автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование влияния пульсационного перемешивания на макродефекты и загрязненность неметаллическими включениями крупных слитков и отливок

РГ6 од

г / шлп «МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

5 / ОП ¡-^

ДОНЕЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи ЧЕРНОБАЕВА Татьяна Викторовна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПУЛЬСАЦИОННОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ НА МАКРОДЕФЕКТЫ И ЗАГРЯЗНЕННОСТЬ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ КРУПНЫХ СЛИТКОВ И ОТЛИВОК

Специальность 05.16.01 — «Металловедение и термическая обработка металлов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ДОНЕЦК — 1993

Расша вшюднеаа а Донецком ордена Трудового Красшго Знаки шиш-техническом институт.

Научные руководители Г академик АИН Украины," доктор твхш-чвоких наук, профессор Бычков 0.Б.

кандидат технических наук, доцент Слирнов А .Ы, .

Официальные ощюнэнты: чдэи-коррвоаоыдант АН Украшш, докт< •гихническшс наук, профессор Повняк Л.л.', кандидат технических нау] доцент Лвйрих И.В.

Ведущее предприятие; концерн "Азовмаш" (г.Царнудаль).

Защита состоится г. в еуд. 31

пятого учебного корпуса в .... часов на заседании спецаализирова. ного совета Л 068.20.01 в Донецком ордена Трудового Красного Знамэ: подитвхшивокоц института.

Адрес: 340000, г.Донецк, ул.Артека, 58.

С диссертацией южно ознакомиться в сшйлиотвкэ Донецка политехнического института.

Автореферат разослан ""(г^.. ..... .1993 г.

Ученый секретарь апыциализированного совета, йомиор технических наук

Поди, в печать/А«Ш Формат (¡0Х847|е. Бумага печаг

Усл. кеч. л ¿¡$3 • У'Л. кр.-огт. V, 4 \ 6 . Уч -изд. я. 0,4л, , Тираж У0О эк Закат ЛЧ'<И

Донецкий полни хническнй институт, 310000, Донецк, ул. Артема, 58.

ДМ11П, 340050, Донецк, ул. Артема, 011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальности работы. Одной из основных тенденций развития современной металлургии и машиностроения является ужесточение требований к качеству металлопродукции за счет повышения аксилуатацгоннш характеристик стали. В настоящее время особую актуальность приобретает технологические приемы, обвспвчиващив рост показателей механических и физических свойств в рамках уже используемых марок ствлэй.

Важным условием, обеспечивающим требуемые свойства металлопродукции, является полумиле слитков и отливок высокого качества, которое во многом связывается с подавлением дефектов усадочного и ликвационного характера. Для повышения качества стали обычно исполъзуится разнообразные технологические приему. сущность которых заключается в регламентации характеристик исходных шихтовых материалов, с одной стороны, и широком использовании методов внепвчной о"работки стали в ковше или в ходе технологических переливов, о другой стороны. Однако при производстве крупных слитков и отливок эффективность этих методов весьма ограничена в силу того, что развитие усвдочных и ликвационвых дефектов, в нервув очередь, зависит от условий затвердевания а массы металла в форме.

Следовательно, разработка' и внедрение методов, позволявшие управлять п^/оцессвми затвердеваний и обеспечивающих повышение физической и химической однородности слитков и отливок, является актуальной проблемой, решение которой обеспечит повышение качества и цадеяности различных деталей большой массы, входящих в машины и агрегаты ответственого назначения.

Цель работы. Разработка основных принципов управления качеством крупных слитков и отливок в процессе затвердевания о помощью методе*» принудительного перемешивания жидкой фазы и выбор рациональных режимов применительно к пульевционному перемешивании.

Научная новизна. Изучена возможность управления качеством крупных слитков и отливок с помоги Методов перемешивания металла в процессе затвердевания для предотвращения образования й подавления дефектов кристаллизационного и ликвационного происхождения. Проведена комплексная количественная оценка развития химической неоднородности на макроуровне в металле крупных слитков и отливок и установлена вакоаомернооть влияния пульовциояпого перемешивания ira образование макросегрегаций. разработана методика оценки загрязненности стали неметаллическими включениями, основанная на

3

стереологической реконструкции их распределения. Исследовано влияние пульсационного перемешивания на морфологии, состав и распределение неметаллических вклштений в кузнечном слитке и зависящие от этого фшзико-мвханические свойства. Реализован в промышленных условиях метод пульсационого перемешивания жидкой фазы затвердевающего металла слитков и отливок.

На защиту выносятся:

результаты комплексной коли*, ственной оценки макродефектов кузнечных слитков и прибылей крупных стальных, жидкая фаза которых подвергалась пульсационному перемошивашш при затвердевании;

положения о закономерностях влияния перешшщшния жидкой фазы затвердввакщего металла как способа управления кристаллизационными и ликвационными процессами в крупных слитках п отливках;

методика количественной оценки чистоты стали с помощью стерео-логической реконструкции распределения неметаллических включений;

результаты исследования влияния пульсационного перемешивания на загрязненность отели нэмвталличвокими вшшчоншши.

