научная новизна.

В первой главе описан механизм кристаллизации слитка и образования дефектов с позиции его НС. Рассмотрено состояние этого вопроса, обоснована его актуальность и поставлены задачи исследования.

Все экспериментальные методы исследования крупных кузнечных слитков трудоемки, дорогостоящи или даже опасны для жизни. Расчетный метод не имеет этих недостатков, но требует создания достоверной математической модели, учитывающей как можно больше факторов, влияющих на образование структурных и дефектных зон слитка.

Российскими и зарубежными исследователями (Ефимов В.А., Скобло С.Я., Казачков Е.А., Жульев С.И., Дуб B.C., Китаев ЕМ., Багмутов В.П., Колосов М.И., Ней-марк BE., Гуляев Б.Б., Иванцов Г.П ) было изучено большое количество различных слитков и определено влияние ряда факторов на их качество: температура разливки, марка стали, геометрические параметры литейной оснастки, объем и утепление прибыли и др.

Кристаллизация слитков может сопровождаться появлением разного рода трещин, возникающих под воздействием множества факторов. Общепринято все трещины, возникающие в слитках, классифицировать как горячие или холодные. Горячие трещины образуются при температурах, близких к солидусу и могут быть залечены полностью или частично жидким металлом. Холодные трещины появляются при дальнейшем остывании металла, под действием усадочных напряжений. Величина растягивающих термических напряжений в большом объеме слитка меняется незначительно, она возрастает к его поверхностным объемам и к местам резкого

изменения формы (например, стыкам между изложницей и поддоном или прибыльной надставкой).

В местах концентрации напряжений (поры, неметаллические включения, либо появившиеся ранее горячие трещины) средняя величина напряжений многократно возрастает.

Большую опасность представляют узкие длинные дефекты, такие как внутренние трещины. При воздействии чрезмерных нагрузок, трещина начинает увеличиваться в длину, т.к. самые большие напряжения находятся на острых концах трещины По мере увеличения трещины, энергия нагрузки затрачивается на разрушение и рост трещины останавливается. Однако, если нагрузка будет приложена опять, то трещина может продолжить рост. Поэтому в готовом изделии ответственного назначения присутствие трещин недопустимо.

Рассмотрены известные подходы к оценке жесткости напряженного состояния и степени влияния этого фактора на процесс образования и развития трещинопо-добных дефектов.

Указано, что актуальной задачей является разработка математической модели, которая бы могла по рассчитанным значениям напряжений в объеме слитка определить возможность появления трещин и степень их развития.

Во второй главе описан комплекс математических моделей Crystal и методика работы с ним. Комплекс состоит из шести взаимосвязанных моделей, разработанных сотрудниками кафедры «Сопротивление материалов» профессором Багму-товым В.П. и доцентом Захаровым И.Н.

Для работы с комплексом Crystal автором созданы интерфейс пользователя, база данных геометрических параметров оснастки, система визуализации результатов, проведена настройка комплекса, а также разработан интегральный критерий, позволяющий расчетным путем оценить размеры дефектных зон.

Модель тепловых процессов. Описание температурных полей (рисунок 1, б) в ходе затвердевания слитка проводится на основе решения дифференциального уравнения теплопроводности при заданных условиях теплоотвода от слитка в изложницу, поддон, прибыльную надставку, окружающую среду, а также известных значениях теплоемкости и теплопроводности данной марки стали при текущей температуре. Решение ищется методом конечных разностей на сетке, размерами примерно 100x500 клеток (размеры сетки зависят от геометрии слитка, в частности от его массы и H/D, т.к. ячейка сетки должна быть близка к квадратной). На основании температурного поля строится поле градиентов температуры (рисунок 1, в).

Модель формирования структурных зон. Процессы образования кристаллических зон (рисунок 1, а) в объеме застывающего слитка моделируются на основе анализа температурных полей и полей градиентов температуры G=G(r,z,t) по известным зависимостям (Ефимов В.А.).

Модель давлений и плотности металла. Здесь впервые производится расчет перераспределения давлений расплава по объему слитка в ходе «протекания» жидкого металла сквозь пористую кристаллическую среду в двухфазной зоне и конусе осаждения. Для описания процесса уплотнения металла в ходе затвердевания использовались уравнения непрерывности, движения и состояния расплава. Результат - картины распределения давлений и плотностей по объему слитка - рисунок 1, ж, з. В результате в нижней части конуса осаждения образуется «плотное ядро» - зона плотного металла с минимальным количеством пор, рисунок 2, стрелками показана тенденция к уменьшению плотности от центра к краям.

Модель напряженного состояния материала. Расчет температурных и усадочных напряжений производится по данным о динамике изменения температурных полей и вновь застывающих слоев металла. Методом конечных разностей, с исполь-

зованием метода Якоби, решается уравнение Пуассона которое дополняется слагаемым, учитывающим изменение размеров материала при изменении структурного состояния В каждой расчетной точке слитка определяются осевые а2, окружные а0, радиальные аг и касательные х1Г напряжения, а также интенсивность напряжений а, (рисунок 1, г)

a - кристаллические зоны, б - температурное поле (°С) в - поле градиентов температур (°С/м), г - поле интенсивности напряжений (МПа), д - распределение параметра Лоде-Надаи, е - поле распределения параметра у ж - распределение давлений (МПа), з - распределение плотностей (кг/м3) Рисунок 1 - Поля распределения величин, характеризующих состояние слитка после кристаллизации, построенные в программе Crystal (на примере 24,2т слитка стали

38ХНЗМФА)

Оценка жесткости НС Жесткость НС с точки зрения формирования и развития трещиноподобных дефектов производится при помощи параметров Лоде-Надаи

/'о (1) и углового параметра ф (2) предложенного профессором Багмутовым В П для удобства описания вида напряженного состояния характеризующих жесткость напряженного состояния в данной точке материала

(1)

(2) л/2ст,

где си, Ст2 стз - главные напряжения в данной т о iftF к^ е - октаэдриче-

Гв, +ст2 +аэ

ское касательное н а п р Oq --среднее нормальное напряже-

ние в точке

7,69 7,77 7,85 0 0,15 0,30

а б В

а - расчетное распределение плотностей металла б в - соответственно плотность (г/см3) и объемный процент пор вдоль оси слитка определенные экспериментально Рисунок 2 - Плотное ядро конуса осаждения Слиток 24 2т стали 38ХНЗМФА

/з

В соответствии с работами Смирнова-Аляева Г А , при - 1<ц„2---¡= напря

2 + л/З

женное состояние относится к виду «растяжение», при---—- к виду

«сдвиг», и наконец при 5jUc<1 - к виду «сжатие». Очевидно, что напряженное

состояние вида «растяжение» является самым неблагоприятным, при прочих равных условиях.

Чем ближе положительные значения параметра ф к нулю, тем опаснее напря-

vouuno пплтпаимо nmui'M опаима Dnonnvunrn паопишоима птг\|_тплл

Для случая одноосного напряженного состояния растяжения (cti>0, <т2=сгз=0)

H(j= -1. arctg л/2«54°44'. Для состояния чистого сдвига (ст1=-аз*0, Ст2=0) получаем

цо=0, ц/=+90°. При одноосном сжатии (аэ<0, гг1=ст2=0) ц<,=1, y=-arctg^«-54°44\ «port:

ме того, для iy<arctg—»35°16' все три главных напряжения - неотрицательны; .для

■ -Л

V>arctg —»-35°16' - они неположительны.

