автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование крупного кузнечного стального слитка изменённой геометрии с целью повышения качества металла поковок

На правах рукописи

ГАМАНЮК Сергей Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ КРУПНОГО КУЗНЕЧНОГО СТАЛЬНОГО СЛИТКА ИЗМЕНЁННОЙ ГЕОМЕТРИИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА ПОКОВОК

Специальность 05.16.02 «Металлургия чёрных, цветных и редких металлов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

^ С [¿імії ¿0^2

005017508

Волгоград-2012

005017508

Работа выполнена на кафедре Технология материалов" Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Зюбан Николай Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Колпишон Эдуард Юльевич кандидат технических наук, доцент Ивлев Сергей Алексеевич

Ведущая организация: Московский государственный вечерний

металлургический институт

Защита состоится "24" мая 2012 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д217.042.01 при Открытом акционерном обществе «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» (ОАО НПО «ЦНИИТМАШ») по адресу: 115088, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4, малый конференц-зал (главный корпус, 2 этаж).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО НПО «ЦНИИТМАШ».

Автореферат разослан "<Ю" 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

диссертационного совета у

Д 217.042.01 к. т. н. Макарычева Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблемам совершенствования технологии производства крупных кузнечных слитков и улучшению их качества всегда придается большое значение в связи с тем, что, как правило, они предназначены для ответственных заготовок энергетической, судостроительной, атомной, химической и других отраслей.

При этом требования к качеству и однородности получаемого металла постоянно возрастают. Ротора турбогенераторов большой мощности, сосуды высокого давления, судовые валы, корпуса атомных и химических реакторов - все эти ответственные изделия получают ковкой из слитков массой 20-400 тонн.

Получение качественных крупных слитков представляет собой весьма сложную научную и техническую задачу в связи с интенсивным развитием структурной и химической неоднородности, образованием и развитием неконтролируемых дефектов металла.

Проблемой получения качественных крупных слитков занимались и занимаются в настоящее время ряд российских и зарубежных учёных -Н.И. Хворинов, B.C. Дуб, С.Я. Скобло, В.А. Ефимов, Е.А. Казачков, С.И. Жульев, H.A. Зюбан и другие.

Однако и в настоящее время получение качественных крупных слитков и поковок представляет сложную научную и техническую задачу в связи с одновременностью физических, физико-химических и кристаллизационных процессов во время разливки, затвердевания и ковки слитков.

С целью улучшения структурной и химической неоднородности слитка существует ряд методов воздействия на затвердевающий металл: инокулирование, вибрация и другие, но главными факторами, определяющими особенности формирования структуры и строения слитка, являются его геометрические параметры.

Их наилучшее соотношение обеспечивает получение благоприятной макроструктуры, подавление развития ликвационных явлений, уменьшение дефектов осевой зоны.

Большим вкладом в решение этой проблемы явился метод отливки слитков с вогнутой донной частью («выпуклым») поддоном, разработанный в ЦНИИТМАШ. Данная конфигурация слитка позволила улучшить структуру и повысить выход годного в поковку.

Применение слитков этого типа обусловило поиск оптимального сочетания их геометрических параметров с целью улучшения структуры, снижения ликвационной неоднородности, уменьшения дефектов осевой зоны. Это определило основные направления дальнейших исследований, связанных с изучением влияния геометрических параметров слитка с вогнутой донной частью на особенности кристаллизации, формирования структуры, развития внеосевой химической неоднородности, распределения неметаллических включений и уровень механических свойств полученных из этих слитков поковок.

Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается выполнением ее в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» рег.номер 2.1.2/9220 «Исследование фундаментальных процессов формирования структуры и свойств сверхкрупных металлоизделий в различных условиях кристаллизации больших масс металла», и грантов: РФФИ №07-08-00511а «Изучение фундаментальных закономерностей формирования дефектов при кристаллизации сверхкрупных металлических тел», гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых 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 машиностроения».

Промышленные эксперименты проводились на ОАО "ПО "Баррикады".

Цель работы. Улучшение структуры и качества крупных слитков с вогнутой донной частью за счет оптимизации их геометрических параметров, изучение особенностей кристаллизации и формирования структурной, физической и химической неоднородности, распределения неметаллических включений и уровня механических свойств слитка новой геометрии.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Провести физическое и математическое моделирование процессов кристаллизации крупных кузнечных слитков;

2. Исследовать влияние H/D и геометрических параметров «выпуклого» поддона слитка на развитие дефектов осевой зоны и рассчитать оптимальные величины параметров H/Dcp слитков с кюмпельной частью

и выпуклым поддоном, обеспечивающие уменьшение дефектов осевой зоны при производстве сплошных кованых изделий тяжёлого машиностроения;

3. Исследовать макроструктуру крупных кузнечных слитков различной геометрии;

4. Оценить влияние геометрических параметров поддона слитка на развитие химической и физической неоднородности, распределение неметаллических включений и уровня механических свойств в слитке.

Научная новизна

В работе были получены следующие новые научные результаты:

- выявлены особенности кристаллизации слитка с вогнутой донной частью, обусловливающие опережающее развитие вертикальной составляющей кристаллизации, в 1,4 раза превышающей аналогичную характеристику для обычного кюмпельного слитка, что обеспечивает интенсификацию процесса затвердевания и оказывает положительное влияние на формирование структуры и химической неоднородности;

- установлено, что за счёт захолаживающего воздействия «выпуклого» поддона на осевые объёмы слитка улучшаются условия подпитки осевой зоны жидким металлом прибыли, в результате чего её протяжённость сокращается на 450 мм, а диаметр на 50 мм;

- показано, что ускорение кристаллизационных процессов в нижней части опытного слитка приводит к интенсивному перераспределению примесей в процессе формирования шнуров внеосевой ликвации: количество их увеличивается, в 1,7 раза, а диаметр уменьшается в 1,5 раза, что приводит к снижению химической неоднородности по всему объёму слитка.

- выявлено уменьшение среднего размера оксидных, сульфидных и оксисульфидных включений в 6, 2,5 и 1,3 раза, соответственно, по сечению и высоте опытного слитка за счёт интенсивного продвижения фронта кристаллизации в вертикальном направлении;

- промышленными экспериментами обоснована и показана эффективность применения слитка с вогнутой донной частью, обеспечивающего повышение качества металла поковок.

Практическая значимость работы заключается в том, что предлагаемый опытный слиток с вогнутой донной частью по своим структурным и качественным характеристикам превосходит слиток обычной геометрии. Его получение не требует изменения технологии и вложения затрат, что делает его производство экономически целесообразным. Ожидаемый экономический эффект составляет 569520 рублей.

Полученные результаты дают возможность проводить целенаправленный выбор соответствующей конфигурации слитка, обеспечивающей изготовление качественной поковки с минимальным развитием дефектов осевой зоны и улучшенными структурными характеристиками.