Практическая ценность. Предложены принципы управления качеством слитков и отливок с использованием пульсационного воздействия нв аидкую фазу в зависимости от назначения изделия. Технология внедрена в сталелитейном цехе Краматорского завода "Энергомашспецсталь". Использование технологии обеспечило уменьшение себестоимости отливки в среднем на 20,25 руб./т (в ценах 1990г.).

Разработана методика оценки чистоты стали, поаволящая осуществить полный статистический анализ распределения в ней неметаллических включений. Методика имеет особое практическое значение с точки зрения сравнительного анализа загрязненности стали, так как позволяет учитывать мелкие. неметаллические включения, выявление которых с помощью оптического микроскопа затруднено.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 8 научно - технических конференциях различного уровня, в том числа -отраслевой молодежной научно-технической конференции "Научно -технический прогресс в производстве ферросплрчов и электростали" (Челябинск, 1988), межреспубликанской научно-технической конференции "Передовой опыт производства стали, ев внепечной обработки, базливки в слитки и получения кузнечных заготовок" (Волгоград, 1989), У1 научно - тегнической конференции молодых ученых и специалистов "Прогрессивлие литейные технологии и материалы" (Киев, 1989), XI Всвсоюзш 5 конференции по проблемам слитка "Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов" (Волгоград, 1990), П Всесоюзной ннучно-таюшческой конфорвнция "Совершенствование металлургических технологий в машиностроении" (Волгоград, 1991).

Щбликащш^ Основное содержание диссертации отражено в 7

"научных статьях к 6 авторских свидетельствах.

Объем работы. Диссертация состоит из ввэдэшм, 5 глав, выводов, списка литератур"? (136 наименований), 2 приложений. Работа изложена на 100 страницах текста, содаржйт 49 рисуйков и 20 таблиц.

Первая глава носвящвна анализу современных методов повышения качества металлопродукции на стадии производства кузнечных слитков и крутых стальных отливок. Отмечено, что в основе происхождения и развития дефектов макроструктура лежит массоперэнос в оОге;/ч слитка или заготовки, вызывавший сегрогацшо, термическую усадку и термическую конвекции. Степень развития дефектов строения литых сплавов определяется структурой фронта кристаллизации и процессами, обусловливаниями формирование кристаллического строения слитка или отливки.

Неоднородность дендритного строения, возникающая в процессе затвердевания сплава в двухфазной зоне служит источником рвзчития "а" и "v''-сегрегаций, которые могут быть и результатом преобразования конвективными потоками в шнуры объемов обогащенной ликватами етдкости. С процессом формирования слитка, его макроструктурой и дефектами тесно связано распределение неметаллических включений. Неметаллические включения могут быть основной причиной резкого изменения механических свойств металла. При втом особое внимание уделено понятии чистоты стали, подразумевающему вероятность стойкости стали к разрушению, обусловленному химическим составом, морфологией, размерами и распределением включений.

Выполненный анализ существующих методзк качественной и ..оличественной оценки загрязненности стали неметаллическими включениями показал, что большинство из них носят условный характер и имеют ограниченные возможности. Показано, что для получения объективной информации необходимо исследовать значительный объем параметров, которые характеризовали бы неметаллические включения, в том числе химический состав, морфологию, расположение, количественные показатели (размеры, количество и т.д.) и пр. Получение количественных показателей распределения отметаллических включений в значительной степени связывается со статистическими катодами. Получаемая при втом статистическая кривая дает информации о распределения неметаллических включений по размерам. Вместо с тем известные методы статистической оценки не учитывают тэ неметаллические включения, которые не фиксируются при подсчете пз-эа разрешающей способности микроскопа, что затрудняет оценку точности проводим исследований особенно в условиях сопоставительного анализа,

Б

Анализ источников возникновения дефектов и путей их предотвращения показывает, что в общем случав в качестве главных управляющих факторов можно принять направленна и интенсивность конвективных пото ков, характер перемещения и количество твердой фазы в жидкой ванна слитка и их взаимодействие мевду собой. В атом плане резервом повышения качества слитков и отливок в рамках сущвствуыдего сталеплавильного производства может бить применение методов внепечной обработки жидкой стали и наложения принудительного воздействия в ходе затвердевания. При этом основной аф!вкт может быть достигнут за счет рафинирования металла и модифицирования неметаллических включений.