Таким образом, Crystal строит поля распределения пяти величин, которые влияют на появление трещин в затвердевающем слитке Это градиент температур, давление, интенсивность напряжений, параметр Лоде-Надаи и параметр у. Самыми опасными зонами в слитке, с позиции жесткости напряженного состояния, будут те зоны, где все эти величины принимают неблагоприятные значения. Оценивая все эти величины в совокупности, можно объяснить возникновение опасного состояния в определенном месте слитка, инициирующее или способствующее появлению трещин.

Оценка дефектообразования по интегральному критерию. На основе анализа напряженного состояния слитка разработан критерий, названный интегральный критерий дефектообразования, выражающийся формулой:

(3)

где ki - k5 - весовые коэффициенты, ст, - интенсивность напряжений, ф и параметры, характеризующие жесткость НС, р - давление, G - градиент температур, ^б - коэффициент объемного расширения в твердом состоянии, зависящий от химического состава стали в данной точке, главным образом от содержания углерода (подбирался на основании данных по распределению углерода в 3-х слитках), ko6mirv=1-10"5 1/С - минимально возможный коэффициент объемного расширения. Значения в знаменателе с индексом max - максимально возможное значение параметра в данном слитке.

Роль весовых коэффициентов к1 - к5 заключается в том, что они учитывают долю каждой величины в отдельности и делают формулу безразмерной.

Из формулы (3) видно, что значение величины критерия К лежит в пределах от 0 до 1 Чем больше это значение, тем выше вероятность возникновения дефектов в данной расчетной точке слитка.

В результате многократных экспериментов более, чем на 30 слитках были подобраны следующие значения весовых коэффициентов: л=20,6, к2=512,3, к3=480,2, к4=8,9, к5=Ю,5.

Методика работы основывалась на измерении характерных размеров структурных и дефектных зон, рисунок 3, из которого видно, что при расчете характерных

зон слитка стало возможным оценить размеры осевой рыхлости по интегральному критерию дефектообразования

В третьей главе произведено сравнение экспериментальных исследований кристаллических зон и дефектов трех крупных кузнечных слитков с расчетными данными, полученными моделированием Показано, что достигнуто близкое соответствие экспериментальных и расчетных данных

А - глубина усадочной раковины (если есть вторичная раковина, то аналогичным образом замеряется ее глубина и ширина) В - ширина зоны столбчатых кристаллов, С - ширина зоны столбчатых кристаллов от поддона D - высота конуса осаждения, Е - расстояние от дна до низа конуса F - максимальный радиус конуса осаждения, G - максимальный радиус зоны с относительно малым давлением (р<25000Па), Н -глубина зоны с относительно малым давлением (р<25000Па), (А) - радиус зоны пониженных напряжений в верхней части слитка, (В) - радиус зоны повышенных напряжений, (С) - радиус зоны пониженных напряжений в нижней части слитка, (D) (Е) - расстояние от оси слитка до линии с соответственно максимальным (цо=-1) и минимальным (цо<-0,46) параметром Лоде-Надаи), (F) - высота зоны благоприятной по параметру Лоде-Надаи (|яа>+0,5), (G) - радиус зоны, где ц/ близко к 54°, (Н), (I) -размеры зоны, неблагоприятной по угловому параметру \у, (J), (К) - размеры зоны, условно названной «плотное ядро конуса осаждения», находящейся в том же месте где расположен конус осаждения, и имеющей повышенную плотность по сравнению с остальным слитком Кроме того, подсчитывалась площадь этой зоны средствами программы Adobe Photoshop, (L), (M), (N) - размеры зоны, опасной по интегральному

критерию К (К>0,6) Рисунок 3 - Схема измерения значений параметров

Для упрощения экспериментального выявления характерных зон в слитках автором разработана компьютерная программа МГП, позволяющая измерять плотность дендритной структуры и объемную долю дендритной составляющей, методами Глаголева (секущих) и Розиваля (сеток), см рисунок 4

Таким образом программа МГП позволяет автоматизировать, а следовательно и ускорить рутинный подсчет и измерения множества точек и отрезков, а также мо-

жет частично заменить дорогостоящие программно-аппаратные комплексы, выполняющие подобные задачи

Сопоставительный анализ экспериментальных и расчетных данных для слитка 24,2т стали 38ХНЗМФА представлен на рисунке 5 Достоверность компьютерного моделирования проверена на 3-х слитках для определения структурных зон и на 30 разрушенных вдоль оси слитках для выявления зоны физической неоднородности по интегральному критерию.

На рисунке 6 приводится сопоставление структурных зон 24,2т слитка стали 38ХНЗМФА, определенных расчетным путем, с размерами кристаллов, определенных экспериментальным путем, с помощью МГП по всему объему этого слитка. Каждая кривая показывает величину кристалла по диамефу слитка. Видно, что в зоне столбчатых кристаллов преобладают крупные кристаллы, в зоне различно ориентированных - средние, в зоне конуса осаждения - мелкие, что подтверждает совпадение расчетных и экспериментальных данных.

Таким образом, получено близкое" соответствие экспериментальных и расчетных данных, что дает возможность использовать разработанную модель для проектирования новых слитков и оценки опасности формирования дефектов в них, не производя натурного эксперимента.

В четвертой главе приведены результаты исследования количественного влияния различных факторов на образование структурных и дефектных зон слитков, а также на его НС: температура разливки, отношение высоты к диаметру, конусность, химический состав стали, относительный объем прибыли, масса слитка, теплопроводность литейной оснастки.

а б

Рисунок 4 - Нанесение секущих (а) или сетки (б) для подсчета объемной доли дендритных осей, х5.

Были промоделированы следующие группы слитков.

1 С температурой заливки металла от 1540 до 1700°С;

2 С отношением H/D от 1 до 3 (бесприбыльные и прибыльные);

3 С различной конусностью от -0,331 до 0,331 (бесприбыльные и прибыльные);

4 Слитки из различных сталей (углеродистых марок 08, 20, 35, 40, 45, У8, У12, и легированных марок ЗОХ, 18ХГ, 30Г2, ЗОНЗ, ЗОХНЗ, 38Х2Н2МА, 38ХНЗМФА, 4X13);

5 Слитки с различным относительным объемом прибыли от 23,9% до 0 и слитки с недоливом изложницы;

6 Разного развеса (0,378, 3,025, 24,2; 193,6 и 1548т) при одинаковых пропорциях;

7 Слитки с различной величиной теплоемкости и теплопроводности литейной оснастки Динамика изменения коэффициента теплоотдачи в ходе застывания бра-

лась по данным Ефимова В А Начальные коэффициенты теплоотдачи принимались

Дж Дж равными от зеркала металла 150 2 \с • от стенок прибыли 310—-—- от стенок

Дж Дж

изложницы 3150—г^1-, от поддона 5300 --,

м! с °С м с °С

8 Слиток в различные моменты затвердевания (просчитан весь б часовой период его кристаллизации через каждые 36 минут) и последующего охлаждения (вплоть до 9 суток после застывания)

Расстояние от края слитка им

а б в

а - зоны, опасные с позиции напряженного состояния (1 - параметр ф (ф—>36°), 2 -параметр (^а—>-1), 3 - ферростатическое давление, 4 - интенсивность напряжений) б - интегральный критерий К, в - зоны реального слитка (1 - корковая зона, 2 -зона столбчатых дендритов, 3 - зона мелких различно ориентированных дендритов, 4 - зона крупных различно ориентированных дендритов 5 - зона осевой рыхлости 6 - зона конуса осаждения, 7 - область дугообразных трещин) Рисунок 5 - Сравнение зон влияния негативных факторов с дефектными зонами реального слитка 24,2т стали 38ХНЗМФА

Полученные зависимости систематизированы представлены в виде графиков и объяснены с позиции современных представлений о затвердевании слитка

В пятой главе даны методы управления геометрическими параметрами слитка с целью уменьшить размеры дефектных зон слитка снизить вероятность брака сократить потери металла при производстве готового изделия С целью автоматизи-

ровать этот процесс разработана САПР «Выбор слитка». Данная САПР, используя параметры структурных зон слитка, полученные моделированием, осуществляет выбор оптимального слитка под конкретное изделие.