Получен патент на полезную модель 110667, РФ, МПК В 22 D 7/08 / Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / Зюбан H.A., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., [и др.] - Опубл.

27.11.2011. Бюл. №33.

Получен патент на полезную модель 114281, РФ, МПК В 22 D 7/08 / Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / Зюбан H.A., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., [и др.] - Опубл.

20.03.2012. Бюл. №8.

Апробация работы

Основное содержание диссертационной работы отражено в 11 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии. Получены два патента на полезную модель РФ.

Материалы диссертационной работы докладывались на 2-х международных конференциях (Самара, 2009 г.; Санкт-Петербург, 2010 г.), на 2-х Всероссийских научно-практических конференциях (г. Камышин, 2008-2009 гг.), на 3-х региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (2008+2010 гг.), на 3-х Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов (г. Магнитогорск, 2008-2010 гг.), на научно-технической конференции «65 лет ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П.Бардина"» (г. Москва, 2009 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2007+2012 гг.).

Достоверность результатов полученных в работе обеспечивается применением: современных технических средств, методов исследования и подтверждается успешной реализацией защищаемых научных и технологических решений при производстве крупных слитков и поковок. Экспериментальная часть работы выполнена: с применением методов оптической и растровой микроскопии SMZ-143N266, МИМ, OLIMPUS ВХ21, EP NEOFOT NU2/E, твердомеров, а также разработанных новых оригинальных методик с использованием компьютерных программ - определения плотности кристаллической структуры и моделирования процесса кристаллизации слитка (универсальная компьютерная программа «МГП», программный комплекс «CRYSTAL», прикладной пакет DEFORM 3D); использованием адекватных физических моделей, подробно описанных в научной литературе и соответствующих современному уровню исследований в области рассматриваемых явлений.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературных источников из 167 наименований, содержит 165 страниц машинописного текста, 60 рисунков, 20 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 формы слитка и его геометрических параметров на развитие химической, физической и структурной неоднородности крупного кузнечного слитка.

Геометрические параметры слитка являются основополагающими факторами, определяющими основные закономерности процессов, происходящих при кристаллизации металла и формировании структуры слитков. Оптимальное сочетание этих параметров обеспечивает получение благоприятной макроструктуры, подавляя развитие ликвационных явлений, уменьшая дефекты осевой зоны и т.д.

Отношение H/D и конусность слитка, являются важнейшими параметрами слитка, определяющие особенности зонального строения, продолжительность затвердевания металла, развитие усадочных процессов.

Регулируя геометрические параметры слитка можно управлять процессом кристаллизации с целью получения благоприятной структуры слитка с минимальным количеством дефектов.

Другой важной характеристикой слитка является его конфигурация, определяющая особенности технологии деформационной обработки слитка, исходя из конструкции и типа получаемой заготовки.

Таким образом, определение оптимального сочетания геометрических параметров слитка и его конфигурации представляет актуальное направления исследований по повышению качества крупных слитков и поковок.

Во второй главе приведены сведения о материале исследований, описана методика исследования двух слитков стали 38ХНЭМФА, отлитых в изложницы с кюмпельным и опытным («выпуклым») поддоном, с применением современных методов металлографических исследований, позволяющих описать количество дендритов на единицу длины секущей, длину их наибольшей оси и угол наклона к горизонтали, а также другие характеристики. По совокупности всех этих параметров определяли границы структурных зон слитка.

Исследование химической неоднородности производилось на различных горизонтах слитка. При этом анализировалось содержание основных ликвирующих элементов: углерода, серы и фосфора.

В третьей главе приведены результаты моделирования процессов кристаллизации крупных кузнечных слитков. Описана методика и результаты проведения исследований процесса кристаллизации и структу-рообразования слитков различной конфигурации на холодной модели (физическое моделирование) и математического моделирования с использованием программного комплекса Crystal.

Для проведения физического моделирования процесса кристаллизации и структурообразования слитков применялось устройство, которое позволяет задавать геометрические параметры слитков с различным отношением высоты изложницы от плоскости вогнутой части до основания прибыльной надставки к среднему диаметру изложницы hWDqj, конусностью изложницы и объемом прибыльной части (рисунок 1).

[А А-А

зации и структурообразования слитка с вогнутой донной частью

При проведении физического моделирования в качестве моделирующего вещества использовался натрий серноватистокислый (кристаллический гипосульфит) - ЫагЭгОзхбНгО.

На основании полученных данных были построены графики зависимостей изменения количества нарастающего слоя от времени охлаждения расплавленного гипосульфита в изложнице (рисунок 2).

Нижний горизонт слитков затвердевает быстрее, с увеличением высоты скорость затвердевания уменьшается. Однако в опытном слитке на нижнем горизонте скорость образования твердой фазы в 1,3 раза выше, чем в обычном слитке. На среднем и верхнем горизонтах скорость кристаллизации в сравниваемых слитках одинакова.

Изменение конфигурации поддона за счет увеличения его массы позволяет увеличить в 1,4 раза долю вертикальной кристаллизации (см. рисунок 2).

10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 - - ■ слиток обычной геометрии -опытный слиток

Время, %

>5

о

О. , _

g 40 .

к 30 . - -I/

S 20 10

о

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 - ■ -слиток обычной геометрии -опытный слиток

Время, %

б)

(а) - вертикальное затвердевание; (б) горизонтальное затвердевание Рисунок 2 - Изменение количества твердой фазы в процессе затвердевания обычного и опытного модельных слитков

Величина литейной конусности в процессе охлаждения расплава в обоих слитках уменьшается, но в опытном слитке её значение в 1,5-2

раза выше по сравнению с обычным (рисунок 3). Такой характер изменения величины литейной конусности обусловлен возрастанием скорости затвердевания нижней части слитков за счёт более интенсивного продвижения фронта кристаллизации в горизонтальном направлении.

I

— —

—

О 20 40 60 80 100

Относительное время тверлевання, %

---СЛИТОК обычной геометрии; - ОПЫТНЫЙ СЛИТОК

Рисунок 3 - Зависимость литейной конусности от времени затвердевания

Полученные результаты моделирования свидетельствуют о том, что в опытном слитке процесс направленной кристаллизации является более выраженным, что обеспечивает возможность получения слитков с меньшим развитием дефектов, вызванных усадкой стали и физической неоднородностью.

На рисунке 4 представлена макроструктура моделируемых слитков.

а б

а - слиток обычной геометрии; б - слиток с вогнутой донной частью; 1 - зона столбчатых кристаллов; 2 - нижняя конусообразная структурная зона; 3 - зона различно ориентированных кристаллов; 4 - зона осевой рыхлости; 5 - усадочная раковина Рисунок 4 - Макроструктуры модельных слитков

Для анализа влияния отношения H/D слитка на протяженность и диаметр зоны осевой рыхлости было проведено математическое моделирование слитков различной геометрии, которое осуществлялось с помощью программного комплекса Crystal.

