автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование особенностей многоструйной разливки стали

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор литературы

1.1. Условия разливки и качество стального слитка

1.2. Жидкотекучесть и механизм остановки потока металлов и сплавов

1.3. Тепловые условия течения металла по литниковым каналам

ГЛАВА 2. Методика проведения экспериментов

ГЛАВА 3. Результаты исследований и их обсуждение

3.1. Определение глубины проникновения струи металла в слиток при разливке из стопорного койпа и через промустройство с литниковой системой

3.2. Определение гидравлических параметров спиральной пробы на жидкотекучесть

3.3. Определение теплофизических параметров а и е0 по показаниям спиральной пробы на жидкотекучесть

3.4. Расчет величины охлаждения стали в промустройстве

3.5. Определение коэффициента теплоотдачи от струи металла на воздухе

ГЛАВА 4. Разработка и опробование промышленного способа разливки спокойной стали через промустройство с литниковой системой

4.1. Расчет условий заливки, обеспечивающих охлаждение углеродистой стали до температуры нулевой жидкотекучести при заполнении нижней части слитка

4.2. Промышленные испытания ВЫВОДЫ

Качество готовой металлопродукции в значительной степени определяется технологией и способом разливки стали. Большое значение имеет улучшение технологии разливки металла в изложницы и повышение качества слитка.

Известные русские ученые Д.К.Чернов, А.С.Лавров, Н.В.Калакуцкий, Н.Т.Гудцов, А.А.Бочвар, В.А.Ефимов, Б.Б.Гуляев, Ю.А.Нехендзи [1-11] внесли большой вклад в изучение процессов затвердевания и причин образования дефектов поверхности и макроструктуры слитка.

Существующие способы улучшения качества слитка в процессе разливки стали идут в основном по следующим направлениям:

1. Подбор оптимальной конструкции изложницы, утеплителя и материала утепляющих засыпок;

2. Применение экзотермических шлакообразующих смесей, обеспечивающих наполнение изложницы под слоем шлака;

3. Охлаждение струи металла в жидких средах;

4. Модифицирование стали порошкообразными материалами в процессе разливки;

5. Применение промежуточных разливочных устройств.

Известно, что одной из главных причин неудовлетворительного качества поверхности и макроструктуры слитка является высокая кинетическая энергия вытекающей из ковша струи металла, которая, ударяясь в первоначальный момент о дно изложницы, вызывает брызги на ее стенки, что приводит к образованию плен на поверхности слитка. Образующиеся в процессе разливки циркуляционные потоки размывают корочку закристаллизовавшегося металла, особенно в нижней части слитка, что, наряду с другими факторами, способствует образованию продольных и поперечных трещин на поверхности слитка. Кроме того циркуляционные потоки жидкого металла, движущиеся снизу вверх у фронта кристаллизации и сверху вниз по центру слитка и достигающие величины порядка 1,5+2 м/с, затрудняют всплывание неметаллических включений, способствуют вовлечению вглубь слитка утепляющих засыпок, что приводит к ухудшению макроструктуры слитка. Для устранения вредного последствия высокой кинетической энергии струи металла на многих заводах, особенно при производстве кузнечных слитков, используют промежуточные разливочные устройства.

Применение в качестве промежуточного разливочного устройства металлической нефутерованной воронки с многоканальной литниковой системой позволяет значительно улучшить качество поверхности и макроструктуры слитка, а также снизить расход металла на головную обрезь. Так, например, при разливке рельсовой стали через металлические воронки в сквозные расширенные книзу изложницы без утеплителя получено значительное улучшение макроструктуры головных и донных частей слитков, а также снижение головной об-рези до 8-10 % против 14-16 % по существующей технологии [12]. Это свидетельствует о том, что при охлаждении разливаемого металла в воронке прому4 стройства и в струях на воздухе создаются условия, оказывающие существенное воздействие на дальнейший характер кристаллизации стального слитка.

В связи с вышеизложенным в данной работе ставится задача: разработать методику расчета параметров промустройства с учетом охлаждения металла в струях, обеспечивающих поступление стали в изложницу с заданным количеством твердой фазы, не превышающем нулевую жидкотекучесть. 5

выводы

1. Одним из эффективных способов устранения влияния вредных последствий высокой кинетической энергии струи металла на качество слитка является применение промежуточных устройств с литниковой системой, устанавливаемых на изложницу. Это позволяет примерно в 10 раз уменьшить глубину проникновения струи и значительно уменьшить циркуляционные потоки в процессе наполнения изложницы.