Специфические особенности затвердевания кузнечных слитков и крупных отливок (большая масса металла, продолжительное затвердевание, строгая регламентация отдельных видов дефектов и пр.) в целом достаточно серьезно ограничивают выбор методов перемешивания расплава. Так, например, применение высокоэффективного метода электромагнитного перемешивания, широко используемого для повышения качества непрерывнолитнх заготовок, представляется весьма проблематичным в силу ограниченной глубины проникновения электромагнитного перемешивания в расплав. Вместе с тем, с точки зрения организации направленных циркуляционных потоков расплава в жидкой ванне _ слитка весьма аффективным может быть метод пульсационного перемешивания, звключащийся в периодическом вытеснении порций металла из погружаемой в прибыль огнеупорной трубы. При размещении огнеупорной трубы вдоль вертикальной оси слитка макет быть достигнуто подавление термогравитационной конвекции Овз вовлечения в перемешивание верхнего слоя металла в прибыли.

На момент начала работы основные исследования по пульсационному перемешивании металлургических расплавов были направлены на рациональную организацию непосредственного процесса перемешивания и оптимизацию основных рабочих параметров агрегатов. В связи с отсутствием комплексных металлографических исследований тю влиянию пульсационного перемешивания на качество слитке в нестоящей работе были поставлены следующие задачи:

изучение влияния пульсационного перемешивания при затвердевании на образование усадочных дефектов и формирование макроструктуры крушшх свитков и отливок;

оценка развитая химической неоднородности на макроуровне и установление закономерности влияния внешнего воздействия на образование мякросогрегаций в кузнечных слитках;

С.

разработка методики оценки загрязненности стали неметаллическими включениями и изучение влияния пульсационного воздействия на рчспределение включений в слитке;

промышленное освоение и внедрение результатов исследований.

Во второй гляеэ обоснованы выбор объекта и методики проведения исследований, включающие оценки мвкродефектов, макроструктура и загрязненности стали неметаллическими включениями.

Исследования выполнены на слиткзх массой до 51 т из низколегированных марок сталей (22К, 20ХН, 34ХШМ, 40ХН) и крупных многоприбыльных отливках с массой прибылей примерно равной массе прибылей опытных слитков. Такой выбор объектов исследований объясняете;. возможностей обеспечения сравнительного анализа влияния пульсвцион-ного перемешивания на процессы затвердевания больших мэгс металла, имеющих различные геометрические, размеры. Помимо этого принципиальным отличием затвердевания слитков и корпусных отливок является отсутствие мрсоообмвна мэжду прибыли) и т.,лом в лоольдивм случае.

Предварительнуп оценку влияния пульсационного перемешивания на формирование с^тков осуществили с помощью прозрачной физической модели (в качестве модельного вещества использовался тиосульфат натрия). Сравнение процесса затвердевания модальных слитков, затвердевавших баз воздействия и о дополнительным пульсациопным перамешиванш. л, позволило установить, что главной особенностью пульсационного воздействия является формирование: а) стабильных циркуляционных потоков расплава, движущихся вертикально вниз вдоль геи слитка и вертикально вверх вдоль фронта затвердевания; б) зоны пульсирующей турбулентности, огранич нной нисходящими и восходящими потоками; в) зоны замкнутых циркуляционных потоков, расположенной вне а нижнего среза погружаемой труби. Кромэ того, характерной особенностью формирования пульсирующей струи является всасывание металла из зон, прилагающих непосредственно к нижнему срезу трубы.

Проведенные модельные эксперименты позволили качественно изучить процесс затвердевания слитков лря наложении пульсационного воздействия И показали, что для выполнения корректных металлографических исследований необходимо иметь количественную информацию о расположении и протяженности зон металла, затвердевшего в годэ воздействия.

Для оценки влияния пульсационного воздэйстэия па , ход затвердевания сплавов и формирование структуры слитков и отливок принят комплексный подход, учитывающий процессы, происходящие как яа

7

цакро-, так и не макроуровне.

Изучение макродафектов кузнечных слитков и крупных стальных отливок проводили по следующей схеме: а) усадочные дефекты (глубина проникновения и угол раскрытия усадочной раковины, плотность металла из различных зон слитков и отливок); 0) ликвационные характеристики (глубина проникновения и угол раскрытия конуса подусадочной ликвации; глубина проникновения, диаметр, длина и угол раскрытия шнуров "V-сегрегации; размещение относительно зон затвердевания слитка шнуров "«"-сегрегации, их длина, диаметр, угол наклона и количество; высота, угол раскрытия и объем конуса отрицательной ликвации; распределение ликвирушцих элементов и газов на оснош данных химического анализа и математических расчетов); в) макроструктура выявление и измерение протяженности различных структурных зон в заготовке, угол наклона столбчатых кристаллов

относительно горизонтальной шшокоати, ородиля площадь макроверав,

величина дендритного параметра).