Выбор слитка программа производит следующим образом:

- при помощи подсистемы «Рабочий чертеж заготовки» пользователь задает параметры готового изделия. Производится расчет припусков и напусков по ГОСТ 7062-90. В итоге автоматически строится чертеж поковки с учетом припусков под механическую и термообработку, отбора проб для контроля механических свойств металла, макроконтроля.

- рассчитываются массы поковок и их габаритные размеры;

- производится перебор всего множества гипотетических слитков, которые возможно отлить на предприятии. И из этого множества постепенно исключаются неподходящие комбинации;

- производится расчет массы слитка и исключаются те слитки, масса которых недостаточна для изготовления поковок. Здесь учитываются отходы с донной и прибыльной частей, а также потери на угар;

- для проработки литой структуры металла и получения требуемого уровня механических свойств необходимо обеспечить заданный минимальный уков Слитки, не обеспечивающие его, исключаются;

- рассчитывается максимально возможный недолив металла, с целью повышения выхода годного

- среди выбранных слитков выбирается наиболее предпочтительный вариант, т е. слиток, трудоемкость ковки которого минимальна Трудоемкость ковки в системе оценивается следующей величиной

? (4)

где п - число ступеней поковки, V, - объем 1-ой ступени, <СП. - диаметр 1-ой ступени, с1о, I - диаметр части слитка, из которой изготавливается 1-ая ступень поковки Физический смысл величины А - она пропорциональна работе, затрачиваемой на вытяжку слитка до размеров поковки

Определение глубины и диаметра осевой рыхлости необходимо для использования в САПР «Выбор слитка». Чтобы осевые дефекты слитка не перешли в поковку, используется следующее условие;

с!п(У)<с10Т1,еслипоковкаполая (5)

(5)

(¡п(У)-»0,если поковка сплошная

где <С0ТВ - диаметр отверстия в готовом изделии, с1п(У) - диаметр осевой рыхлости, оставшейся в поковке, зависящий от укова.

Для учета положения зоны дугообразны* трещин, используется расчет длины фрагмента слитка, который перейдет на ту или иную ступень поковки (6) Формула выведена, исходя из объемов ступеней поковки и соответствующих им частям слитка. Зная высоту расположения трещин в слитке, можно определить в какой ступени поковки они окажутся Это позволяет выбрать для конкретной заданной поковки такой слиток, высота расположения трещин в котором гарантирует их попадание на более узкую часть поковки, рисунок 7.

Умея прогнозировать размеры дефектов можно оптимизировать выбор слитка под конкретное изделие Для полой длинной поковки типа корпуса трубы кокиля целесообразно выбрать удлиненный слиток хоть и имеющий развитую дефектную зону но дающий большой выход годного Для изделия сплошного профиля - вы брать слиток с небольшими дефектами в осевой зоне или вообще без дефектов имеющий определенные выбранные расчетным путем значения H/D и конусности

Рисунок 6 - Сопоставление структурных зон с размерами кристаллов для 24 2т слитка

стали 38ХНЗМФА

Были проанализированы данные о поковках за 2001 - 2004гг, изготовленных на ПО «Баррикады» Анализ показал, что осевые дефекты, наследуемые поковкой всегда отсутствуют, когда в зоне дугообразных трещин величина укова достигала 4 и более Случаи брака были в случаях, когда на высоте расположения дугообразных трещин (примерно 1/3 от высоты тела слитка), уков не достигал 4

Рисунок 7 - В зависимости от ориентации поковки зона дугообразных трещин переходит:

а - в бочку вала, б - в цапфу вала

На рисунке 8 приводятся зависимости положения дефектных зон от H/D и от конусности на примере слитков массой 25,3т. Объем прибыли всех этих слитков составляет 17%. Площадь сечения осевой рыхлости при ковке уменьшается пропорционально величине укова, поэтому расчетным путем определяется, перейдут в поковку осевые дефекты или нет.

В итоге в системе создается каталог слитков, из которых возможно создание заданной поковки. Окончательный выбор слитка осуществляется по двум критериям оптимизации - это максимально возможный выход годного и минимальная трудоемкость ковки.

Из слитка массой 24,2т (№ 3-11-116А) на «ПО «Баррикады» была изготовлена поковка ротора по чертежу № 2156-376-005 массой 16,4т.

Математическим моделированием на основании интегрального критерия де-фектообразования определено положение зоны дугообразных трещин в слитке 24,2т Расчет показал, что при ковке эта зона переходит на бочку ротора, подобно рисунку 7, а. Результаты расчета представлены в таблице 1

Макроконтроль трепанга, взятого полым сверлом из поковки № 2156-376-005 показал наличие физической неоднородности на краю бочки ротора с нижнего конца поковки Это свидетельствует о том, что развитая зона дугообразных трещин в этом слитке не была полностью закована. Структура макродиска №3 представлена на рисунке 9, а Если бы в этой поковке отсутствовало осевое отверстие, то она была бы забракована после ультразвукового контроля.

конусность, %

б

Рисунок 8 - Зависимость ширины осевой рыхлости (а) и глубины проникновения рыхлости (б) от H/D и конусности слитка

Было изготовлено еще семь таких же поковок из таких же слитков, которые были ориентированы другим концом, т.е большая цапфа изготавливалась из нижней части тела слитка, как на рисунке 7, б.

Из нового слитка также была изготовлена поковка по чертежу №2156-376005 Также был проведен макроконтроль трепанга На третьем диске физическая неоднородность отсутствовала, (рисунок 9, б) При ковке зона дугообразных трещин гарантированно попала на цапфу ротора подобно рисунку 7, б.

В таблице 1 приведены результаты расчета переходов масс металла из слитка в поковку для прямой и обратной ориентации поковки Длина части слитка, соответствующей данной ступени поковки вычислялась по формуле (5 10).

Результатом данной работы стала рекомендация ковать ступенчатые валы таким образом, чтобы цапфа большего размера изготавливалась из нижней части слитка

Таким образом, разработанная САПР «Выбор слитка» во взаимодействии с комплексом Crystal позволяет снизить развитие осевой рыхлости в поковках и уменьшить вероятность брака

Таблица 1 - Расчет переходов масс металла из слитка в поковку № 2156-376005 Нумерация ступеней - от верха слитка

Рисунок 9 - Диск 3 вырезанный из трепанга поковки 2156-376-005 изготовленной из слитка 24 2т а) Поковка расположена в слитке большой цапфой кверху б) Поковка расположена большой цапфой книзу

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1) Разработан комплекс математических моделей Crystal для расчета пара метров характеризующих структурные зоны напряженное состояние и дефектооб разование кузнечных слитков

2) Показано что дефектность осевой зоны слитка зависит от пяти основных параметров интенсивности напряжений о, градиента температур G жесткости на пряженного состояния цп ц/ давления р возникающего в ходе протекания жидкого металла сквозь пористую среду в двухфазной зоне Обосновано что этих пяти па раметров достаточно для расчета зон залегания внутренних дефектов при кристал лизации слитка В качестве интегрального критерия дефектообразования впервые