2. Показана возможность использования спиральной пробы на жидкотеку-честь для измерения теплофизических величин и расчета параметров литниковых систем.

3. Определена зависимость количества твердой фазы, останавливающего поток стали при течении по литниковым каналам, от содержания углерода в стали.

4. Разработаны методики определения коэффициента теплоотдачи от металла к поверхности литниковых каналов и от струи металла на воздухе.

5. Разработан метод расчета величины объемной усадки металла в слитке с учетом охлаждения в промустройстве и в струях на воздухе.

6. Разработан метод расчета температуры металла на выходе из промуст-ройства, а также величины охлаждения металла в струях на воздухе.

7. Разработана методика расчета на ЭВМ параметров промустройства и температурного градиента по высоте слитка к моменту окончания заполнения изложницы. Найденный температурный градиент по высоте слитка может использоваться в качестве исходных данных для расчета затвердевания слитка.

8. В результате проведенных исследований в мартеновских цехах КМК и Иркутского завода «ИЗТМ» показано, что при разливке через промустройство с литниковой системой расход металла на головную обрезь снижается на 20 ч-30 %.

9. Внедрение результатов работы в литейном цехе ИЗТМ при производстве кузнечных слитков позволило получить экономию около 45 тыс. рублей в год в ценах 1990 г. за счет увеличения выхода годного на 4 %.

112

1. Чернов Д.К. Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок. Сообщение в Русском техническом обществе 2 декабря 1878 г.

2. Лавров A.C. «Артиллерийский журнал», 1866, № 10, 11.

3. Калакуцкий Н.В. «Артиллерийский журнал», 1867, № 5, 7, 9, 10.

4. Гудцов Н.Т. Физическая металлургия стали, ЛПИ, 1940.

5. Бочвар A.A. Металловедение, металлургиздат, 1975.

6. Ефимов В.А. Стальной слиток. М. Металлургиздат, 1961.

7. Ефимов В.А. В сб. «Разливка стали и формирование слитка». Труды I конференции по слитку. «Металлургия», 1966.

8. Процессы разливки стали и качество слитка. Сборник научных трудов. АН.УССР. инст. проблем литья. Под редакцией В.А.Ефимова. Киев. 1989.

9. Гуляев Б.Б. Затвердевание и неоднородность стали. Металлургиздат, М-Л. 1950.

10. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов. Л. Машиностроение. 1976.

11. Нехендзи Ю.А. Стальное литье. Металлургиздат, М., 1949.

12. Климов В .Я. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. г. Новокузнецк, 1973.

13. Проблемы стального слитка. Сборник научных трудов. АН.УССР. Институт проблем литья. Под редакцией В.А.Ефимова. Киев. 1988.

14. Разливка стали в изложницы и качество слитка. Тематический сборник научных трудов. Институт черной металлургии: М., Металлургия, 1989.

15. Скребцов A.M. Конвекция и кристаллизация металлического расплава в слитках и отливках. М., Металлургия, 1993.

16. Пикунов М.В. Плавка металлов. Кристаллизация сплавов. Затвердевание отливок. Учебное пособие для ВУЗов., М., МИСиС, 1997.

17. Шмрга Любомир. Затвердевание и кристаллизация стальных слитков (пер. с чешского) М., Металлургия, 1985.

18. Китаев Е.М. Затвердевание стальных слитков. М., Металлургия, 1982.

19. Малевич Ю.А., Самойлович Ю.А. Теплофизические основы затвердевания отливок и слитков. Минск, Вышэйш. шк. 1989.

20. Шулепникова А.Г., Штремт М.С., Копцова Н.В. Строение стальных слитков и непрерывно литых заготовок. Учебное пособие, Магнитогорск, 1993.

21. Тодаров Р.П., Пешев П.Ц. Дефекты в отливках из черных сплавов. М., Машиностроение, 1984.

22. Арсов Я.Б. Стальные отливки. Перевод с болгарского. М., Машиностроение, 1977.

23. Марченко И.К., Бровман М.Я. Производство крупных стальных слитков., -М., Металлургия, 1980.

24. Вопросы теории и практики разливки стали в изложницы. Тематический сборник научных трудов. Институт черной металлургии, М., Металлургия, 1988.113

25. Повышение качества стальных слитков. Сборник научных трудов. АН.УССР. Институт проблем литья. Под редакцией В.А.Ефимова. Киев, 1988.