Для оценки изменения загрязненности стали в работе предложена методика стереологичвской реконструкции распределения неметаллических включений. Методика основана на гипотезе о логнормальном распределении эквивалентах диаметров неметаллических включений. При атом конечная информация о чистоте стали предотавлявтоя в виде кривой распределения диаметров включений, полученных на основании статистической оценки. Для построения кривой распределения вся выявленная совокупность включений (отдельно сульфада и оксида) делится по размерам на интервалы. Функция

гда ^ и 6г - соответственно среднее арифметическое значение и среднеквадратичное отклонение логарифмов для центров интервалов. Проварка соответствия исходных эмпирических данных логнормяльному закону распределения осуществляется по критериям ^ их.

Последующие преобразования заключаются в стереологичвской реконструкции ш годных данных с учетом результатов химического анализа на содер^чний серы или кислорода в исследуемой пробе. Графическая схема получения дополненной кривой логнормального распределения размеров неметаллических включений и блок-схема алгоритма .расширения исходной кривой представлены на рисЛ и 2 соответственно.

плотности логнормальпого распределения описывается выражением:

(I)

Схема получения теоретической дополненной кривой распределения размеров неметаллических вшшчвний

Средний АНвмотр включении, мкм Рис Л

В процессе разработки методики выполнены иследования, позшлящиэ рекомендовать рациональные значения увеличения микроскопа, размеров исследуемого поля шлифа и располокания полей обзорл да поверхности шлифа. Гак, при исследовании загрязненности кузнечных слитков и крупных отливок оксидами и сульфидами оказывается достаточным увеличение 300х при осмотре по крайней мере 5% шющада поверхности шлифа. Обычно на исследуемом участке шлнфэ выбирается ряд полей обзора, расположение которых может зависеть от задач исследования и уровня загрязненности стали. Для получения информации о загрязненности стали оксидами предпочтение отдается подсчету вюшчвний путем непрерывного сканирования по всей площади исследуемого поля. Поскольку большинство сульфидов образуется в микрообъемах мевдендритного пространства, для количественной оценки

9

Едок-схема алгоритма расширения исходной кривой логнормального распределения размеров неметаллических включений

Ввод исходных данных: диаметр и частота включений; площадь исследуемого поля; масса элемента по химическому анализу_

X

Расчет теоретической кривой распределения _по уравнению (I)_

Расчет критериев Хг~

Проверка теоретической кривой на -логнормальность по Г

нат

—нет

_ 1 да _

"Расчет массы серы (кислорода) по исходным эмпирической и теоретической кривым методом стереологической реконструкции

X

Выбор шага и коэффициентов расширения исходной теоретической кривой

__у _______

(" Расчет дополненной кривой распределения * ' Расчет асимметрии Р, и эксцесса с>г ~

Проверка соответствия дополненной "кривой данным хим. аяалияа-

Вывод результатов расчетов_на печать. Рис. 2

[П

можно рркомввдовать шахматноь располоавниэ полей обзора, размеры которых соответствуют двндрйт тому параметру.

Проверка точное и оценки распределения размеров неметаллических включений с помощьи дополненной логнормальной кривой, учитывающая вышеперечисленные особенности ее получения и проведанная в сравнении с результатами подсчота сульфидов и оксидов при увеличения микроскопа 1000х, показала совш:.;,енив исходной (увеличение 1000х) и дополненной теоретической (увеличений ЗСЮ*) кривых на S0-985S.

В третьей глава приведены результата изучения процесса формирования макроструктуры крупных слитков и отливок при цульсационном воздействии. Учитывая, что при производство кузнечных слитков особое внимание уделяется контролю глубины залегания усадочных дефектов, исследования выполнялись в два этапа:

оптимизация времени пульсеционного воздействия по продольным осевым темплетам прибылей слитков и отливок;

оценка влияния пульсационной обработки по' продольному осевому темплету всего кузнечного слитка.

Анализ усадочных дефектов показал, что глубина усадочной раковины зависит.от длительности пульсационной обработки к глубины погружения в расплав огнеупорной трубы. Как показалл исследования, аффект пульс ационного воздействия начинает проявляться при превышении длительности обработки 0,08 периода затвердзвашш. Увеличение на длительности воздействия до 0,35 пориодв ввтвЕфдьввния может приводить к образовании дополнительной ликвацконной зоны в головной части слитка. При этом наилучшие результаты получены для 34-тонных кузнечных слитков из стали 20ХН, длительность обработка которых на превышала 0,2 полного времени затвердевания. Разница в глубине проникновения усадочной раковины в опытном слитие (Д) относительно сравнительного слитка (С) составила 37,

Указанные выше слитки были выбраны для проведения комплексных исследований влияния пульсационной обработки. Отбор проб осуществлялся на пяти уровнях продольного сечения слитков в соответствии с расчетными данными о продвижении фронта затвердева'шя. Исследовался металл из зон, затвердевших до начала, в процессе и по окончании пульсационной обработки.Опроделеаив плотности металла указанных еон показало, что физическая однородность слитка, затвердевшим в условиях перемешивания, повысилась на 0,4% (причем колебышл значений плотности уменьшились по всему сочониы). Оценку расположения ликва-ци-лчншг зон цроподиии на rtnaa oopnux отночпиган но Эвумпну, имяукш ■

II

них с продольных осэвых темшютов. дефектов в слитках приведены ниже.