предложена формула, увязывающая воедино влияние этих параметров на распределение физической неоднородности Эта формула используется в комплексе математических моделей кристаллизации Crystal, позволяющем осуществлять прогноз расположения дефектных зон слитка

3) Проведен сопоставительный анализ расчетных и экспериментальных данных по 30 разрушенным вдоль оси слиткам и трем слиткам с выявленной макроструктурой продольного сечения, с помощью которого установлено, что комплекс моделей можно применять для кузнечных слитков массой от 1 7 до 125т Разработана металлографическая компьютерная программа МГП, с помощью которой экспериментально выявлены характерные кристаллизационные зоны в крупных кузнечных слитках стали 38ХНЗМФА, массой 22 4 - 24,2т Достигнуто близкое совпадение этих зон с результатами математического моделирования кристаллизации слитка Экспериментальное исследование плотности металла и расчет перераспределения давлений по объему слитка в ходе протекания жидкого металла сквозь пористую кристаллическую среду в двухфазной зоне подтвердили существование в нижней части слитка зоны, обладающей большей плотностью по сравнению с прилегающими объемами

4) Расчетным путем получены количественные зависимости характеризующие влияние целой группы факторов на дефектность и напряженное состояние кузнечного слитка температуры разливки, отношения высоты к диаметру, конусности химического состава стали, относительного объема прибыли, массы слитка, теплопроводности литейной оснастки Определены параметры характеризующие напряженное состояние и дефектообразование слитка во времени и после полного затвердевания Данные зависимости используются в разработанной автором системе автоматизированного проектирования «Выбор слитка», с помощью которой решена задача выбора оптимального слитка для заданного пользователем изделия Критериями оптимизации являются максимальный выход годного металла в поковку и минимальная трудоемкость ковки «Выбор слитка» оптимизирует геометрию слитка для минимизации дефектных зон и исключения слитков, не обеспечивающих заковывание или удаление из поковок осевых дефектов

5) Впервые показано, что качество поковки типа ступенчатого вала с разноразмерными цапфами зависит от ее ориентации в слитке из-за зоны дугообразных трещин, находящихся в нижней трети слитка Обосновано, что большая цапфа поковки должна коваться из нижней части слитка, т к в таком случае зона дугообразных трещин слитка переходит на эту цапфу и заковывается Результаты исследований позволили сформулировать практические рекомендации по ковке ступенчатых валов

6) Разработанный комплекс программных средств последовательно выявляя структурные зоны (МГП), оптимизируя геометрические параметры и технологию отливки слитков сокращает напряжения при кристаллизации и уменьшает развитие осевой рыхлости (Crystal) фиксируя ее расположение и размеры А САПР оптимальным образом выбирает слиток для конкретной поковки Это дало возможность устранить отбраковку готовых изделий по осевой рыхлости

7) САПР «Выбор слитка» внедрена на ФГУП «ПО «Баррикады» для автоматизированного проектирования кузнечных заготовок Экономический эффект разработок составил 1 188 320 рублей (доля автора 25%)

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в следующих работах

1 С.И. Жульев, Е И Бузинов М Е Живов Система автоматизированного проектирования кристаллизации и ковки слитков II Журнал «Технология машиностроения» №2, 2003 - с 3 - 6

2 С.И. Жульев, Е И Бузинов М Е Живов САПР для автоматизации выбора слитка //Екатеринбург, Вестник УГТУ - УПИ, №5,2002 -с 169-171

3 С.И. Жульев, С Н Чекалин К Е Титов, Е И Бузинов Применение вычислительной техники в исследовании макроструктуры металла слитка II Металлургическая и горнорудная промышленность -2002 -№10-С 104-107

4 С.И. Жульев, М Е Живов Е И Бузинов Автоматизированное проектирование кузнечной заготовки II Международная научно-техническая конференция «Высокие технологии в машиностроении» Сб тр Самарского гос техн ун та - Самара, 2004-С 131-133

5 С Н Чекалин, Е И Бузинов К Е Титов, С И Жульев Программа автоматизированного металлографического анализа макро- и микроструктуры металла II Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы металлургического производства» Сб тр Волгоградского гос техн ун-та - Волгоград, 2002 -С 193-197

6 В П Багмутов, С И Жульев И Н Захаров, Е И Бузинов Определение опасных зон с трещинами в кристаллизующемся крупном кузнечном слитке // Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы металлургического производства» Сб тр Волгоградского гос техн ун-та - Волгоград 2002 -С 204-207

7 С.И. Жульев, Е И Бузинов, М Е Живов Автоматизированное проектиро вание рабочего чертежа заготовки // Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы металлургического производства» Сб тр Волгоградского гос техн ун-та -Волгоград 2002 -С 207-210

8 С.И. Жульев, Е И Бузинов Выбор оптимального слитка для создания поковки с помощью компьютерной программы // Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы металлургического производства» Сб тр Волгоградского гос техн ун-та - Волгоград, 2002 -С 210-213

9 С.И. Жульев, Е И Бузинов Автоматизированное проектирование технологии ковки // Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы металлургического производства» Сб тр Волгоградского гос техн ун-та - Волгоград, 2002 -С 214-216

10 С.И. Жульев, Е И Бузинов, С Н Чекалин, М Е Живов Автоматизированное металлографическое исследование макро- и микроструктуры металла // Международная научно-практическая конференция «Научно-технический прогресс в металлургии» Сб тр Карагандинского металлургического института - Темиртау 2003 -с 94-97

11 Е.И. Бузинов, К Е Титов, С Н Чекалин, С И Жульев Автоматизация при измерении параметров перлитно-ферритной структуры металла точечным методом II Научные сообщения клуба докторов наук Издание Волгоградского КДН -2002 -№11 -С 91-92

12 Е.И. Бузинов, М Е Живов, С И Жульев Система автоматизированного проектирования рабочего чертежа заготовки II Научные сообщения клуба докторов наук 2003 Издание Волгоградского КДН - 2003 - № 12 - С 75-76

13 Е.И. Бузинов, Ю М Шелухина, С И Жульев Оценка загрязненности металла неметаллическими включениями с помощью компьютерной программы II Научные сообщения клуба докторов наук 2003 Издание Волгоградского КДН - 2003 -№12 -С 84-85

14. С.И.Жульев, В.П.Багмутов, Е.И.Бузинов, И.Н.Захаров. Исследование кристаллизации и напряженного состояния кузнечных слитков при помощи компьютерной программы. II Научные сообщения клуба докторов наук 2004: Издание Волгоградского КДН. - 2004. - № 13. - С.ЗО - 33.

15 С.И. Жульев, Е.И. Бузинов Оптимизация геометрии кузнечных слитков II Научные сообщения клуба докторов наук 2005: Издание Волгоградского КДН -2005. -№14. -С.4-11.

16. С.Н. Чекалин, Е.И. Бузинов. Измерение плотности дендритной структуры металла с помощью компьютерной программы. II VI конференция молодых исследователей Волгоградской области- Сб тр Волгоградского гос техн ун-та -Волгоград, 2001. - С. 90-91.

17. Е.И. Бузинов. Выбор оптимального слитка для создания поковки!/ VII конференция молодых исследователей Волгоградской области: Сб. тр. Волгоградского гос техн ун-та - Волгоград, 2002. - С. 109-111.

18. Е.И. Бузинов. Напряженное состояние кузнечных слитков. II VIII конференция молодых исследователей Волгоградской области: Сб тр. Волгоградского гос техн. ун-та. - Волгоград, 2003. - С. 152 - 154.

