автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Комплексные методы получения стальных и чугунных отливок, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур

Коровин Валерий Александрович

КОМПЛЕКСНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 г ДЕК 2013

005543445

Нижний Новгород - 2013

005543445

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е.Алексеева» (НГТУ)

Научный консультант Леушин Игорь Олегович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Литейно-металлургические процессы и сплавы» НГТУ

Официальные оппоненты Дибров Иван Андреевич

доктор технических наук, профессор, Президент Российской Ассоциации Литейщиков (г. Москва)

Иоффе Михаил Александрович доктор технических наук, профессор, технический директор ООО «ЛИТЬЕ-сервис». (г.Санкт-Петербург)

Колесников Михаил Семенович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины и технология литейного производства» Набережночелнинского . института (филиала) ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» (г.Набережные Челны)

Ведущая организация ФГУП Центральный научно-исследовательский

институт конструкционных материалов «Прометей» (г.Санкт-Петербург)

Защита состоится «20» декабря 2013 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.165.07 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева» по адресу: 603950, г.Н.Новгород, ул. Минина, 24, ауд.1258

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева».

года

Автореферат разослан « ¡9 » К^^Л 2013

Ученый секретарь диссертационного совета /рУГ«"*' Ульянов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время промышленность остро нуждается в разработке и внедрении эффективных и высокопроизводительных технологических процессов литья заготовок деталей машин с высокими эксплуатационными свойствами, способных выдерживать большие тепловые и знакопеременные нагрузки, обладающих длительным ресурсом работы. Отсюда необходимым становится значительное повышение уровня свойств материала отливок и заготовок, определяющих конструкционную прочность, эксплуатационную стойкость и надежность литых деталей. Это особенно важно для литых заготовок, используемых для изготовления ответственных деталей сменного инструмента деформации, работающего в условиях тяжелых знакопеременных нагрузок и высоких температур (например, на колесопрокатных и трубопрокатных линиях металлургических предприятий).

Традиционно в качестве материала в этом случае в промышленности используются дорогостоящие высоколегированные стали и чугуны. Поэтому в центре внимания исследователей оказывается проблема создания, освоения и внедрения в производство способов и приемов жидко-и твердофазной обработки экономнолегированных сталей и чугунов при их подготовке и заливке в литейную форму.

Большой вклад в разработку и решение этой проблемы внесли российские ученые: H.H. Александров, К.И. Ващенко, К.Н. Вдовин, Н.Г. Гиршович, Я.Е. Гольдштейн, И.А. Дибров, A.A. Жуков, Е.В. Ковалевич, В.М. Колокольцев, Г.А. Косников, Хосен Ри, A.A. Рыжиков и др.

Их фундаментальные теоретические и практические исследования являются основой для разработки и внедрения в производство эффективных технологий обработки металлического расплава с целью повышения физико-механических свойств отливок.

Тем не менее эксплуатационный ресурс целого ряда ответственных деталей, и прежде всего деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур (штампов, валков, пресс-форм, деталей металлургического оборудования), остается недостаточным, не соответствующим постоянно растущим современным требованиям. Это свидетельствует о нерешенности упомянутой ранее проблемы и обусловливает необходимость продолжения исследований в данном направлении. При этом приоритетное внимание требуется уделить комплексным методам обработки материала литых заготовок.

Связь работы с научными программами

Исследования проводились в соответствии с тематическим планом НИР НГТУ, реализуемым по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации на 2001-2009 гг. по теме «Разработка фундаментальных основ создания новых металлических, неметаллических и композиционных материалов», а также рядом федеральных и региональных целевых программ.

Кроме того, работы выполнялись по договорам с рядом предприятий и организаций города Нижнего Новгорода и Нижегородской области. Часть результатов отражена в отчетах о выполнении научно-исследовательских работ, прошедших государственную регистрацию.