Подусадочная сегрегация: расположение зоны протяжашость, мм угол раскрытия, град •^-сегрегация: ,

глубина залегания, мм угол раскрытия, град

диаметр шнуров, мм длина шнуров, мм иА"-с0гр0ггция (слитон/прибнль): суммарная длина шнуров, ми. диаметр шнуров, ш угол наклона шнуров, град количество шнуров, шт Конус осавдсшя: высота, мм угол раскрытия, град объем, мм3

Результаты оценки ликвационных Слиток С Слиток Д

в слитке 168 53

1535 90-110 о,Б-е,о 10-125

21418/2699 (2-11)/(2-6) 8,5/2,0 305/41

Б80 95 0,143

в прибыли 85 75

1190 75-95 0,6—3,0 5-50

16949/3846 (1-12)/(3-10) 12,5/10,0 260/54

775 120 0,244

Химический анализ, выполненный на приборах Ага--зюоос, сз 244 к оксхалографе еа-1, а такжа результаты математических расчетов подтвердили вынос положительно ликвирувдих элементов в прибыль опытных слитков и отливок. При этом использование пульсационного воздействия для обработки прибылей отливок обеспечивает повышение химической однородности в их нижних горизонтах.

Анализ макроструктуры тешлетов проводился после глубокого травления и снятая серных отпечатков. В опытном слиткв зона столбчатых кристаллов имеет меньшую протяженность (85...100 мм), чем в сравнительном (НО...130 мм). Отмечено заметное увеличение угла наклона осей столбчатых кристаллов а (с 15...28° до ВО...35°). Другие параметры . хш столбчатых кристаллов (скорость кристаллизации v, дэвд-ритный параметр, с^ и средняя Площадь кристалла б) почти на меняются.

Следует тагам отметить значительное влияние пульсационного воздействия на формирование зоны равноосных кристаллов. В большей степени это проявилось в уменьшении размера верен б (со 170...240 мм2 до 130...175 мм2) и значения дендритного параметра ^ (с 1,8...2,3 мм до 1,4...1,9 мм), а также в некотором увеличении

12

скорости кристаллизации V слитка (с 0,15...О,23 см/миц до 0,20...0,32 си/мин).

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о положительном влиянии пульсационного перемешивания на формирование слитка. При этом наблвдается смещение расположения теплового центра в зависимости от места пршкжвния пульсационного воздействия, что подтверждается изменением угла наклона осей столбчатых кристаллов. Кроме того, уменьшение протяженности зоны столбчатых кристаллов и отсутствие шнуров внецентрвшюй ликвации в зоне, затвердевшей непосредственно в процессе обработки, слвдует связывать о восходящими конвективными потоками вдоль фронта затвердевания, которые формируется в результате принудительного перемешивания. Фактически эти потоки способствуют такта выносу обогащенного ликватами и примесями металла в прибыль слитка.

Следовательно, принудительное перемешивание жидкой-фазы слитков (ложно рассматривать как фактор, управляющий качеством слитка при соответствующей регламентации интенсивности перемешивания, направленности циркуляционных потоков а длительности воздействия.

Четвертая глава посвящена анализу влияния пульсационного перемешивания на загрязненность стали неметаллическими включениями. Отмечено, что образование оксидов и сульфидов разделено во времени. Большинство оксидов формируется при легировании, раскислении и разливке стали. Поэтому распределение и морфология оксидов могут служить основой для првдставлзния о развитии массопервноса в слитка и, как следствие, коагуляции включений. Сульфиды, главным образом, выделяются меаду ветвями дендритов в ходе затвердевания слитков. Вследствие етого по данным качественной и количественной оценки оуль фидов и оксисульфидов можно судить о динамике затвердевания слитка.

Предварительную оценку морфологии и характера' расположения неметаллических включений проводили на образцах из прибыльных частей слитков и отливок. При этом качественный и количественный состав включений в слитках определяли с помощью рентгеюспектрального микроанализатора "сатеЬах", а я отливках - на алектрониом микрозондв "лео! 733 - лсхй". Установлвно, что, как в опытных, так и в сравнительных прибылях слитков и отливок кислород и сера в основном связаны в оксисульфиды. Отличительной особенностью включений а опытных прибылях было то, что на сульфидной подложке (типз*пРоз) расположены не один, а несколько мелких оксидов (ам2 или д12о3). Такие конгло мераты, видимо, являются результатом коагуляции включений вследствие

13

турбулизации конвективных потоков, вызываемых перемешиванием.

Для расширения информации о влиянии п -замешивания на морфологию включений на образцах металла из слитков Си Д (сталь 20ХН) производился качественный и количественный анализ состава включений.