Личный вклад автора в опубликованные работы. Все выносимые на защиту научные и практические результаты получены автором лично и в соавторстве

В работах [1, 2, 8, 17] автором разработана система автоматизированного проектирования «Выбор слитка», позволяющая подобрать оптимальный слиток для заданного пользователем изделия. В работе [4, 7, 12] описывается разработанный автором алгоритм и интерфейс программы «Рабочий чертеж заготовки», являющейся подсистемой САПР «Выбор слитка» и позволяющей по заданному пользователем чертежу изделия осуществить построение чертежа поковки с учетом всех требуемых техническими условиями «ПО «Баррикады» и ГОСТ 7062-90 припусков и напусков В работах [3, 5, 10, 11, 13, 16] автором разработана универсальная компьютерная программа, которая позволяет более быстро и точно провести исследования структуры металла. В статьях [6, 14, 18] даны результаты, полученные автором при работе с комплексом математических моделей Crystal.

Подписано в печать 2005 г. Заказ № ¿_5£__. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0.

Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография «Политехник» Волгоградского государственного технического университета.

400131, Волгоград, ул. Советская,35

461

■ar - i

Введение.

1 Дефекты слитка и его напряженное состояние. Состояние вопроса и постановка задачи исследования.

1.1 Кристаллизация и строение крупных кузнечных слитков.

1.2 Напряженное состояние в литом металле и формирование трещин.

1.2.1 Горячие трещины.

1.2.2 Холодные трещины.

1.3 Дефекты крупных кузнечных слитков.

1.3.1 Поверхностные трещины - продольные и поперечные.

1.3.2 Осевые трещины.

1.3.3 Дугообразные трещины.

1.3.4 Химическая неоднородность.

1.4 Образование дендритной структуры.

1.5 Влияние изложницы на процесс кристаллизации.

1.6 Влияние температуры жидкой стали.

1.7 Влияние скорости разливки.

1.8 Влияние химического состава стали.

1.9 Влияние растворенных в стали газов.

1.10 Существующие в настоящее время модели кристаллизации слитка.

Развитие современной техники предъявляет все более высокие требования к качеству и свойствам металлических изделий. В металлургической практике кристаллизация является одним из основных и ответственных этапов в технологической цепи получения изделия из сталей и сплавов.

Высокое качество поковок, отсутствие металлургических дефектов, равномерность физико-механических свойств по сечению и высокий выход годного могут быть получены только при условии достаточного качества исходного слитка. К показателям качества относятся в первую очередь отсутствие внутренних и поверхностных дефектов, минимальная химическая неоднородность, достаточная плотность металла по сечению слитка, малое количество скоплений вредных примесей, низкое содержание газов и неметаллических включений. Возможности улучшения качества слитка можно разделить на следующие группы:

1) улучшение качества жидкой стали, поступающей на разливку;

2) выбор оптимальных технологических параметров разливки, таких как температура, скорость разливки и т.д.;

3) выбор рациональной оснастки;

4) ускорение процесса кристаллизации путем ввода микрохолодильников;

5) применение внешних воздействий в течение кристаллизации слитка;

Кристаллизация крупных кузнечных слитков часто сопровождается появлением внутренних трещин в осевой зоне, которые негативным образом сказываются на дефектности металла готового изделия.

Известно, что в стальном слитке, особенно с высоким отношением высоты к диаметру (H/D), в осевой зоне образуется рыхлость (физическая неоднородность). Рыхлость в готовом изделии приводит к браку. Определение размеров физической неоднородности обычно производят с помощью ультразвукового контроля. Дефектность поковки напрямую зависит от дефектности слитка. Поэтому очень важно, чтобы дефекты слитка не перешли в поковку. Это возможно осуществить несколькими способами:

1. Если изделие, получаемое из этого слитка, имеет осевое отверстие, то осевая рыхлость может удалиться в отход при прошивке отверстия на этапе ковки или последующего сверления полуфабриката;

2. Известно, что с увеличением массы слитков усиливается развитие осевой рыхлости в их теле, а устранение ее с увеличением диаметра при пластической обработке усложняется. При кузнечной операции протяжка осевая рыхлость может быть закована, если будут соблюдены определенные условия — достаточная величина укова, благоприятная температура ковки.

При выборе слитка для получения конкретной поковки, либо при проектировании нового слитка, необходимо определить, будет ли осевая неоднородность закована или нет? Для этого необходимо знать характер осевой рыхлости, ее размеры, глубину проникновения в слиток. Измерить эти параметры можно только разрушающим методом - разрезать слиток. Теоретический расчет этих параметров позволяет этого избежать. Однако, здесь важна точность такого расчета.

В связи с этим, прогнозирование дефектных зон в крупном слитке, особенно ответственного назначения массой 20 - 145 тонн и более, является актуальной задачей в металлургическом машиностроении.

На прочность и долговечность агрегатов оказывают существенные влияния напряжения, возникающие в отдельных деталях. Известны случаи, когда они вызывали разрушение различных сооружений и машин. Появление внутренних трещин во многом зависит от температурных и усадочных напряжений. Оценка жесткости напряженного состояния (НС) в сочетании с анализом характерных зон слитка с использованием методов математического моделирования может служить основой для прогнозирования расположения и размеров дефектных зон.

Целью работы являлось повышение физической однородности металла кузнечных слитков на основе экспериментального выявления и компьютерного моделирования их характерных зон, напряженного состояния и де-фектообразования в процессе кристаллизации.

Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и двух приложений. Основные результаты сформулированы в виде выводов. Работа содержит 134 страницы текста, 51 рисунок, 6 таблиц и 2 приложения. Список использованной литературы содержит 106 источников.

В первой главе изложен механизм кристаллизации слитка и образования дефектов с позиции его напряженного состояния. Рассмотрено состояние этого вопроса, обоснована его актуальность и поставлены задачи исследования.

Во второй главе описан комплекс математических моделей Crystal и методика работы с ним. Комплекс осуществляет расчет кристаллических зон, напряженного состояния и дефектов кузнечного слитка. Описана новая, ранее неизвестная зона слитка, расположенная в нижней части конуса осаждения.

В третьей главе произведено сравнение экспериментальных исследований кристаллических зон и дефектов трех крупных кузнечных слитков с расчетными данными, полученными моделированием в Crystal. Показано, что достигнуто близкое соответствие экспериментальных и расчетных данных.

В четвертой главе приведены результаты исследования количественного влияния различных факторов на образование структурных и дефектных зон слитков, а также на его НС: температура разливки, отношение высоты к диаметру, конусность, химический состав стали, относительный объем прибыли, масса слитка, теплопроводность литейной оснастки. Эти результаты объяснены с позиции современных представлений о формировании слитка.

В пятой главе даны методы управления геометрическими параметрами слитка с целью уменьшить размеры его дефектных зон, снизить вероятность брака и сократить потери металла при производстве готового изделия. С целью автоматизировать этот процесс разработана САПР «Выбор слитка». Данная САПР взаимодействует с комплексом Crystal и позволяет осуществить выбор оптимального слитка под конкретное изделие.

Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов оптической и растровой микроскопии OLYMPUS ВХ21, NEOPHOT NU2/E, MSM-2 и использовании новых оригинальных методик с использованием компьютерных систем - определения параметров дендритной структуры (программа МГП), моделирования процесса кристаллизации слитка с учетом его напряженного состояния и дефектообразования (Crystal), выбора оптимального слитка для заданной поковки (САПР «Выбор слитка»).

Научная новизна работы состоит в разработке методики расчета и оптимизации величины внутренних дефектов слитка, а также в установлении количественного влияния параметров оснастки и технологических факторов разливки на структурные и дефектные зоны.