На рисунке 5 показана динамика продвижение фронта кристаллизации в процессе затвердевания моделируемых слитков.

ÍÍÜD

120 мин 1 SO мин 210 мин

.i т

30 мин 120 мин ISO мин 210 мин

(б)

Ж - жидкий металл, Д - двухфазная зона Рисунок 5 - Продвижение фронта кристаллизации в процессе затвердевания слитка обычной геометрии (а) и слитка с вогнутой донной частью (б)

Зависимость изменения протяжённости нижней конусообразной части слитка от значений параметра H/D представлена на рисунке 6. Видно, что с возрастанием этого параметра протяжённость конусообразной зоны уменьшается, а при значениях H/D=1,89-2,05 она имеет минимальное значение. При этом в опытном слитке эта зона на 6 % меньше, чем в обычном.

30 мин

i >5

Рисунок 6 -

Протяжённость зоны осевой рыхлости также зависит от параметра H/D (рисунок 7). При этом в опытном слитке она не изменяется, а в обычном кюмпельном слитке возрастает на 25 % в рассматриваемом диапазоне значений H/D (1,69-2,05). В опытном слитке протяженность зоны осевой рыхлости в 2 раза меньше, чем в слитке обычной геометрии.

1700 1600 1500 1400 1300 1 200 1 100 1 ООО 900 800 700 600

_ - _ - —I——ч

1 _ - _ __ 1

г

1

1 _ _ __

_ _ *_LZZ

__

J_ - _ ¡zz _

1,6

1,65

1,85

"слиток с вогнутой донной частью *

H/D

1,9 1,95 2 2,05 2,1 ^"слиток обычной геометрии

Рисунок 7 - Влияние изменения H/D на протяжённость осевой зоны в исследуемых

слитках

Анализ влияния отношения H/D на диаметр зоны осевой рыхлости показал, что в диапазоне значений H/D=1,9-2,0 в опытном слитке этот параметр снижается на 20-40% и имеет величину, в два раза меньшую по сравнению с обычным слитком (рисунок 8). При остальных значениях H/D диаметр зоны осевой рыхлости в опытном слитке уменьшается в 1,3 раза.

1000 1,6

—Л— слиток обычной геометрии • слиток с вогнутой донной частью

H/D

Влияние изменения H/D на высоту нижней части в исследуемых слитках

г

я

5

1,6 1,65 1,7 1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2 2,05 2,1 • слиток с вогнутой донной частью —^"СЛИТОК обычной геометрии

H/D

Рисунок 8 - Влияние изменения H/D на диаметр осевой зоны в исследуемых слитках

Анализ влияния конусности слитка на протяженность и диаметр зоны осевой рыхлости (при H/D=1,9) показал (рисунок 9, 10), что минимальные значения её длины и диаметра наблюдаются в опытном слитке при конусности 4,1%, а в обычном соответственно при конусности 18%.

В интервале значений конусности от 4,1 до 12 % протяженность осевой зоны в опытном слитке увеличивается, а при больших значениях несколько снижается. В слитке обычной геометрии с увеличением конусности длина осевой зоны уменьшается. Диаметр зоны осевой рыхлости в обоих слитках с увеличением конусности увеличивается (рисунок 9, 10).

л I

о

>s i о £

И я?

<и 3

и £

0 Ё

1 5

S

5

2000 1900 1800 1700 1600 1500

1300 1200 1100 1000 900 800 700

10

12

14

1- - -, L ■ ■ -J

А.

-i к- .

" 3 1- _

Н-< 1-« --ч N- '-i

/ >

/

/

У

V

16

18

-опытный слиток - А - слиток обычной геометрии Конусность слитка, %

20

Рисунок 9 - Влияние конусности слитка на длину зоны осевой рыхлости в исследуемых слитках

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 —• опытный слиток -А - слиток обычной геометрии Конусность слитка, %

Рисунок 10 - Влияние конусности слитка на диаметр зоны осевой рыхлости в исследуемых слитках

Таким образом, по результатам математического моделирования получен интервал рекомендуемых значений отношения H/D для опытного слитка, который составляет 1,9-2,0. При этих значениях обеспечиваются минимальные значения протяженности и диаметра зоны осевой рыхлости опытного слитка.

С помощью прикладного пакета DEFORM 3D, было проведено компьютерное моделирование поведения трещин осевой зоны в процессе осадки слитков.

15 мин 22,5 мин 32,5 мин слиток обычной геометрии

15мин 22,5мин 32.5мин слитокс вогнутой Оонной частью Рисунок 11 - Моделирование процесса закова трещин осевой зоны в процессе осадки

Из представленных на рисунке 11 компьютерных схем видно, что в процессе осадки трещины постепенно заковываются. Однако в опытном слитке заков трещин осевой зоны происходит с большей эффективностью, что вызвано их более благоприятной ориентацией и увеличением плотности дендритной структуры.

В четвёртой главе приводятся данные по исследованию структурной, физической и химической неоднородности, распределению и загрязненности неметаллическими включениями литого металла двух слитков стали 38ХНЭМФА: обычной геометрии массой 24,2 тонны и слитка с вогнутой донной частью массой 22,5 тонны (рисунок 12, таблица 2).

а) б)

а) - слиток массой 24,2 т; б) - слиток массой 22,5 т 1 - корковая зона; 2 - зона столбчатых дендритов; 3 - зона мелких различно ориентированных дендритов; 4 - зона крупных различно ориентированных дендритов; 5 -зона осевой рыхлости; 6 - нижняя конусообразная структурная зона; 7 - зона дугообразных трещин.

Рисунок 12 - Структурные зоны исследуемых слитков стали 38ХНЭМФА

Таблица 2 - Параметры структурных зон исследуемых слитков стали Э8ХНЗМФА

Зоны слитка Слиток обычной Слиток с вогнутой

геометрии донной части

1. Корковая зона:

- средняя ширина зоны, мм.; 10 10

- площадь, см2.; 586,1 523,4

- % к площади осевого темплета. 2,1 2,10

2. Зона столбчатых дендритов:

- средняя ширина зоны, мм.; 90 70

- площадь, см2.; 5689,4 3266,4

- % к площади осевого темплета. 19,6 13,1

3. Зона мелких различно ориентированных ден-

дритов:

- высота, мм.; 1435 1160

- площадь, см2.; 2548,9 2046,4

- % к площади осевого темплета. 8,90 8,2

4. Зона крупных различно ориентированных

дендритов:

- площадь, см2.; 13295,1 13658,8

- % к площади осевого темплета. 46,4 54,81

5. Зона осевой рыхлости:

- протяжённость, мм.; 1650 1200

- % к высоте тела слитка; 68,3 54,8

- площадь, см2.; 2271,5 1043,4

- % к площади осевого темплета; 7,93 4,19

-диаметр самой широкой части, мм.; 170 120

- % к диаметру слитка. 15,5 10,9

6. Нижняя конусообразная структурная зона:

-высота, мм.; 760 914

- % к высоте тела слитка; 31,5 38,4

- площадь, см2.; 3626,9 3898,4

- % к площади осевого темплета; 12,7 15,6

- наибольший диаметр, мм.; 808 882

- % к диаметру слитка. 74,3 83,2

7. Зона дугообразных трещин:

- высота, мм.; 300 216

- % к высоте тела слитка; 12,4 9,1

- площадь, см2.; 626,7 484,8

- % к площади осевого темплета; 2,2 1,95

- наибольший диаметр, мм.; 352 408

- % к диаметру слитка. 32,0 38,5

Осевая зона слитка имеет самые неблагоприятные условия для своего формирования. Затвердевание этой зоны происходит в условиях максимального переохлаждения расплава, имеющего минимальный температурный градиент, и характеризуется нарастанием твердожидкой фазы в вертикальном направлении.