26. Легенчук В.И., Ефимов В.А., Синица В.Н. и др. В сб. «Физико-химические и теплофизические процессы кристаллизации стальных слитков». Труды II конференции по слитку. Металлургия, 1967.

27. Казачков Е.А., Мосюра Л.И., Липка Н.П. Механизм формирования донной части крупных стальных слитков. Изв. ВУЗов 4M, 1981. № 1.

28. Ефимов В.А. Влияние внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл. «Сталь». 1988. № 4.

29. Мадянов A.M. Суспензионная разливка стали. Изд-во «Металлургия», 1969.

30. Nakagowa T., Takebayashi Y. Solidification simulation of light alloy casting. Keikinzoku, 1986. № 7.

31. Павловцева Н.И., Параманчик И.Б., Сорокин A.A., Яковлев Ю.Н. В сб. «Физико-химические и теплофизические процессы кристаллизации стальных слитков». Труды II конференции по слитку. Изд-во «Металлургия», 1967.

32. Куманин И.Б. Вопросы теории литейных процессов. Машиностроение, 1976.

33. Малиночка Я.Н., Титова Т.М. Конус осаждения в слитке спокойной стали. «Сталь». 1989. № 11.

34. Таран Н.И., Климов В.Я., Сысоев В.Ф., Агрызков Л.Е., Антонов В.П., Швидков Н.И. Влияние струи металла из ковша на коэффициент расхода литниковой системы. Изв. ВУЗов. 4M. 1975, № 6.

35. Рабинович Б.В. Введение в литейную гидравлику. М., Машиностроение, 1966.

36. Флеминге М. Процессы затвердевания. М., «Мир», 1977.

37. Куманин И.Б. Литейные свойства сплавов. «Литейное производство», 1980, №2.

38. Чугаев P.P. Гидравлика. Л., Энергоиздат, 1982.

39. Lips Е.М. und Nipper H.A. Untersuchungen über den Einfluss der Kristallausscheidung auf die Fliesseigenschaften von Schmelzen. «Giesserei», 1938, № 15.

40. Poitevin A. et Bastien P. Facteurs principaux de la coulabilite des métaux purs. «Comptes Rendus des seances de 1 Academie des Sciences», 1932, t, 194, № 7.

41. Орлова Т.И. Исследование скорости течения металла по каналам литейной формы. Сб. «Гидродинамика расплавленных металлов». Изд-во АН.СССР, 1958.

42. Орлова Т.И. Осциллографический метод измерения скорости движения металла в литейной форме. «Литейное проивздетво», 1954, № 7.

43. Таран Н.И. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. Новокузнецк. 1966.

44. Зайцева Л.П. Тр. Ленинградского политехнического института, № 180, М., Металлургиздат, 1955.

45. Шеметев Г.Ф., Лебедев К.П. Сб. «Исследование литейных процессов и сплавов». Тр. Л.П.И. № 319. М., Металлургия, 1971.114

46. Doherty R.D., Melfold D.A. J. Jron and Steel Just, 1967, № 9.

47. Spear R.E., Gardner G.R. Modern Gastings, 1960, № 1.

48. Назаратин B.B., Василевский П.Ф. «Литейное производство», 1972, № 12.

49. Гаврилин И.В. Механизм текучести литейных сплавов. «Литейное производство», 1998, № 9.

50. Колядина Н.Ю., Матвеев Ю.Е., Борисов В.Т. Исследование течения междендритной жидкости в двухфазной зоне металлических сплавов. Изв. ВУЗов. 4M., 1981. №7.

51. Дмитриев A.M. Расчет объемной доли твердой фазы в жидко-твердой зоне слитка. Изв. ВУЗов, 4M., 1991. № 1.

52. Огурцов А.П., Самохвалов С.Е. и др. Моделирование кристаллизации слитка с учетом гидродинамики твердо-жидкой фазы. Изв. ВУЗов. 4M., 1995. № 3.

53. Штейнберг С.С. Металловедение. Гостехиздат, Свердловск, 1961.

54. Тимофеев Г.И. Механика сплавов при кристаллизации слитков и отливок. М., «Металлургия», 1977.

55. Попов A.A. Фазовые превращения в металлических сплавах. М., Метал-лургиздат, 1963.