Показано, что дефектность осевой зоны слитка зависит от пяти основных параметров: интенсивности напряжений G\, градиента температур G, жесткости напряженного состояния jlict, у, давления р, возникающего в ходе протекания жидкого металла сквозь пористую среду в двухфазной зоне. Обосновано, что этих пяти параметров достаточно для расчета зон залегания внутренних дефектов при кристаллизации слитка. В качестве интегрального критерия дефектообразования предложена формула, увязывающая воедино влияние этих параметров на распределение физической неоднородности. Эта формула использована в комплексе математических моделей кристаллизации, позволяющем осуществлять прогноз расположения дефектных зон слитка.

С использованием данного комплекса моделей, базирующихся на методе конечных разностей, впервые рассчитано расположение внутренних дефектов в кузнечных слитках различной геометрии и отлитых при разных условиях разливки.

Впервые проведен сопоставительный анализ структурных зон 30-ти реальных, разрушенных вдоль оси слитков массой 1,7 - 125 т с расчетными данными, полученными моделированием и достигнута их сходимость, что подтвердило достоверность разработанного интегрального критерия.

Разработанный комплекс позволил получить зависимости распределения структурных и дефектных зон слитка от таких параметров, как температура разливки, отношение высоты к диаметру и конусность изложницы, химический состав стали, объем прибыли, масса слитка, теплопроводность литейной оснастки, время после заливки. Данные зависимости используются в разработанной автором системе автоматизированного проектирования «Выбор слитка», с помощью которой решена задача выбора оптимального слитка для заданного пользователем изделия. Критериями оптимизации являются максимальный выход годного металла в поковку и минимальная трудоемкость ковки. «Выбор слитка» оптимизирует геометрию слитка для минимизации дефектных зон и исключения слитков, не обеспечивающих заковывание или удаление из поковок осевых дефектов.

Впервые показано, что качество поковки типа ступенчатого вала с разноразмерными цапфами зависит от ее ориентации в слитке из-за зоны дугообразных трещин, находящихся в нижней трети слитка. Обосновано, что большая цапфа поковки должна коваться из нижней части слитка, т.к. в таком случае зона дугообразных трещин слитка переходит на эту цапфу и заковывается.

Практическая ценность:

Для отдела главного металлурга на ФГУП ПО «Баррикады» разработана и внедрена система автоматизированного проектирования «Выбор слитка», позволяющая экономить 3 нормо-часа работы технолога по проектированию технологического процесса ковки одной заготовки. При этом обеспечивается требуемое качество изделия за счет использования полученного расчетом прогноза его структурной однородности по интегральному критерию дефектообразования. Экономический эффект разработок составил 1 188 320 рублей. Доля автора 25%.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3-х международных конференциях (Донецк, 2001 г., Волгоград, 2002 г., Темиртау, 2003 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2001-7-2004 гг.).

Диссертационная работа выполнена в рамках 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.

Выводы

1) Разработан комплекс математических моделей Crystal для расчета параметров, характеризующих структурные зоны, напряженное состояние, и дефектообразование кузнечных слитков.

2) Показано, что дефектность осевой зоны слитка зависит от пяти основных параметров: интенсивности напряжений а;, градиента температур G, жесткости напряженного состояния ца, Ц)у давления р, возникающего в ходе протекания жидкого металла сквозь пористую среду в двухфазной зоне. Обосновано, что этих пяти параметров достаточно для расчета зон залегания внутренних дефектов при кристаллизации слитка. В качестве интегрального критерия дефектообразования, впервые предложена формула, увязывающая воедино влияние этих параметров на распределение физической неоднородности. Эта формула используется в комплексе математических моделей кристаллизации Crystal, позволяющем осуществлять прогноз расположения дефектных зон слитка.

3) Проведен сопоставительный анализ расчетных и экспериментальных данных по 30 разрушенным вдоль оси слиткам и трем слиткам с выявленной макроструктурой продольного сечения, с помощью которого установлено, что комплекс моделей можно применять для кузнечных слитков массой от 1,7 до 125т. Разработана металлографическая компьютерная программа МГП, с помощью которой экспериментально выявлены характерные кристаллизационные зоны в опытных слитках. Достигнуто близкое совпадение этих зон с результатами математического моделирования кристаллизации слитка. Экспериментальное исследование плотности металла и расчет перераспределения давлений по объему слитка в ходе протекания жидкого металла сквозь пористую кристаллическую среду в двухфазной зоне подтвердили существование в нижней части слитка зоны, обладающей большей плотностью по сравнению с прилегающими объемами.

4) Расчетным путем получены количественные зависимости, характеризующие влияние целой группы факторов на дефектность и напряженное состояние кузнечного слитка: температуры разливки, отношения высоты к диаметру, конусности, химического состава стали, относительного объема прибыли, массы слитка, теплопроводности литейной оснастки. Определены параметры, характеризующие напряженное состояние и дефектообразование слитка, во времени и после полного затвердевания. Данные зависимости используются в разработанной автором системе автоматизированного проектирования «Выбор слитка», с помощью которой решена задача выбора оптимального слитка для заданного пользователем изделия. Критериями оптимизации являются максимальный выход годного металла в поковку и минимальная трудоемкость ковки. «Выбор слитка» оптимизирует геометрию слитка для минимизации дефектных зон и исключения слитков, не обеспечивающих заковывание или удаление из поковок осевых дефектов.

5) Впервые показано, что качество поковки типа ступенчатого вала с разноразмерными цапфами зависит от ее ориентации в слитке из-за зоны дугообразных трещин, находящихся в нижней трети слитка. Обосновано, что большая цапфа поковки должна коваться из нижней части слитка, т.к. в таком случае зона дугообразных трещин слитка переходит на эту цапфу и заковывается. Результаты исследований позволили сформулировать практические рекомендации по ковке ступенчатых валов.

6) Разработанный комплекс программных средств последовательно выявляя структурные зоны (МГП), оптимизируя геометрические параметры и технологию отливки слитков сокращает напряжения при кристаллизации и уменьшает развитие осевой рыхлости (Crystal), фиксируя ее расположение и размеры. А САПР оптимальным образом выбирает слиток для конкретной поковки. Это дало возможность устранить отбраковку готовых изделий по осевой рыхлости.

7) САПР «Выбор слитка» внедрена на ФГУП «ПО «Баррикады» для автоматизированного проектирования кузнечных заготовок. Экономический эффект разработок составил 1 188 320 рублей (доля автора 25%).

5.5 Заключение

Разработана САПР «Выбор слитка», которая производит перебор множества слитков. Выбираются те, которые удовлетворяют требуемым условиям. Система может использоваться при изготовлении любых стальных поковок типа тел вращения. Для определения дефектных зон, «Выбор слитка» взаимодействует с комплексом Crystal.

Применение данной системы эффективно как при единичном и мелкосерийном производстве крупных кованых изделий, так и при массовом производстве.

Опираясь на модель кристаллизации, заложенную в программу Crystal, предложено использовать расчет, позволяющий спроектировать оптимальный слиток для конкретной партии поковок, учитывая расположения дефектных зон.

При этом используется два критерия оптимизации — максимальный выход годного и минимальная трудоемкость ковки.

Благодаря разработанной методике, имеется возможность влиять на расположение и размеры дефектных зон, управляя геометрическими параметрами слитка, не производя натурного эксперимента.

Предлагается путем моделирования кристаллизации осуществлять выбор слитка с оптимальными параметрами H/D и конусность.