Исследование осевой зоны показало, что в опытном слитке её протяженность меньше на 450 мм по сравнению с обычным, а диаметр уже на 50 мм (таблица 2).

Из представленных данных на рисунке 13 видно, что средняя длина главной оси дендритов на всех горизонтах зоны осевой рыхлости в опытном слитке меньше, чем в слитке обычной геометрии. Также в опытном слитке наблюдается существенное увеличение плотности дендритной структуры по всей осевой зоне. Это также свидетельствует об ускорении кристаллизации в нижней части опытного слитка, за счет за-холаживающего воздействия выпуклого поддона. В дальнейшем это должно обеспечить либо полное удаление трещин при высверловке, либо высокую степень их закова в процессе осадки.

2200

2000

£

* 1800 (В X ь

I 1600

и (О

о 1400

А

во

1200

1000

1

< 1

>

* / * 1

у /

£

го X I-8

2200

2000

1800

1600

га н

и 1400

л

ш

1200

2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 —-• — Слиток обычной геометрии —*—Слиток с вогнутой донной частью Средняя длина главной оси дендритов, мм.

а)

1000

А «к \

\ \ /

\

\ \

1 1,5 2 2,5 3

• — Слиток обычной геометрии

Слиток с вогнутой донной частью

Плотность дендритной структуры, см-1.

б)

Рисунок 13 - Изменение величины кристаллов (а) и плотности дендритной структуры (6) по высоте осевой зоны слитков

Исследование химической неоднородности слитков на продольных осевых темплетах показало, что содержание углерода, серы и фосфора от периферии к центру увеличивается на среднем и верхнем горизонте слитков, и уменьшается в нижней части. Степень ликвации по углероду, и частично по сере в опытном слитке ниже, чем в слитке обычной геометрии (таблица 3).

Распределение Мо, V, N'1, Сг, Э'! и Мп равномерное, степень их ликвации не превышает 5 %.

Таблица 3 - Результаты исследования степени ликвационной неоднородности

Горизонт слитка Обычный кюмпельный слиток Опытный слиток («выпуклый» поддон)

с, % в, % р,% С, % Э, % Р,%

Верх слитка +20 +30 +29 +18 +27 +20

Низ слитка -23 -30 -40 -13 -40 -47

Результаты исследования геометрических параметров шнуров вне-осевой ликвационной неоднородности представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты исследования геометрических параметров шнуров внеосевой ликвационной неоднородности_

Тип слитка Кол-во шнуров на осевом темплете Длина шнура, мм Угол наклона шнура к оси слитка, град. Диаметр шнура, мм

пш тах сред. Ш1П тах сред. пып шах сред.

Слиток обычной геометрии 54 20 149 63 1 47 9,31 1 14 5,5

Слиток с вогнутой донной частью 92 11 204 62,9 2 31 12 1 10 3,6

Из приведённых в таблице 4 данных видно, что в опытном слитке количество шнуров внеосевой ликвации в 1,7 раза больше, чем в слитке обычной геометрии.

Анализ полученных данных показал (рисунок 14), что в опытном слитке значительная часть шнуров (72 %) имеет диаметр от 1 до 4 мм, тогда как в обычном слитке больше всего шнуров приходится на диаметр от 3 до 7 мм (55 %). Отсюда следует, что в опытном слитке шнуры внеосевой ликвации имеют меньшее сечение.

В опытном слитке шнуры имеют большую протяжённость, чем в слитке обычной геометрии. Для двух типов слитков характерно то, что очень малое количество шнуров (17 % для опытного слитка и 15 % для слитка обычной геометрии) имеет длину свыше 100 мм.

Интервалы значений диаметров, мм

■ Слиток обычной геометрии ■ Опытный слиток

Рисунок 14 - Распределение шнуров внеосевой ликвации по диаметру

Из гистограммы распределения шнуров по высоте слитков, представленной на рисунке 15 видно, что шнуры в опытном слитке располагаются значительно ниже, чем в слитке обычной геометрии. В нижней половине слитка находятся 50 % шнуров, а в слитке обычной геометрии на том же уровне находятся только 25 % шнуров. В верхней части слитков сильных различий не наблюдается.

Количество шнуров, шт. Опытный слиток | ■ Слиток обычной геометрии

Рисунок 15 - Распределение шнуров внеосевой ликвации по высоте слитков

Распределение шнуров внеосевой ликвации по сечению слитков показало, что шнуры занимают большую площадь по сечению опытного слитка, по сравнению с обычным. В последнем случае большая часть шнуров (75 %) расположена на расстоянии 2/3 радиуса от поверхности слитка. В слитке новой геометрии, наоборот, большинство шнуров располагаются на участке от 1/3 до 1/2 его радиуса.

Исследование количественного распределения неметаллических включений по сечению и высоте слитков показало, что в нижней части слитков преобладают оксидные, сульфидные и оксисульфидные включения, размер которых до 2 мкм, однако встречаются включения и больших размеров, но преимущественно в слитке обычной геометрии, размер которых достигает 12 мкм. В опытном слитке количество оксидных и сульфидных включений, размер которых не превышает 2 мкм в 1,5 и 2,5 раза меньше, чем в обычном слитке, соответственно. Максимальный размер оксисульфидных включений в опытном слитке не превышает 4 мкм, тогда как в обычном слитке встречаются включения до 12 мкм.

На среднем горизонте опытного слитка встречаются оксидные включения, размер которых до 2 мкм, и их количество в 3 раза больше, чем в слитке обычной геометрии. Но в слитке обычной геометрии наблюдается обратная зависимость по оксидным включениям, размер которых свыше 2 мкм и достигает 12 мкм. Сульфидных и оксисульфидных включений размером до 2 мкм в опытном слитке в 3,5 и 7 раза меньше, соответственно, чем в обычном слитке, в котором преобладают включения, размер которых до 12 мкм.