Цель работы

Совершенствование практики получения стальных и чугунных отливок для увеличения эксплуатационного ресурса деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур, за счет комплексного воздействия на расплав при производстве отливок из стали и чугуна.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- выявление причин разрушения штатных изделий, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур, разработка рекомендаций по их устранению и помощь в их реализации;

- систематизация данных по качественному и количественному влиянию обработки активными элементами расплавов сталей и чугунов по характеристикам отливок;

- исследование взаимосвязи процессов микролегирования, модифицирования и рафинирования расплава и выявление их комплексного воздействия на микроструктуру, механические свойства и износостойкость заготовок деталей из стали и чугуна;

- совершенствование технологического процесса, физико-химической схемы технологии процесса модифицирования высокопрочного чугуна и методики определения рабочих параметров процесса;

- исследование процессов раскисления и рафинирования расплава стали с использованием отходов, образующихся при производстве вторичного алюминия, и разработка методики оценки раскисляющей способности алюмошлака путем сравнения концентраций раскислителей и кислорода;

- разработка ряда новых технологических решений получения заготовок, обеспечивающих повышение эксплуатационного ресурса ответственных деталей (валков, штампов, пресс-форм, деталей металлургического оборудования);

- внедрение результатов исследований и разработок в действующее производство.

Научная новизна диссертационной работы

1. Разработана концепция выбора и получения структуры сплава, устойчивого при эксплуатации к знакопеременным нагрузкам до 9.000 МПа и температуре до 1150°С.

2. Установлена взаимосвязь микролегирующего, модифицирующего и рафинирующего эффектов, обеспечивающих измельчение зерна и равномерное распределение структурных составляющих и неметаллических включений в материале формирующихся отливок.

3. Получены общие уравнения связи числа центров кристаллизации (для стали) и центров графитизации (для чугуна) с параметрами процесса кристаллизации сплавов.

4. Разработана упрощенная методика оценки раскисляющей способности элементов при жидкофазной обработке железоуглеродистых сплавов.

5. Разработана методика математического расчета рабочих параметров процесса модифицирования для стабильного получения высокопрочного чугуна при снижении расхода лигатуры.

6. Научно обоснована технология изготовления стальных и чугунных отливок ответственного назначения, обеспечивающая формирование оптимальной исходной кристаллической структуры и способствующая реализации самоорганизующихся процессов фазообразования и формирования выделений зародышевого типа.

7. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность способов обработки железоуглеродистых расплавов, позволяющих существенно повысить эксплуатационный ресурс ответственных деталей.

Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности

1. Разработан ряд технических и технологических решений (составы новых материалов, модификаторов и лигатур, способы обработки расплава, химические составы чугунов и сталей), обеспечивающих повышение физико-механических и эксплуатационных свойств литых заготовок для изготовления ответственных деталей. Решения защищены 20 авторскими свидетельствами и патентами РФ.

2. Разработаны и внедрены в производство технологии комплексного воздействия на расплавы чугуна и стали с целью повышения качества отливок, используемых для изготовления деталей инструмента, работающего в сложных эксплуатационных условиях.

Технологические режимы обработки расплавов внедрены на ОАО «Выксунский металлургический завод» (ОАО «ВМЗ») и ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» (ОАО «НМЗ»),

3. Суммарный экономический эффект от внедрения разработок в действующее производство составил 45 млн. руб. в ценах 2007 года.

Личный вклад соискателя

Основные положения, выводы и рекомендации принадлежат автору, который выбрал научно-техническое направление, определил цель и задачи исследований. Автор провел аналитические и экспериментальные исследования структуры и свойств сталей и чугунов после различных вариантов комплексного воздействия. Кроме того, автором лично внедрены на ряде предприятий разработанные технологические решения (составы материалов, способы обработки, химические составы сталей и чугунов) и определены пути дальнейшего развития научных исследований в данном направлении.