Для ступенчатых роторов с большой массивной бочкой рекомендуется добиваться более низкого залегания зоны дугообразных трещин, управляя отношением высоты к диаметру и конусностью слитка. Увеличение температуры разливки (в допустимых пределах) также позволяет опустить ниже зону дугообразных трещин. Кроме того, для ступенчатых валов рекомендуется изготавливать цапфу большего размера из нижней части слитка.

Трудоемкость описанных в данной главе методов выбора слитка определяется количеством промоделированных слитков (примерно от 10 до 50 в зависимости от конкретной задачи). Затраты времени — от 1 до 5 часов. Увеличение времени проектирования слитка окупается уменьшением осевой рыхлости слитка, т.к. устраняется брак по осевой рыхлости.

В заключении автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность за помощь и поддержку в работе, в первую очередь, своему научному руководителю - д.т.н., профессору Жульеву Сергею Ивановичу, а также поблагодарить научного консультанта — д.т.н., профессора Баг-мутова Вячеслава Петровича, секретаря диссертационного совета - к.т.н., доцента Кузьмина Сергея Викторовича, своих коллег - к.т.н. Чекалина С.Н., к.т.н. Титова К.Е., Бода К.Ю., Руцкого Д.В., Федорова Д.Н., Живова М.Е., Шелухину Ю.М., Попова Д.И., Посламовскую Ю.А.

1. Скобло С.Я., Казачков Е.А. Слитки для крупных поковок. М.: Металлургия, 1973.-248 с.

2. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали. — М.: Металлургия, 1976.-552 с.

3. Ефимов В.А. Стальной слиток. -М.: Металлургиздат, 1961. 358с

4. Ефимов В.А. Состояние и перспективы развития исследовательских работ в области усовершенствования процессов разливки стали и улучшения качества стальных слитков // Проблемы стального слитка: Tp.IV Конференции по слитку М.: Металлургия — 1969 — С. 3-24.

5. Колосов М.И., Кульбацкий А.П. Разливка стали. — М.: Металлург-издат, 1957.-211с.

6. Гуляев Б.Б. Затвердевание и неоднородность стали. — М.: Метал-лургиздат, 1950.— 227с.

7. Микульчик А.В. Химическая неоднородность в слитках спокойной стали. // Проблемы стального слитка: Труды V конференции по слитку. М.: Металлургия, 1974. - С.543-545.

8. Микульчик А.В. Разливка стали и формирование слитка: Труды I конференции по слитку. — М.: Металлургия, 1966. С. 130-143

9. Иванцов Г.П. К вопросу о возможности «дождя» кристаллов в стальном слитке//Сталь. 1952. №10. -с.922-931

10. Голиков И.Н., Козлов Ф.В.// Сталь. 1952. - №7. - С.626-630

11. Голиков И.Н., Масленников Б.Н. Дендритная ликвация в сталях и сплавах. М.: Металлургия, 1977.-217 с.

12. Борисов Б.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка, М.: Металлургия, 1987, 232 с.

13. Журавлев В.А., Китаев Е.М. Теплофизика формирования непрерывного слитка. М.: Металлургия, 1974. 215с.

14. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. В 2-х частях. Ч. 1. Тепловые основы теории. Затвердевание и охлаждение отливки. -М.: Машиностроение, 1976. 328 с.

15. Данилов В.И. Строение и кристаллизация жидкостей. Киев: ИПЛ АН УССР, 1956.-424 с.

16. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливок. Кристаллизация в литейной форме. — М.: Машиностроение, 1973. 288 с.

17. Шмрга Л. Затвердевание и кристаллизация стальных слитков. М.: Металлургия, 1985.-248с.

18. Добаткин В.И. Слиток алюминиевых сплавов. Свердловск: Ме-таллургиздат, I960. - 175с.

19. Жульев С.И., Зюбан Н.А. Производство и проблемы качества кузнечного слитка: Монография/ВолгГТУ. Волгоград, 2003. - 168с.

20. Хворинов Н.И. Кристаллизация и неоднородность стали. — М.: Машгиз, 1958.-392с.

21. Вайнгард У. Введение в физику кристаллизации металлов М.: Мир, 1967.- 171с.

22. Неймарк В.Е. Модифицированный стальной слиток. М.: Металлургия, 1977. - 200с.

23. Чалмерс Б. Теория затвердевания: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1968.-288 с.

24. Жидкие металлы и их затвердевание // Сб.науч.тр.: Пер. с англ-М.: Металлургиздат, 1962.-434 с.

25. Малиночка Я.Н., Титова Т.М. Конус осаждения в слитке спокойной стали. // Сталь. 1989. - № 11. - С. 26-31.

26. Меськин B.C. Основы легирования стали, М.: Металлургия, 1959.

27. Лапотышкин Н.М., Лейтес А.В. Трещины в стальных слитках. Изд-во «Металлургия», 1969, 112с.

28. Горшков А.А. Уральское объединение научного инженерно-технического общества литейщиков. Свердловск: Машгиз, 1950. — 36с.

29. Нехендзи Ю.А. Стальное литье. М.: Металлургиздат, 1948.767с.

30. Бочвар А.А. и др. Сварочное производство, 1960, №10, с.36.

31. Пржибыл Й. Некоторые вопросы литейной теории. М.: Машгиз, 1961, 139с.

32. W. Poppmeir, Solidificat. Metals//London, Iron and Steel Inst 1968-p. 326.

33. Пржибыл Й. Затвердевание и питание отливок.- М.: Машгиз, 1957.-288 с.

34. Хорунжий Ю.Г. Автореферат канд. диссертации. Киев, 1969.

35. Селиванов В.Е. Формирование конуса осаждения в слитках спокойной стали. // Проблемы стального слитка: Труды IV конференции по слитку. — М.: Металлургия, 1969. -С.136-138,

36. Камнев П. В. Совершенствование койки крупных поковок. Л.: «Машиностроение», 1975, 344с.

37. Лебедев В.Н., ТСоровина В.Н., Варакпн П.И. Крупные поковки для валов турбогенераторов. М.: Машиностроение, 1968. — 120с

38. Финкель В.М. Портрет трещины. М.: Металлургия, 1981. - 160с.

39. Константинов Л.С., Трухов А.П. Напряжения, деформации и трещины в отливках. -М.: Машиностроение, 1981, 199с., ил.

40. Разливка стали в слитки: Сб. науч. тр/АН УССР. Ин-т пробл. Литья -Киев.-1987.-С. 3-4.

41. D. Turnbull, I.H. Hollomon // Сб. "Physics of powder metallurgy". -New York.- 1951.-p. 109-149.

42. D. Turnbull, B. Vonnegut//Ind. and Eng.Chem., 44.- 1952-p. 1292.

43. K.A. Jackson Сб. "Progress in solid st;:;c chemistry". Oxfords, vol. 4.-1967.-p. 53.

44. B. Richards // J. Amer. Soc., 54.- 1938-p. 479.

45. Яковлев Ю.Н. Термические напр :>кч :;ия в корке затвердевающего слитка//Проблемы стального слитка: Сблт .гр./АН УССР. Ин-т проблем литья. Киев, 1988 - 212с.

46. Технологические остаточные напря >ния. Под ред. д-ра техн.наук проф. А.В.Подзея. -М.: Машиностроение, 19 /. . -216с.

47. Новиков И.И. Горячеломкость цпс; ibix металлов и сплавов. М.: Наука, 1966,300с.

48. Китаев Е.М. Затвердевание сталып : слитков. М.: Металлургия, 1982.- 168 с.

49. Саратовкин Д.Д. Дендритная крис , ;лизация. М.: Метаплургиз-дат, 1957.- 127 с.