На верхнем горизонте опытного слитка размер оксидных включений до 2 мкм в 5 раз больше, чем в слитке обычной геометрии, в котором встречаются включения, размер которых свыше 10 мкм. Сульфидных и оксисульфидных включений размером до 2 мкм в опытном слитке в 3,3 и 2,5 раза меньше, соответственно. В опытном и обычном слитке встречаются оксисульфидные включения, размер которых достигает 8 мкм.

Исследование изменения среднего размера неметаллических включений по сечению и высоте слитков показало, что на нижнем горизонте в обоих слитках средний размер оксидных включений от периферии к центру увеличивается. Средний размер сульфидных включений от периферии к центру в обоих слитках увеличивается, однако в опытном слитке размер включений больше. Средний размер оксисульфидных включений от периферии к центру в обоих слитках увеличивается, при этом в центре слитка обычной геометрии размер включений в 2,5 раза больше.

На среднем горизонте слитка обычной геометрии средний размер оксидных включений от периферии к центру увеличивается, а в опытном слитке не изменяется, и в осевой зоне в 6 раз меньше. Средний размер сульфидных включений в слитке обычной геометрии от периферии к центру увеличивается, а в опытном слитке не изменяется. Однако размер сульфидных включений у края и в середине опытного слитка в 2 раза больше чем в обычном, а в осевой зоне в 2,5 раза меньше. Средний размер оксисульфидных включений в слитке обычной геометрии от периферии к центру увеличивается, и в осевой зоне в 1,3 раза больше, чем в опытном слитке.

На верхнем горизонте опытного слитка средний размер оксидных включений от периферии к центру увеличивается, и в центре слитка в 4 раза больше, а на 34 радиуса в 5 раз меньше, по сравнению с обычном слитком. Средний размер сульфидных включений в обоих слитках от периферии К центру увеличивается, но в опытном слитке размер включений в 2,5 раза больше, чем в обычном. Средний размер оксисульфидных включений в обычном слитке от периферии к центру увеличивается, но размер включений на расстояние Уг радиуса слитка в 4 раза больше в опытном слитке.

В пятой главе приводятся данные по исследованию уровня механических свойств поковок полученных из слитков новой и обычной конфигурации, изготовленных на ФГУП ПО «Баррикады» и предназначенных для заготовок валов роторов турбогенераторов (таблица 5).

Для защиты выпуклого поддона от размывания струей жидкого металла его поверхность покрывалась тонким слоем цирконовой пасты ЦБЖ-1 толщиной 1-5-1,5 мм, а также защищалась фанерным листом толщиной 10 мм. В процессе отливки слитка с выпуклым поддоном был использован способ подачи аргона в струю под вакуумом с целью большей дестабилизации струи и снижения её термомеханического воздей-.ствия на чугунный поддон.

Из таблицы 5 видно, что прочностные характеристики изделий изготовленных из опытного слитка выше, чем в изделиях из слитков обычной геометрии на 30-60 МПа.

Таблица 5 - Результаты механических испытаний валов роторов турбогенераторов, откованных из слитков обычной геометрии и с вогнутой донной частью_

Чертеж Плавка -поковка Вес слитка, тонн Сто,2, МПа о., МПа 5,% Ф. % кси, кг/мм2

Направление Прод | Танг Прод | Танг. Прод | Танг Прод. I Танг Прод | Тан.

ВАЛЫ ИЗ СЛИТКОВ С ВОГНУТОЙ ДОННОЙ ЧАСТЬЮ

8БС-202-316Б Б4450-1В-14 39,5 ££2 670 645 640 822 810 817 810 Ш 21,0 20.6 19,0 64.3 64,0 61.8 61,0 19.8 19,4 12.2 11,2

ВАЛЫ ИЗ СЛИТКОВ ОБЫЧНОЙ ГЕОМЕТРИИ

8ВЖ-200-212 Б4438-1В-1 39,5 615 580 585 580 Ш 750 zza 770 23.1 22,4 21.0 20,5 67.6 66,0 58.5 58,0 21.7 21,0 11.6 11,2

79/84-60 Б3443-1-1 39,5 640 640 64Q 630 790 780 789 770 215 20,0 ISA 18,0 НА 71,0 Ш 63,0 20,1 18,8 12.9 12,2

(__) U^U | ЦОЧ) I < ЦЦ I / / U 1 I ю,и [ | OQjU I Ю,0

Примечание: В числителе - средние значения, в знаменателе - минимальные.

Таким образом, предлагаемый опытный слиток с вогнутой донной частью по своим структурным и качественным характеристикам превосходит обычный кюмпельный слиток. Его получение не требует изменения технологии и вложения затрат, способствует повышению выхода годного, что делает его производство экономически целесообразным.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате комплексного исследования слитка с вогнутой донной частью, физического и математического моделирования процесса формирования структурных зон впервые были определены оптимальные геометрические параметры слитка с вогнутой донной частью, позволяющие увеличить долю вертикальной составляющей процесса кристаллизации в 1,4 раза, и ускорение кристаллизации за счёт захолаживающего воздействия «выпуклого» поддона на осевую область слитка.

2. Математическим моделированием выявлено, что минимальные значения длины и диаметра зоны осевой рыхлости наблюдаются в опытном слитке при конусности 4,1%, а в обычном соответственно при конусности 18% (при H/D=1,9). Диаметр зоны осевой рыхлости в обоих слитках с увеличением конусности увеличивается.

3. По результатам математического моделирования установлен интервал рекомендуемых значений отношения H/D для опытного слитка, в пределах 1,9-2,0,обеспечивающих минимальные значения протяженности и диаметра зоны осевой рыхлости.

4. Установлено, что за счет захолаживающего воздействия «выпуклого» поддона, улучшаются условия подпитки осевой зоны жидким металлом прибыли, в результате чего ее протяженность сокращается на

450 мм, а диаметр на 50 мм. В дальнейшем это должно обеспечить либо полное удаление трещин при высверловке, либо высокую вероятность их закова в процессе осадки.

5. Математический расчет эффективных деформаций в осевой зоне заготовки от слитка с вогнутой донной частью показал, что заков трещин в ней происходит более эффективно, что обусловлено их благоприятной ориентацией и увеличением плотности дендритной структуры.

6. Установлено, что применение «выпуклого» поддона обеспечивает ускорение кристаллизационных процессов в нижней части слитка и способствует интенсивному перераспределению примесей в процессе формирования шнуров внеосевой ликвации. Количество их увеличивается в 1,7 раза, а диаметр уменьшается на 35%. Это обеспечивает снижение химической неоднородности по объёму слитков и поковок и более равномерное распределение механических свойств.

7. Исследование количественного распределения неметаллических включений по сечению и высоте слитков показало, что в нижней части опытного слитка количество оксидных и сульфидных включений в 1,5 и 2,5 раза меньше, чем в обычном слитке. На среднем горизонте сульфидных и оксисульфидных включений в опытном слитке в 3,5 и 7 раза меньше. На верхнем горизонте опытного слитка оксидных включений в 5 раз больше. Сульфидных и оксисульфидных включений в опытном слитке в 3,3 и 2,5 раза меньше.