Настоящая диссертация является итогом исследований, выполненных автором самостоятельно и совместно с сотрудниками Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева, работниками предприятий ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» и ОАО «Выксунский металлургический завод». Автор выражает глубокую благодарность всем сотрудникам упомянутых организаций, оказавшим помощь в проведении экспериментов и внедрении разработок.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на Республиканской научно-технической конференции «Газы и неметаллические включения в литейных сплавах», г. Запорожье, 1985 г.; на Республиканской научно-технической конференции «Пути повышения качества и экологичное™ литейных процессов», г. Одесса, 1990 г.; на съездах литейщиков России: на II съезде г. Ленинград, 1992 г.; на IV г. Владимир, 1997 г.; на VI г. Екатеринбург, 2003 г.; на VII г. Новосибирск, 2005 г.; на VIII г. Ростов-на-Дону, 2007 г.; на IX г. Уфа, 2009 г.; на X г. Казань, 2011г.; на Республиканской научно-технической конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали», г. Челябинск, 2001 г.; на Международных научно-практических конференциях «Прогрессивные литейные технологии», г. Москва, 2002, 2005, 2007, 2009, 2011г.; на Международных научно-практических конференциях «Литейное производство сегодня и завтра», г. Санкт-Петербург, 2003, 2008, 2010, 2012 г.; на Межрегиональной научно-практической конференции «Заготовительные производства и материаловедение», г. Нижний Новгород, 2009 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов», г. Новокузнецк, 2012г.

Публикации

Содержание диссертации опубликовано в 79 работах, в том числе 20 в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

По теме диссертации изданы 1 монография, 2 учебника, получено 20 авторских свидетельств, патентов и свидетельство на регистрацию программы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений, содержит 282 страницы машинописного текста, 86 рисунков, 26 таблиц и библиографический список, включающий 206 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении раскрыта актуальность темы диссертационной работы, дана ее общая характеристика, указаны цели и задачи исследования, представлены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведен информационно-аналитический обзор состояния вопроса, в частности, рассмотрены разработки, касающиеся технологии изготовления деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур и путей повышения их стойкости. К таким деталям традиционно относят валки прокатных станов, а также формообразующие штамповой оснастки. В настоящее время их надежность и долговечность являются решающими факторами, определяющими качество выпускаемой

продукции, производительность и экономическую эффективность работы металлургических производств.

В процессе изготовления деталей штампов и валков поломки могут происходить вследствие образования холодных или горячих трещин, а также из-за литейных дефектов: плен, рыхлот, раковин и неметаллических включений. Особое значение имеет присутствие в материале литых заготовок газовых раковин и примеси серы.

В ходе эксплуатации металлургического инструмента образуется сетка разгара, которую можно рассматривать как результат проявления основных видов износа сменного инструмента. В этой связи внимание исследователей должно концентрироваться на материале литых заготовок, рациональных методах его выбора, получения и обработки расплава, обеспечивающих формирование требуемой структуры, снижающих вероятность образования литейных дефектов и повышающих устойчивость к термомеханическим воздействиям, износ в условиях термоциклирования и, как следствие, высокий эксплуатационный ресурс.

К традиционным методам повышения качества материала для изготовления деталей металлургического производства относятся жидкофазные (легирование, микролегирование, модифицирование, рафинирование) и твердофазные (термическая, химико-термическая и термомеханическая обработка).

Информационный поиск и последующий анализ полученных результатов свидетельствуют о том, что большим потенциалом обладают комплексные методы обработки.

Анализ ранее выполненных работ по данной проблеме позволил сформулировать цель и основные задачи исследования, а также представить комплексность в трех аспектах:

- комплексность обработки жидкого расплава, т.е. обработка несколькими элементами;

- комплексность жидкофазной обработки по процессам, когда реализуются несколько видов такой обработки - микролегирование, модифицирование, рафинирование;

- комплексность в технологическом плане, когда охватываются несколько технологических операций - плавка, внепечная обработка жидкого расплава, формообразование и термическая обработка отливки.

Во второй главе рассматриваются методы обеспечения качества стальных литых заготовок для деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур, жидкофазной обработкой. Здесь же проводится оценка применимости конструкционных сталей в качестве альтернативы инструментальным.

Суть предлагаемого подхода к решению проблемы обеспечения качества литых заготовок заключается в том, что введение в расплав одновременно нескольких химических элементов способствует более яркому проявлению комплексного характера обработки материала за счет наложения эффектов

микролегирования, модифицирования и рафинирования друг на друга и получения дополнительного положительного эффекта (принцип эмерджентности) в части чистоты сплава от примесей, однородности его структуры, размера зерна и т.п.