Отличительной особенностью расположения оксидов в опытном слитке было их повышенное содержание в головной части. Наиболее характерными являлись, как и в прибылях опытных отливок, оксисульфидные конгломераты, служащие доказательством положительного влияния пульсационного перемешивания на укрупнение оксидов и их вынос циркуляционными потоквми в прибыль.

Сульфиды в опытном слитке выделены в виде обособленных частиц и изредка в виде скоплений. Качественный и количественный анализ состава включений выявил в них более высокое содержание марганца (ла 2,1..-4,0%), чем в сульфидах сравнительного слитка. Оценка морфологии сульфидов, проведенная в соответствии с классификациями К.Симсв и Й.Цто, показала, что в металле, затвердевшем в ходе пульсационного перемешивания, практически полностью отсутствуют сульфида П типа (колониальные) и появляются сульфиды Ш типа (многогранные), отсутствующие в образцах металла из сравнительного слитка. Результаты оценки морфологии сульфидов и выполненного статистического анализа позволили установить, что с повышением скорости затвердевания стали (0,23...0,30 см/чин - в опытном слит.о и 0,18...О,25 см/мин - в сравнительном) число неколониальных сульфидов. I, Ш и X типов возрастает, а число колониальных сульфидов П типа уменьшается. Такое изменение морфологии неметаллических включений в опытном металле свидетельствует об увеличении их пластичности, что повышает пластичность отели в цеАом.

Определение пластичности стали из исследуемых слитков С и Д поводили па пластомере фирмы "бетавам" при температурах начала (1280°С), окончания горячего деформирования (950°С) и промежуточной (Н00°С). Для: всего интервала температур количество оборотов до момента разрушения у образцов из опытного слитка было большим, чем в сравнительном. В целом ке пластичность стали из опытного слиткв в . области температур горячего деформирования повышается на 20.. .4036 и 15...РОЖ для образцов, отобранных из зон, затвердевших в процессе пульсационного воздействия и по окончании обработки соответственно.

Количественную оценку загрязненности кузнечных слитков неметаллическими включениями осуществляли с использованием методики стереологической реконструкции логнормального распределения размеров

14

включений на микроскопе "Ыеорьоь - 34" при увеличении 300х. Основное отличие полученных дйя всех наследуемых зон кузнечных слитков кривых логнормального распределения размеров оксидов состояло в смещении расположения кривых в опытном слитке в сторону увеличения числа мелких включений (2...3 мкм) и уменьшения числа крупных вшшчэяий (15 юсм и более). Особенно это характерно для верхней границы конуса осуждения, где крупные оксида не обнаружены. В целом в опытном слит-кв Д соотношение мззду мелкими и крупными оксидами возросло в зоне перемешивания в среднем в 2,9 раза за счет.уменьшения дож крупны? оксидов. Однако в подприбнльной части возросло массовая доля крупных включений, главным образом ва счет оксйсульфвдннх конгломзротов.

Количественной интегральной оценкой данных по определению объемной доли включений с помощью результатов' дополненного распределения получены диаграммы распределения оксидов в продольных сечениях слитков. Показано, что в целом распределение оксидов в опытном слитке согласуется с движением ' основных потоков, направленных вверх и во внутрь прибыльной части слитка. При атом заметная часть оксидов выносится потоками в прибыль слитка.

Одновременно с оксидами осуществляли анализ неравномерности ■распределения сульфидов и оксисульфадов. Соотношение нэлких и крупных сульфидов п обработанном слитке в зоне перемэишзания увеличилось в среднем в 2,5 раза. Причиной этому служит увеличение доли мелких сульфидов в. зоне слитка, затвердевшей в процессе пульсационного воздействия. Таким образом, увеличение скорости ватвердевания слитка и повышенна дисперсности дендритной структуры приводит к измельчеиыо сульфидов, выделяющихся между ветвями дендритов. Очевидно, при увеличении длительности пульсационного воздействия можно ожидать равномерного, распределения сульфидов в теле слитка с преобладанием мелкой фракции. . '■

Тот факт, что с точки зрения размеров и распределения неметаллических включений загрязненность сульфидами опытного слитка ниже, чем сравнительного, подтверждается и результатам! подсчета объемной доли сульфидов в зонах, затвердевших до начала, в процессе и по окончании пульсационного воздействия. Диаграммы, характеризующие распределение сульфидов в продольных сечениях исследуемых с липши в целом соответствуют и дополняют серные отпечатай с втих слитков, а также подтверждают гипотезу о влиянии пульсационного вдрниаштания жидкой фазы на вынос серы в прибыльную часть сгиткон.

Таким образом, рйяультатн исследования влияния нуяьсниионного

16

загрязненности стали неметаллическими включениями. Показано, что для получения количественных значений целесообразно использовать метода статистической оценки.

Предложена методика оценки загрязненности стали путем стерео-логической реконструкции распределения неметаллических включений, позволяющая получать статистическую кривую распределения с учетом невидимой (из-за разрешающей способности оптического микроскопа) части включений. В основу методики положена гипотеза о логарифмически нормальном распределении неметаллических включений по размерам.