8. Исследование изменения среднего размера неметаллических включений по сечению и высоте слитков показало, что в зоне осевой рыхлости опытного слитка размер оксидных, сульфидных и оксисульфидных включений в 6, 2,5 и 1,3 раза меньше, соответственно, чем в слитке обычной геометрии.

9. Прочностные характеристики изделий изготовленных из слитка с вогнутой донной частью выше в среднем на 5-10%, чем в изделиях из слитков обычной геометрии.

10. Предлагаемый опытный слиток с вогнутой донной частью по своим структурным и качественным характеристикам превосходит обычный юомпельный слиток. Его получение не требует изменения технологии и вложения затрат, способствует повышению выхода годного, что делает его производство экономически целесообразным. Ожидаемый экономический эффект составляет 569520 рублей.

11. Полученные результаты дают возможность проводить целена-. правленный выбор соответствующей конфигурации слитка, обеспечи-

вающей изготовление качественной поковки с минимальным развитием дефектов зоны осевой рыхлости и улучшенными структурными характеристиками.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях

1. Исследование кристаллического строения донной части крупных кузнечных слитков / Ю.А. Посламовская, С.И. Жульев, А.И. Горунов, С.Б. Гаманюк II Известия Волгоградского гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2: межвуз. сб. науч. ст. / отв. ред. Ю. П. Трыков; ВолгГТУ. - Волгоград, 2008.-№10. - С. 152-154.

2. Гаманюк, С.Б. Особенности внутреннего строения и распределения примесей в слитке стали 38ХНЭМФА I С.Б. Гаманюк, C.B. Ящук, Д.В. Руцкий // Известия Волгоградского' гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2: межвуз. сб. науч. ст. / отв. ред. Ю. П. Трыков; ВолгГТУ. - Волгоград, 2008.-№10.-С. 154-156.

3. Исследование влияния особенностей процесса кристаллизации крупного слитка спокойной стали 38ХНЭМФА на прочностные и пластические характеристики / С.Б. Гаманюк, Д.В. Руцкий, H.A. Зюбан, К.Е. Титов, М.Ю. Чубуков // Известия ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 3: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2009. - № 11. - С. 154-158.

4. Руцкий, Д.В. Особенности затвердевания и развития дефектов осевой зоны в кузнечных слитках с изменённой конфигурацией донной части [Электронный ресурс]/Д.В. Руцкий, H.A. Зюбан, С.Б. Гаманюк//65 лет ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П.Бардина" : юбил. сб. ст. : [по матер, на-уч.-техн. конф., Москва, 30 сент. 2009 г.] / ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П.Бардина" [и др.]. - М., 2009. -1 CD-ROM. - С. 377-387.

5. Влияние химической и физической неоднородности слитка массой 24,2 т стали 38ХНЭМФА на механические свойства трубных заготовок / Д.В. Руцкий, H.A. Зюбан, С.Б. Гаманюк, Ю.А. Посламовская II Известия Самарского научного центра РАН. - 2010. - Т. 12, № 1. - С. 489-492.

6. Зюбан, H.A. Исследование осевых дефектов кузнечных слитков и поковок из них валов роторов турбогенераторов / H.A. Зюбан, Д.В. Руцкий, С.Б. Гаманюк // Технология машиностроения. - 2010. - № 11. - С. 1316.

7. Исследование особенностей формирования, строения и структуры слитков с изменённой геометрией донной части / H.A. Зюбан, С.Б. Гаманюк, Д.В. Руцкий, Н.С. Витряк// Изв. ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 4: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 4. - С. 166-169.

8. Исследование дефектов литой структуры осевой зоны слитков стали 38ХНЭМФА и их поведение во время осадки / H.A. Зюбан, Д.В. Руц-кий, С.Б. Гаманкж, А.Н. Стяжин, A.A. Сидоров // Сталь. - 2011. - № 4. - С. 24-28.

9. Исследование причин структурной и химической неоднородности нижней половины крупных кузнечных слитков / Зюбан H.A., Посламов-ская Ю.А., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б. II Известия Волгоградского гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2: межвуз. сб. науч. ст. / отв. ред. Ю. П. Трыков; ВолгГТУ. - Волгоград, 2011.

10. Влияние геометрии и условий затвердевания слитков спокойной стали на качество поковок роторов турбогенераторов / Зюбан H.A., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., Титов К.Е., Посламовская Ю.А., Витряк Н.С., Коновалов С.С. // «Известия Самарского научного центра Российской академии наук» Спец. вып. "Актуальные проблемы машиностроения", 2011 г., Самара, Россия.

11. Исследование влияния изменения геометрии донной части кузнечного слитка на формирование внеосевой ликвационной неоднородности / Зюбан H.A., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., Коновалов С.С. // Металлург. - 2011.

12. Исследование влияния геометрии донной части кузнечного слитка массой 22,5 т на условия затвердевания и степень развития в нем физической и химической неоднородности / Руцкий Д.В., Зюбан H.A., Гаманюк С.Б., Посламовская Ю.А., Гаврилова C.B. // Технология металлов. -2011.

13. Патент на полезную модель 110667, РФ, МПК В 22 D 7/08 / Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / Зюбан H.A., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., [и др.] - Опубл.

27.11.2011. Бюл. №33.

14. Патент на полезную модель 114281, РФ, МПК В 22 D 7/08 / Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице /. Зюбан H.A., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., [и др.] - Опубл.

20.03.2012. Бюл. №8.

Подписано в печать 17.04.2012 г. Заказ №,Й^Гираж 100 экз. Печ. л. 1,0. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета.

400005, Волгоград, просп. им В.И. Ленина, 28, корпус №7

61 12-5/2430

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГАМАНЮК СЕРГЕЙ БОРИСОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ КРУПНОГО КУЗНЕЧНОГО СТАЛЬНОГО СЛИТКА ИЗМЕНЁННОЙ ГЕОМЕТРИИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА ПОКОВОК

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Специальность: 05.16.02 - «Металлургия чёрных, цветных и редких металлов»

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Зюбан Николай Александрович

Волгоград 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение 4

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУРЫ СЛИТКОВ

1Л Роль геометрических параметров в формировании структуры слитков 9

1.2 Влияние изложницы на процесс кристаллизации 12

1.3 Основные типы промышленных слитков 13

1.4 Принципы конструирования крупных слитков 23

1.5 Основные типы изделий машиностроения и слитки, применяемые для их изготовления 27 Заключение 30

Глава 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Сведения о материале исследований 31

2.2 Методика исследования структурной неоднородности

слитков 36

2.3 Методика исследования химической неоднородности

слитка 38

2.4 Методика исследования физической плотности литого

металла 40

2.5 Методика определения индекса загрязнённости и размера неметаллических включений 42