Вначале проводилась серия экспериментов, направленных на выяснение природы и степени влияния отдельных химических элементов на структуру и свойства железоуглеродистых сплавов. Акцент делался на удаление из стали газов и серы. Для внепечного удаления кислорода, азота и серы из расплава стали применяли обработку такими элементами как Бі, А1, РЗМ и ЩЗМ, имеющими большее химическое сродство к кислороду, чем железо.

Опытные плавки велись в индукционной тигельной печи с кислой футеровкой. Шихту, состоящую из стальных отходов и передельного чугуна, загружали в печь, расплавляли, доводили до требуемого химического состава. Обработку активными элементами в виде ферросплавов и лигатур проводили при переливе расплава из печи в ковш при Т = 1600 -1650 °С. Образцы заливались в прутковую пробу для определения химического состава и механических свойств сплава. В качестве базовой была выбрана сталь марки 35Л.

Таблица 1

Остаточное содержание примесей и активных элементов в стали 35Л опытных плавок

№ плавки Вид обработки Остаточное содержание примесей Остаточное содержание активных элементов

Б Р О N А1. Са мв. Се+Ьа

1 Без обработки 0,022 0,040 0,098 0,012 - - - -

2 Обработка А1 0,020 0,040 0,074 0,012 0,073 - - -

3 Обработка Са 0,010 0,039 0,057 0,013 - 0,062 - -

4 Обработка Мй 0,017 0,040 0,072 0,014 - - 0,019 -

5 Обработка РЗМ 0,016 0,038 0,061 0,012 - - - 0,021

Как видно из данных, приведенных в табл. 1, содержание азота и фосфора остается неизменным, а концентрация кислорода в стали меняется в зависимости от выбора вводимых элементов. Наименьшее его содержание наблюдается при введении Са и РЗМ (0,057% и 0,061% кислорода соответственно), что связано с высокой раскисляющей способностью щелочноземельных металлов, а также тем обстоятельством, что при температурах обработки (Т = 1600 - 1650°С) активные элементы находятся в газообразном состоянии. Это приводит к перемешиванию расплава в ковше и облегчает удаление из него СаО и N^0, имеющих плотность 3,37 г/см3 и 3,58 г/см соответственно.

В табл. 2 приведены механические свойства стали опытных плавок в литом состоянии.

Таблица 2

Механические свойства стали 35Л

№ плавки Временное сопротивление при растяжении а„, МПа Предел текучести ат, МПа Относительное удлинение 5, % Относительное сужение Х|/, % Твердость НВ

1 638 349 9,3 15,6 185

2 633 342 9,3 15,4 185

3 659 355 9,3 15,2 185

4 663 368 10,2 16,8 192

5 689 385 8,4 13,7 197

Дальнейшие исследования были направлены на решение проблемы повышения механических свойств литой конструкционной стали 35Л как альтернативы легированной штамповой стали.

В качестве модифицирующих элементов были выбраны V, Мо, 2г и В. Расплав в ковш переливали при Т = 1650 - 1700° С. Раскисление стали осуществлялось алюминием. В прутковые пробы заливались образцы для определения механических свойств и исследования микроструктуры стали. Базовую марку конструкционной стали 35Л оставили без изменений.

Влияние отдельных элементов на механические свойства стали 35Л опытных плавок показано на рис. 1 и 2.

800

плавка 1 плавка 2 плавка 3 плавка 4 плавка 5

без добавок добавка 0,1% V добавка 0,2% Мо добавка 0,05% 2п добавка 0,005% В

Ш ств, МПа О от, МПа

Рисунок 1. Влияние элементов на прочностные свойства стали опытных плавок

8 5

ш

плавка 1 без добавок

плавка 2 добавка 0,1% V

плавка 3 плавка 4 плавка 5

добавка 0,2% Мо добавка 0,05% 2п добавка 0,005% В

Рисунок 2. Влияние элементов на пластические свойства стали опытных плавок

В качестве рабочей гипотезы выдвигалось положение, что повышения механических свойств литой стали можно добиться воздействием на первичную структуру сплава модифицирующими добавками.

С целью изучения влияния комплексной обработки V, РЗМ, Са и А1 на микроструктуру и механические свойства стали 35Л проводились опытные плавки по двум вариантам.