4. В результате исследований, выполненных на промышленных кузнечных слитках, установлено, что при цульсационном перемешивании помимо уменьшения глубины пропиюювения усадочной раковины во всех опытных слитках отмачено увеличение угла наклона осей столбчатых кристаллов к горизонту, что является подтверждением смещения теплового центра слитков в более высокие горизонты.

б. На основании оценки данных макроструктуры и химического анализа сделано предположение, что восходящие конвективные потоки способствуют выносу вредных примесей в прибыль слитка. Этот факт, в совокупности с возможностью смещения теплового центра слитка позволяет рассматривать пульсационное перемешивание как фактор, обеспечивающий управление качеством слитка при затвердевании.

6. Выполнен сравнительный анализ влияни-" пульсационного перемешивания на морфологию неметаллических включений. В прибыли опутныг слитков наблвдается повышенное количество оксидов и оксисульфидных конгломератов, а в теле слитков - .практически полное исчезновений колониальных сульфидов (тип П) и увеличение многогранных сульфидов (тип Ш), что повышает пластичность металла. Повышение пластичности металла опытного слитка в области температур горячего деформирования лодтверадено измерениями на пластомере фирмы "бетанам". Установлено, что пластичность повышается на 20...4055 я 15...30% для образцов, отобранных из зон слитка, затвердевших соответственно в процессе обрабс-ки и после ее окончания.

7. При использовании методики стерэологической реконструкцш распределения ' неметаллических включений получены диаграмм распределения оксидов и сульфидов в продольном сечении, позволяющий проследить влияние пульсационного перемешивания на эагрязненноот) различных зон слитка. В целом пульсвционная обработка обеспечивав1 более равномерное распределение оксидов и сульфидов в объеме слитка а также благоприятствует коагуляции и вынооу в прибыль оксидов )

18

ликвации. Промышленная реализация разработанной технологии обеспечила сщ^вниэ расхода металла на 36...64 кг/т отливки в зависимости от ее типа.

Применительно к крупным кузнечным слиткам в промишленных условиях отрабатывалась технология повышения качества за счет появления дефактов типа "внецентранная ликвация" при обвсвчвнии повышения выхода годно:'; путем уменьшения глубины проникновения усадочных дефектов и брака по горячим трещинам при ковко. Технология отрабатывалась на кузнечных слитках различной массы (до 51 т) ив настоящее время рекомендована для промышленного внедрения. Как показали промышленные исслодования технология пульсационной обработки жидкой фазы слитков может быть особенно перспективной при производстве слитков для поковок типа "валок". При атом за счет обработки првдставляэтся возможным смещение шнуров внецвнтренной ликвации внутрь слитка, что в последствии предотвращает выход атих шнуров на поверхность готового изделия и, в конечном счато, повышает его стойкость. При расширении промышленного применения технологии пульсацион ной обработки конкурентноспособность ей тага» может обеспечить воз-мо&яость локального управления процессом формирования отдельных зон слитков и отливок за счет рационального выбора реязшов воздействия.

ВЫВОДЫ И РЕКОШЩЩМ

1. На основании выполненного ана.циза методов производства крупных слитков и стальных отливок показаны преимущества метода пульсациошого перемешивания для обработки их жидкой фазы, так как в атом случае в жидкой ванне формируются стабильные циркуляционные потоки, движущиеся вертикально вниз вдоль оси слитка и затем вертикально вверх вдоль фронта затвердевания.

2. Изучено влияние пульсациошого воздействия на промышленных кузнечных слитках массой до 51 т и крупных отливках массой до 92 т. Выбранные рвжиш, учитывающие длительность воздействия, в такт место приложения пульсаций и глубину погружения пульсационной трубы, обеспечивали варьирование интенсивности перемешивания как всего объема жидкой фазы, так и отдельных зон слитков и отливок. Показано, что но результаты обработки одновременно влияет значительное количество (факторов, что позволило предложить системный комплексный подход для оценки качества слитков на макро- и мшгроуровао.

3. Виполнеп анализ ирьеопшх ми то да к кнчоотнвшюй оценки

I?

загрязненности стали неметаллическими включениями. Показано, что для получения количественных значений целесообразно использовать методы статистической оценки.

Предложена методика оценки загрязненности стали путем стерео-лошческой реконструкции распределения нематэллических включений, позволяющая получать статистическую кривую распределения с учетом невидимой (из-за разрешающей способности оптического микроскопе) чести включений. В основу методики голоженв гипотеза о логарифмически нормальном распределении неметаллических включений по размерам.

4. В результате исследований, выполненных на промышленных кузнечных слитках, установлено, что при цульсационном перемешивании помимо уменьшения глубины проникновения усадочной раковины во всех опытных слитках отмечено увеличение угла наклона осей столбчатих кристаллов к горизонту, что является подтверждением смещения теплового центра слитков в более высокие горизонты.