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ КРУПНЫХ КУЗНЕЧНЫХ СЛИТКОВ

3.1 Исследование процессов кристаллизации на холодной модели 43

3.1.1. Описание лабораторной установки 43

3.1.2. Методика проведения эксперимента 45

3.1.3. Выбор критериев подобия для физического моделирования кристаллизации крупного стального слитка 46

3.1.4. Определение масштабов моделирования 50

3.1.5. Обсуждение полученных результатов 54

3.2 Математическое моделирование процессов кристаллизации крупных слитков 66

3.2.1. Начальные условия для моделирования 66

3.2.2. Обсуждение полученных результатов 67

3.2.3. Методика использования пакета Deform3D 74

3.2.4. Результаты моделирования процессов горячей деформации исследуемых слитков в пакете DEFORM 3D 76 Заключение 80

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ СЛИТКОВ СТАЛИ Э8ХНЗМФА

4.1 Исследование макроструктуры литого металла слитка обычной геометрии массой 24,2 тонны и слитка с вогнутой донной частью массой 22,5 тонны стали 38ХНЗМФА 83

4.2 Исследование макроструктуры осевой зоны слитка обычной геометрии массой 24,2 т и слитка с вогнутой донной частью массой 22,5 тонны стали 38ХНЗМФА 92

4.3 Исследование ликвационной неоднородности слитка обычной геометрии массой 24,2 тонны и слитка с вогнутой донной частью массой 22,5 тонны стали 38ХНЗМФА 103

4.4 Исследование влияния изменения геометрии донной части кузнечного слитка на формирование внеосевой ликвационной неоднородности 110

4.5 Исследование загрязненности неметаллическими включениями слитка обычной геометрии массой 24,2 тонны и слитка с вогнутой донной частью массой 22,5 тонны стали 38ХНЗМФА 122 Заключение 132

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОКОВОК 137

Заключение 141

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 142

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 144

ПРИЛОЖЕНИЕ 163

ВВЕДЕНИЕ

Проблемам совершенствования технологии производства крупных кузнечных слитков и улучшению их качества всегда придается большое значение в связи с тем, что, как правило, они предназначены для ответственных заготовок энергетической, судостроительной, атомной, химической и других отраслей.

При этом требования к качеству и однородности получаемого металла постоянно возрастают. Ротора турбогенераторов большой мощности, сосуды высокого давления, судовые валы, корпуса атомных и химических реакторов -все эти ответственные изделия получают ковкой из слитков массой 20-400 тонн.

Получение качественных крупных слитков представляет собой весьма сложную научную и техническую задачу в связи с интенсивным развитием структурной и химической неоднородности, образованием и развитием неконтролируемых дефектов металла.

Проблемой получения качественных крупных слитков занимались и занимаются в настоящее время ряд российских и зарубежных учёных - Н.И. Хворинов, B.C. Дуб, С .Я. Скобло, В.А. Ефимов, Е.А. Казачков, С.И. Жульев, H.A. Зюбан и другие.

Однако и в настоящее время получение качественных крупных слитков и поковок представляет сложную научную и техническую задачу в связи с одновременностью физических, физико-химических и кристаллизационных процессов во время разливки, затвердевания и ковки слитков.

С целью улучшения структурной и химической неоднородности слитка существует ряд методов воздействия на затвердевающий металл: инокулирование [1-13], вибрация [14-16] и другие [17-26], но главными факторами, определяющими особенности формирования структуры и строения слитка, являются его геометрические параметры.

Их наилучшее соотношение обеспечивает получение благоприятной макроструктуры, подавление развития ликвационных явлений, уменьшение дефектов осевой зоны.

Большим вкладом в решение этой проблемы явился метод отливки слитков с вогнутой донной частью («выпуклым») поддоном, разработанный в ЦНИИТМАШ [27]. Данная конфигурация слитка позволила улучшить структуру и повысить выход годного в поковку.

Применение слитков этого типа обусловило поиск оптимального сочетания их геометрических параметров с целью улучшения структуры, снижения ликвационной неоднородности, уменьшения дефектов осевой зоны. Это определило основные направления дальнейших исследований, связанных с изучением влияния геометрических параметров слитка с вогнутой донной частью на особенности кристаллизации, формирования структуры, развития внеосевой химической неоднородности, распределения неметаллических включений и уровень механических свойств полученных из этих слитков поковок.

Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается выполнением ее в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» рег.номер 2.1.2/9220 «Исследование фундаментальных процессов формирования структуры и свойств сверхкрупных металлоизделий в различных условиях кристаллизации больших масс металла», и грантов: РФФИ №07-08-00511а «Изучение фундаментальных закономерностей формирования дефектов при кристаллизации сверхкрупных металлических тел», гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых 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 машиностроения».

Промышленные эксперименты проводились на ОАО "ПО "Баррикады".

Цель работы - улучшение структуры и качества крупных слитков с вогнутой донной частью за счет оптимизации их геометрических параметров, изучение особенностей кристаллизации и формирования структурной, физической и химической неоднородности, распределения неметаллических включений и уровня механических свойств слитка новой геометрии.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Провести физическое и математическое моделирование процессов кристаллизации крупных кузнечных слитков;

2. Исследовать влияние ШЭ и геометрических параметров «выпуклого» поддона слитка на развитие дефектов осевой зоны и рассчитать оптимальные величины параметров НЮср слитков с кюмпельной частью и выпуклым поддоном, обеспечивающие уменьшение дефектов осевой зоны при производстве сплошных кованых изделий тяжёлого машиностроения;

3. Исследовать макроструктуру крупных кузнечных слитков различной геометрии;

4. Оценить влияние геометрических параметров поддона слитка на развитие химической и физической неоднородности, распределение неметаллических включений и уровня механических свойств в слитке.

Научная новизна

В работе были получены следующие новые научные результаты:

- выявлены особенности кристаллизации слитка с вогнутой донной частью, обусловливающие опережающее развитие вертикальной составляющей кристаллизации, в 1,4 раза превышающей аналогичную характеристику для обычного кюмпельного слитка, что обеспечивает интенсификацию процесса затвердевания и оказывает положительное влияние на формирование структуры и химической неоднородности;

- установлено, что за счёт захолаживающего воздействия «выпуклого» поддона на осевые объёмы слитка улучшаются условия подпитки осевой зоны

жидким металлом прибыли, в результате чего её протяжённость сокращается на 450 мм, а диаметр на 50 мм;

- показано, что ускорение кристаллизационных процессов в нижней части опытного слитка приводит к интенсивному перераспределению примесей в процессе формирования шнуров внеосевой ликвации: количество их увеличивается, в 1,7 раза, а диаметр уменьшается в 1,5 раза, что приводит к снижению химической неоднородности по всему объёму слитка.