56. Зильбер М.К., Черногоров П.В. Температуры перехода к нулевой жидкоте-кучести чугунов с различными углеродными эквивалентами. «Литейное производство», 1977, № 9.

57. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., Изд-во «Энергия», 1977.

58. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. 4.1, М., «Машиностроение», 1976.

59. Чистяков В.В. Методы подобия и размерностей в литейной гидравлике. М., Машиностроение, 1990.

60. Швец И.Т., Толубинский В.И. и др. Теплотехника, «Вища школа», Киев, 1976.

61. Вейник А.И. Тепловые основы теории литья. М., Машгиз, 1953.

62. Галкин М.Н. Тепловые условия течения металла в каналах литейной формы. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. МАТИ, М., 1956.

63. Абкувер И.С. Длительность заливки металла в песчаные формы. 24 международный конгресс литейщиков, Машгиз, 1960.

64. Рабинович А.Р. Литейные свойства, определяющие способность сплава к заполнению формы. «Литейное производство», 1970, № 7.

65. Рабинович А.Р. Возможность сопоставления проб на жидкотекучесть. «Литейное производство», 1971, № 10.

66. Таран Н.И., Храпов А.Я., Климов В.Я. В кн. Материалы предстоящей юбилейной конференции по литейному производству. Новокузнецк, СМИ. 1970.

67. Дубицкий Г.М. Литниковые системы. М. Машгиз, 1962.

68. Diepschlag Е., J.Gzikel. Die giess und anschnittechnik in den Giesserein, Verl. V.K. Knapp, Halle, 1949.

69. Гуляев Б.Б. Литейные процессы. Машгиз, М-Л, 1960.

70. Басин A.C., Вашуков И.А., Колотов Я.Л., Станкус С.В. Закономерности изменения объема и плотности серых чугунов при первичной кристаллизации. Новосибирск, 1980. АН.СССР. Сибирское отделение. Институт теплофизики.

71. Вейник А.И. Теория затвердевания отливки. М., Машиностроение. 1960.

72. Вейник А.И. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. М., Ме-таллургиздат. 1956.

73. Чистяков С.Ф., Радун Д.В. Теплотехнические измерения и приборы. М., Высшая школа. 1972.

74. Лапп Г.Б., Попова Д.И. Некоторые термометрические свойства вольфрам-рениевых термоэлектрических материалов. М., «Измерительная техника», 1963. №11.

75. Таран Н.И., Климов В.Я., Сысоев В.Ф., Агрызков Л.Е., Антонов В.П., Швидков Н.И. Определение коэффициента теплопередачи по показаниям спиральной пробы на жидкотекучесть. Изв. ВУЗов. 4M., 1975. № 8.

76. Сапко В.Н., Ефимов В.А., Гребенюк В.П. и др. В сб. «Физико-химические и теплофизические процессы кристаллизации стальных слитков». Труды II конференции по слитку. Изд-во «Металлургия», 1987.

77. Басин A.C. Плотность расплава и усадка при кристаллизации литейных чугунов и сталей. «Литейное производство». 1982. № 3.

78. Таран Н.И., Храпов А .Я. Изв. ВУЗов. 4M. 1965. № 8.

79. Diepschlag Е., Gzikel J. Die Giess und Anschnittechnik Kere., V.K. Knapp, Halle (Saale), 1964.

80. Голод B.M. Теория литейных процессов. Учебное пособие, Изд-во Л.П.И., Л., 1983.

81. Таран Н.И., Климов В.Я., Сысоев В.Ф., Агрызков Л.Е., Антонов В.П., Швидков Н.И. Определение величины охлаждения металла в струях при разливке стальных отливок и слитков через воронки с литниковой системой. Изв. ВУЗов. 4M., 1975. № 4.

82. Колосов М.И., Строганов А.И., Смирнов Ю.Д., Охримович Б.П. Качество слитка спокойной стали. Изд-во «Металлургия», 1973.

83. Таран Н.И., Климов В.Я., Сысоев В.Ф., Агрызков Л.Е., Антонов В.П., Швидков Н.И. Влияние струи металла из ковша на коэффициент расхода литниковой системы. Изв. ВУЗов. Ч.М., 1975, № 6.

84. Таран Н.И., Крестьянов В.И., Климов В.Я., Антонов В.П. О нулевой жидко-текучести металлов и сплавов. Изв. ВУЗов. Ч.М., 1999, № 12.116