По варианту № 1 расплав обрабатывался алюминием в количестве 0,15% при выдаче расплава из печи в ковш, по варианту № 2 расплав обрабатывали комплексной добавкой, включающей в себя: V (0,15%), Са (0,1%), РЗМ (0,01%), А1 (0,07%).

Остаточное содержание примесей и активных элементов в стали 35Л опытных плавок приведен в табл. 3, механические свойства — в табл. 4.

Таблица 3

Остаточное содержание активных элементов в стали 35Л опытных плавок

№ плавки Вид обработки V Са А1 Се Ьа

1 Обработка А1 - - 0,105 - -

2 Обработка комплексной добавкой 0,12 0,1 0,067 0,013 0,0012

Таблица 4

Механические свойства стали 35Л опытных плавок _

№ Временное сопротивление при растяжении ав, МПа Предел текучести От, МПа Относительное удлинение б, % Относительное сужение у, % Ударная вязкость КСи, кДж/м2

1 634 453 17,4 22,3 280

2 676 456 21,0 26,0 400

Временное сопротивление при растяжении по варианту №2 выше, чем по варианту №1 на 6,6%, а предел текучести находится практически на одном уровне. Пластические свойства возросли более существенно, чем прочностные. Так, относительное удлинение увеличилось на 20,7%, относительное сужение -на 16,6%. Произошло также увеличение ударной вязкости на 42,9%. Микроструктура стали представлена на рис. 3 и 4.

Металлографические исследования показали, что комплексной обработкой удалось добиться более равномерного распределения неметаллических включений. Кроме того, металлическая основа литой стали, подвергнутой комплексной обработке V, Са, РЗМ, А1, более однородная и дисперсная. Все это оказывает положительное влияние на механические свойства стали.

С целью изучения воздействия комплексной обработки на содержание газов (кислород, азот) и серы, а также на количество и морфологию неметаллических включений плавки проводились в дуговой сталеплавильной печи ДСП-3, футеровка основная. Шихтовые материалы загружались в печь, расплавлялись, металл доводился до требуемого химического состава и выдавался в ковш. В качестве активных элементов использовались Са (0,1%), РЗМ (0,015%) и В (0,005%). Элементы вводились в виде соответствующих ферросплавов при переливе расплава из печи в ковш. Для сравнения использовался вариант обработки расплава в ковше алюминием в количестве 0,07%. В качестве базового сплава взята сталь марки 35Л с химическим составом (%, масс.): 0,32-0,40 % С; 0,20-0,52 % 81; 0,45-0,90 % Мп; 0,03-0,06 % Р; 0,03-0,06 % Б.

а б

Рисунок 3. Микроструктура стали 35Л: а — обработка А1; б -комплексная обработка V, Са, РЗМ, А1; нетравленый шлиф, х 100

Рисунок 4. Микроструктура стали 35Л: а - обработка А1; б - комплексная обработка V, Са, РЗМ, А1; х 100

В табл. 5 приведено содержание примесей в стали 35Л опытных плавок.

Таблица §

Содержание примесей в стали 35Л опытных плавок, % масс.

№ плавки Вид обработки О N Б Р

1 Обработка 0,07% А1 0,074 0,125 0,024 0,015

2 Комплексная обработка Са, РЗМ и В 0,048 0,098 0,013 0,017

Комплексная обработка расплава Са, РЗМ и В привела к более существенному снижению содержания газов в стали по сравнению с вариантом обработки алюминием. Так, содержание кислорода снизилось на 35,1%, азота -на 21,6%. Содержание серы уменьшилось на 45,8%.

Исследования выявили следующее:

- Микролегирование ванадием в количестве 0,1%, цирконием (0,05%), молибденом (0,2%), бором (0,005%) оказывает влияние на структуру и механические свойства литой конструкционной нелегированной стали 35Л.

- Ввод 0,1% V приводит к измельчению зерна в литом состоянии и к образованию мелкодисперсных, тугоплавких соединений с углеродом и азотом. Микролегирование стали ванадием увеличивает дисперсность дендритной структуры, измельчает на 1-2 балла аустенитное зерно (сечения 20-50 мм), уменьшает зону столбчатых кристаллов. В результате возрастают показатели прочностных и пластических свойств стали, твердость практически не изменяется, так, временное сопротивление при растяжении увеличилось на 25,0-30,0%, предел текучести - на 10,0-12,0%, относительное удлинение повысилось на 25,0-30,0%, ударная вязкость возросла на 35,0-40,0%.