5. На основании оценки данных макроструктуры и химического анализа сделано предположение, что восходящие конвективные потоки способствуют выносу вредных примвсей в прибыль слитка. Этот факт, в совокупности с возможностью смещения теплового центра слитка позволяет рассматривать пульсационноэ перемешивание как фактор, обеспечивающий управление качеством слитке при затвердевании.

6. Выполнен сравнительный анализ вмят'' цульсационного перемешивания нэ морфологию неметаллических включений. В прибыли опнтных слитков паблэдовтся повышенное количество оксидов и оксисульфидных конгломератов, а в теле слитков - .практически полное исчезновение колониальных сульфидов (тип П) и увеличение многогранных сульфидов (тш Ш), что повышает пластичность металла. Повышение пластичности металла опытного слитка в области температур горячего деформирования аодтвврадэш измерениями на пластомерв фирмы "бетами". Установлено, что пластичность повышается на 20...4035 и 15...3035 для образцов, отобранных из вон слитка, затвердевших соответственно в процессе обработки и после ее окончания.

7. При использовании методики стерэологической реконструкции распределения неметаллических включений получены диаграммы распределения оксидов и сульфидов в продольном сечении, позволяющие проследить влияние пульсйционного перемешивания на загрязненность различных зон слитка. В целом пульсационная обработка обеспечивав! болев равномерное распределение оксидов и сульфидов в объеме слитка, в также благоприятствует коагуляции и выносу в прибыль оксвдов I

18

оксцсульфидор н уменьшает в ор^даем размеры сульфидов в твлв слитка.

В. На основании розультатов выполненных исследований рассмотрены порськтнвы применения метода пульсационного перем9шивания для повышения качества слитков и отливок. В промышленных условиях Краматорского завода "Эноргомашспецсталь" отработаны технологические рекомендации по обработке жидкой фазы крупных слитков и отливок. Использование технологии пульсационной обработки обеспечило снижение себестоимости отливок в среднем на 20,25 руб./т (в ценах 1990г.) в зависимости от их типа.

ОСНОВНОЕ СОДВИШШЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЩИХ РАБОТАХ

1. Смирнов А.Н., Бачков Ю.Б., Чернобаева Т.В., Пильгук C.B. Качество кузнечных олитков из низколегированной стали, подвергнутых пульсационной обработке при затвердевании/ ШгГОМ.1991, Jt 7. С.21-22,

2. Смирнов А.Н., Пильгук C.B., Неделькович Л., Чернобаева Т.В. О влиянии пульсационного перемешивания на формирование макроструктуры и макронеоднородяость стального олиткв/ Изв. вузов. Черная металлургия. ГЭ91, JS а. С. 12-15.

3. Смирнов А.Н., Чернобаева Т.В., Пильгук C.B., Штрбачки Ж. Особенности влшпшя пульсационного перемешивания на природу и характер распределения нвмвтолличвоккх шишчвпий в кувначном олиткв/ Изв. вузов. Черная металлургия. 1992, л 6, С.52-55.

4. Смирнов А.Н., Чернобаева Т.В., Пильгук C.B., Прохоренко Е.Д. Металлографическая оценка качества слитков при пульсационном перемешивании жидкой фазы/ Передовой опыт производства стали, ее внепвчной обработки, разливки в слитки и получения кузнечных заготовок: Межреспубликанская научно-техн. конф. - Волгоград, 1989.- С.102-103.

Б. Смирнов А.Н., Пильгук C.B., Чернобаева Т.В. и др. Исследование аяияния пульсационного перемешивания при затвердевании на макроструктуру кузнечных слитков/ Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов: XI Всесоюзная конф. по проблемам слитка. 4.1. - Волгоград, 1990.- С.14-17.

6. Смирнов А.Н., Чернобаева Т.В., Пильгук C.B., Орлов И.А. Исследование качества металла кузнечных слитков, подвергнутых пульсационной обработке при затвердевании/ Совершенствование металлургических технологий в машиностроении: П Всесовзная научно - техн. конф. с участием иностр. специалистов.- Волгоград, 1991.- C.I5I-I52.

7. Смирнов А.Н., Чернобаева Т.В., Пильгук C.B. Исследование влияния пульсационного перемешивания при затвердевании на качество кузнечных слитков/ Создание и освоение экологически чистых ресурсосберегающих технологий в черной металлургии: Всесоюзная научно-техн. ^онф. молодых ученых, инженеров и рабочих.- Донецк, 1991.- С.45.

Кроме того, технологические приемы, обеспечивающие оптимальные результаты перемешивания жидкой фазы слитков и отливок о помощью пульсационного и вибрационного воздействия, защищены ангорскими

свидетельствами: JW 1342592, 1468652, Н7044П, 1509Г75, 1574350, J671407.