50. Беккиус К. Образование горячих тр чин в литой стали с металлургической точки зрения. В кн.: 24-й Между.! родный конгресс литейщиков 19 - 24 августа 1957 г в Стокгольме. М.: Mai:; з, 1960 г. - С. 124 - 127.

51. Pelline W.S. // Foundry. 1952. - U80. -№11.- Р.24.

52. Влияние чистоты поверхности ко: ля на брак чугунных труб / Я.А.Смолянинский, А.М.Соболев, Н.Ф.Кузь. . .iko, Г.М.Хохлов Литейное производство, 1973, №1, С.34.

53. Лапицкий В.И., Липшиц Л.С. Тео рия и практика металлургии, 1939, №12, С.40.

54. Reeve L.J. Iron Steel Inst., 1943, v. 1С \»2, P.69

55. A.F. Wells // Сб. "Structure ;md prop /ties of solid surface", Chicago-London.- 1953.-p. 240-264.

56. Формирование слииси. Сал: Плов:: .J.A. М., Металлургия, 1977.160 с.

57. Теплообмен между отливкой и формой / под ред. Вейник А.И. -Минск.: «Вышэйшая школа», 1967 332 с.

58. Явойский В.И., Кряковский Ю.В., Григорьев В.П. и др. Металлургия стали. М.: Металлургия, 1983. - 584с.

59. Трубин К.Г., Ойкс Г.Н. Металлургия стали. Мартеновский процесс. -М.: Металлургия, 1970. 617с.

60. Штейнберг С.С. Слиток стали Свердловск.: УралОГИЗ, 1933324 с.

61. Гаген-Торн В.О.// Металлург. 1937. -№11. - С.82-94.

62. Гранат И.Я., Жегалов А.К. Кристаллизация и строение стального слитка, ОНТИ, 1935.

63. Белянчиков JI.E. Производство стали и ферросплавов. — М.: МИСИС, 1975.- 144с.

64. Теумин И.И. // Сб. "Проблемы металловедения и физики металлов", Труды ЦНИИЧМ, вып. 7, М.: Металлургиздат- 1962 - с. 205.

65. Полоцкий И.Г., Левин Г.И. // Сб. "Вопросы физики металлов и металловедения" Изд. АН УССР, Киев.- 1959.- с. 146.

66. Леонтьев В.И. // Сб. " Проблемы металловедения и физики металлов" М.: Металлургиздат, т. 6.- 1959 - с. 139.

67. Бочвар А.А. Металловедение. М.: Металлургиздат, 1956. - 258 с.

68. Чернов Д.К. Краткий обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и собственные исследования по тому же предмету. // Чернов Д.К. и наука о металлах: сб. трудов Д.К. Чернова. М.: Металлургиздат, 1950. - С. 63-109.

69. Картуков Е.В., Воеводский B.C., Павлов Ю.К. Основы материаловедения. М.: Высшая школа, 1988. 215с.

70. Кукса А.В. Чугунные сталеразливочные изложницы. М.: Металлургия, 1989.- 152 с.

71. Новые технологические процессы получения качественных кузнечных слитков. Мостовой А.Б., Выгоднер Л.Ф., Каменский Л.А. М.: Металлургия, 1983, 112с.

72. Флеминге М.К. Процессы затвердевания: Пер. с англ. М.: Мир, 1977.- 423 с.

73. Колосов М.И., Строганов М.И., Смирнов Ю.Д., Охримович Б.П. Качество слитка спокойной стали. М.: Металлургия, 1973. — 408с.

74. Калинина З.М. Дефекты легированной стали. Свердловск: Метал-лургиздат, 1960.-248с.

75. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Наука Гл. ред. ФМЛ, 1976.-608с.

76. Федосеев В.И. Сопротивление материалов: Учебник для втузов -М.: Гл. ред. ФМЛ, 1986. 512с.

77. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов: Учебное пособие. М.: Гл. ред. ФМЛ, 1986. -560с.

78. Бухгольц Н.Н. «Основной курс теоретической механики» часть I, II. М.: Наука, 1972. часть I, 486с., часть И, 332с.

79. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. М.: Машгиз, 1961. -463с.

80. Рындин Н.И. Краткий курс теории упругости и пластичности. Учебное пособие. Под ред. проф. B.C. Постоева. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та,1974.- 136с.

81. Померанцев А.А. Термические напряжения в телах вращения произвольной формы. М.: Изд-во Московск. ун-та, 1967. - 104с.

82. Батышев А.И. Кристаллизация металлов и сплавов под давлением. -М.: Металлургия, 1977. 152с.

83. Смирнов B.C., Григорьев А.К., Пакудин В.П. Садовников Б.В. Сопротивление деформации и пластичность металлов. М., «Металлургия»,1975.-272 с.

84. В.А. Ефимов, В.Т.Борисов, В.А.Журавлев. Компьютерные модели кристаллизации сталей и сплавов.//Кристаллизация и компьютерные модели: тезисы конф. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1992, 137с.

85. А.Н. Морозов, М.М. Стрекаловский, Г.И. Чернов. Я.Е. Кацнельсон. Внепечное вакуумирование стали М.: Металлургия, 1975, 288 с.

86. Knuppel Н. Desoxydation und Vakuumbehandlung von Stahlschmelzen. Band 1. // Dusseldorf: Verlag stahleisen M.B.H., 1970, p.312.

87. С.И. Жульев, C.H. Чекалин, K.E. Титов. Осевые трещины в крупном стальном слитке марки 38ХНЭМФА массой 24,2 тонны. // Вестник Уральского государственного технического университета УПИ. Фундаментальные проблемы металлургии. — 2002. - №5. - С. 12-14.

88. Чекалин С.Н. Автореферат канд. диссертации. Волгоград, 2004.

89. Титов К.Е. Автореферат канд. диссертации. Волгоград, 2004.

90. Ефимов В.А. Влияние внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл // Проблемы стального слитка Киев: ИПЛ АН УССР-1988.-С. 4-21.

91. Кудрявцев П.И. Нераспространяющиеся усталостные трещины. -М.: Машиностроение, 1982. 171с., ил.

92. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976.-272с.

93. Овсиенко Д.Е. Вопросы физики металлов и металловедения // Сб. науч.тр. Киев: АН УССР.- 1957.-№8.- С. 153-162.

94. Багмутов В.П., Захаров И.Н. Моделирование градиентных структурных состояний в стальном слитке в ходе застывания // Известия вузов. Черная металлургия. -№10. 2003. - С.52-56.

95. Колодкин В.М., Жульев С.И., Долгов О.В., Антонов А.С. САПР технологии производства кузнечного слитка//Кристаллизация и компьютерные модели: Труды конф./Удм. ун-т, Ижевск, 1991, 156с

96. Багмутов В.П., Захаров И.Н. // Механика. 1999. № 4. (19). С. 42 49

97. Багмутов В.П., Захаров И.Н. // Физика и химия обработки материалов. 2002. №3. С. 9-17

98. Жульев С.И., Кряковский Ю.В., Долгов О.В. Отливка крупных кузнечных слитков с инокуляторами, формируемыми из струи расплава // Формирование стального слитка: Сборник. М.: Металлургия, 1986. С. 3538.

99. Жульев С.И. Исследование процесса затвердевания осевой зоны крупного слитка спокойной стали. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИСиС, 1978. — 161 с.

100. Жульев С.И. Оптимизация процессов производства кузнечных слитков для поковок ответственного назначения с использованием САПР-технологий. // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Волгоград, «ПО «Баррикады», 1991. - 372 с.

101. Ковка крупных поковок. Часть II под ред. Трубина В.Н. и Шеле-хова В.А. М.: Машиностроение, 1965. - С.295