- выявлено уменьшение среднего размера оксидных, сульфидных и оксисульфидных включений в 6, 2,5 и 1,3 раза, соответственно, по сечению и высоте опытного слитка за счёт интенсивного продвижения фронта кристаллизации в вертикальном направлении;

- промышленными экспериментами обоснована и показана эффективность применения слитка с вогнутой донной частью, обеспечивающего повышение качества металла поковок.

Практическая значимость работы заключается в том, что предлагаемый опытный слиток с вогнутой донной частью по своим структурным и качественным характеристикам превосходит слиток обычной геометрии. Его получение не требует изменения технологии и вложения затрат, что делает его производство экономически целесообразным. Ожидаемый экономический эффект составляет 569520 рублей.

Полученные результаты дают возможность проводить целенаправленный выбор соответствующей конфигурации слитка, обеспечивающей изготовление качественной поковки с минимальным развитием дефектов осевой зоны и улучшенными структурными характеристиками.

Получен патент на полезную модель 110667, РФ, МПК В 22 D 7/08 / Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / Зюбан H.A., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., [и др.] - Опубл. 27.11.2011. Бюл. №33.

Получен патент на полезную модель 114281, РФ, МПК В 22 D 7/08 / Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / Зюбан H.A., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., [и др.] - Опубл. 20.03.2012. Бюл. №8.

На защиту выносятся:

1) Результаты физического и математического моделирования процесса кристаллизации и структурообразования слитков различной геометрии;

2) Результаты исследования макроструктуры слитков различной геометрии;

3) Результаты исследования строения осевой зоны слитков различной геометрии;

4) Результаты исследования внеосевой ликвационной неоднородности слитков различной геометрии;

5) Результаты исследования загрязненности неметаллическими включениями слитков различной геометрии;

6) Результаты исследования механических свойств изделий полученных из слитков различной геометрии.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 2-х международных конференциях (Самара, 2009 г.; Санкт-Петербург, 2010 г.), на 2-х Всероссийских научно-практических конференциях (г. Камышин, 2008-2009 гг.), на 3-х региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (2008-^2010 гг.), на 3-х Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов (г. Магнитогорск, 2008-2010 гг.), на научно-технической конференции «65 лет ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П.Бардина"» (г. Москва, 2009 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2007^-2012 гг.).

Основное содержание диссертационной работы отражено в 11 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии. Получены два патента на полезную модель РФ.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУРЫ СЛИТКОВ

1.1 Роль геометрических параметров в формировании структуры слитков

Геометрические параметры слитка являются основополагающими факторами, определяющими основные закономерности процессов, происходящих при кристаллизации металла и формировании структуры слитков. Оптимальное сочетание этих параметров обеспечивает получение благоприятной макроструктуры, подавляя развитие ликвационных явлений, уменьшая дефекты осевой зоны и т.д. [28-35].

Отношение H/D является важнейшим параметром слитка, определяющим особенности зонального строения, продолжительность затвердевания металла, развитие усадочных процессов.

Значимость данного параметра заключается в том, что в зависимости от его величины изменяется соотношение скоростей затвердевания слитков в горизонтальном и вертикальном направлениях [36]. Исходя из этого возможны три типа кинетики затвердевания (рисунок 1.1).

Первый тип характеризуется одновременным смыканием фронтов кристаллизации в вертикальном и горизонтальном направлениях в верхней части слитка в конце его затвердевания. Количественная мера направленности процесса, ширина области вертикального затвердевания d=0 (рисунок 1.1 б). В этом случае отношение высоты слитка к его диаметру является критическим (H/D)KP.

Второй тип кинетики затвердевания свойственен укороченным слиткам, имеющим отношение H/D<(H/D)Kp, и характеризуется завершением процесса затвердевания в вертикальном направлении. Ширину этой области можно оценивать удвоенной величиной ординаты +yR (рисунок 1.1 а) между кинетическими кривыми вертикального и горизонтального затвердевания.

I

л

Iii

151

lg*

§

«5 =s

я/

7 г 1-J h2

/ /г

V й 5

Время тем млидхи, ми»

а - завершение процесса в вертикальном направлении; б - одновременное достижение фронтов затвердевания верха слитка («критический случай»); в - завершение процесса затвердевания в горизонтальном направлении

Рисунок 1.1 - Кинетические кривые горизонтального (1) и вертикального (2) затвердевания

слитков с различным отношением H/D

В удлиненных слитках, геометрия которого определяется неравенством H/D>(H/D)Kp (третий тип кинетики затвердевания), конечным этапом кристаллизации является опережающее продвижение фронта горизонтального затвердевания. Зона вертикального затвердевания не доходит до верха тела слитка, ограничиваясь высотой h=H-yH, которая в этом типе слитков уменьшается с увеличением отношения H/D (рисунок 1.1 в).

Приведенные особенности кинетики затвердевания крупных стальных слитков в зависимости от их конфигурации не исчерпывают всего многообразия процессов, наблюдаемых при кристаллизации больших масс металла. Зональность строения макроструктуры, степень развития дефектов различного происхождения, образование ликвационной неоднородности - все это обусловлено не только интенсивностью затвердевания в определенных направлениях, но также результатом взаимного влияния процессов последовательной и объемной кристаллизации, происходящих в слитках [28].

Таким образом, конфигурация слитка, определяемая отношением H/D, обуславливает особенности протекания кристаллизационных процессов и формирования макроструктуры. В свою очередь образование структурных зон слитка зависит от отношения двух параметров [33]:

ДТкр/5Т, (1)

где АТкр - интервал кристаллизации между Тликв и Тсол. отливаемого сплава;

5Т - градиент температур затвердевающих объемов слитка.

Если ДТкр определяется только типом применяемого сплава, то температурный градиент 5Т зависит, прежде всего, от геометрии отливаемого слитка, интенсивности теплоотвода и химического состава сплава.

В общем случае при уменьшении 8Т и наличии концентрационного переохлаждения затвердевание сплава происходит по объемному механизму кристаллизации с формированием равноосной структуры. При постоянстве параметра АТкр, возрастание 5Т и увеличение H/D (удлиненные слитки) будет приводить к интенсивному развитию последовательной кристаллизации и формированию протяженной столбчатой структуры [29].

Связь дефектов макроструктуры слитка с зональным его строением является следствием сочетания последовательной и объемной кристаллизации, вызываемой соответственно термическим и концентрационным

переохлаждением. Регулируя степень развития отдельных видов переохлаждения, подбором соответствующих параметров слитка, можно влиять на строение макроструктуры.

Зная зависимости, связывающие геометрические параметры слитков с формированием структуры, можно в первом приближении управлять процессом кристаллизации для получения оптимальной структуры слитка с минимальным количеством дефектов, что позволит сделать технологию ковки крупных слитков более эффективной и целенаправленной. Таким образом, отношение H/D является важнейшей интегральной характеристикой слитка, описывающей не только его геометрическую форму, но и определяющей особенности кристаллизации слитков различной �