- Влияние 0,05% Ъх аналогично влиянию ванадия, но в меньшей степени, что может быть связано с различными концентрациями элементов и расходованием части циркония на связывание кислорода.

- При вводе 0,2% Мо происходит измельчение зерна стали с образованием игольчатой фазы, что отрицательно влияет на механические свойства: произошло снижение стт, 5, у, КСи. Временное сопротивление при растяжении и твердость возросли на 8,0-10,0 %.

- Введение в сталь 0,005% В приводит к некоторому измельчению зерна с образованием борсодержащей фазы как центров кристаллизации, что отрицательно влияет на пластические свойства и ударную вязкость стали, прочностные показатели не меняются, твердость повышается.

- При введении в расплав РЗМ в количестве 0,02% повысились пластические свойства, увеличение относительного удлинения составило 9,010,0 %, что, очевидно, связано с измельчением структуры сплава и более благоприятной формой неметаллических включений.

Таким образом, комплексная обработка расплава стали 35 Л комбинациями указанных элементов обеспечивает получение взаимосвязанных микролегирующего, модифицирующего и рафинирующего эффектов и, как следствие, приводит к измельчению зерна и равномерному распределению структурных составляющих материала. Полученные результаты были положены в основу концепции выбора и получения структуры железоуглеродистого сплава, устойчивого к знакопеременным нагрузкам до 9000 МПа и температуре до 1150°С.

Третья глава посвящена теоретическому исследованию обеспечения качества стальных и чугунных литых заготовок для изготовления деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур, жидкофазной обработкой. Кроме того, в ней рассматриваются некоторые теоретические аспекты кристаллизации стали и чугуна, позволяющие расширить представления об этом процессе и уточнить взаимосвязь факторов, влияющих на кристаллизацию, для обеспечения управляемости процессом затвердевания отливки.

Анализировались возникновение числа зерен и центров зарождения графита и рост размера зерен и графита при кристаллизации расплава при условиях сильной неустойчивости системы. В этих условиях даже малое случайное, а тем более целенаправленное, отклонение, может резко усиливаться и давать макроэффекты в виде усиления графитизирующего эффекта или перевода графита в новое морфологическое состояние, порождать новое состояние кристаллизирующейся системы.

Чтобы получить общее феноменологическое уравнение связи числа центров кристаллизации при формировании структур с параметрами процесса кристаллизации стальной отливки, исходили из представлений о конкуренции процессов отвода и подвода тепла к центру кристаллизации.

Общее число центров кристаллизации ДЛ^* складывается из возможного увеличения их числа ДМ вследствие переохлаждения металла

(-АТ) и возможного уменьшения их числа АЫ2 вследствие повышения температуры (+Д7) в результате выделения скрытой теплоты плавления при

затвердевании. Уравнение записывается в виде

ЛЛ^ДМ+ДЛ^ (1)

Слагаемые ДЛ^ и ДЛ^ представляются соответствующими выражениями

ДЛ^аДЛ^ДГ, (2)

ДА^2= - вДт, (3)

где а ив- коэффициенты пропорциональности, зависящие от сущности происходящих конкурирующих процессов при охлаждении, кристаллизации и расплавлении, соответственно; NaK- текущее число центров кристаллизации в расплаве, ДТ - величина переохлаждения; Дт = AT/V - интервал времени, в течение которого возможно образование зародыша кристаллизации критического размера расплава; V - скорость образования зародышей (скорость) кристаллизации, задаваемая экспериментально температурой переохлаждения.

Подстановка уравнения (2) и (3) в уравнение (1), приводит к бесконечно малым величинам, с заменой AT на dT, AN на d N, Дт на dz. После преобразования получили:

dN/N= (a-b/V) dx, (4)

Проинтегрировали уравнение (4) в пределах от N0 до Л^ и от Тх до Тш при условии постоянства коэффициентов а,Ь и величины V; в результате получили

In (N/N0)- (a-b/V) (Tm - Tx), (5)

где N0- начальное число центров кристаллизации;

Гпл - температура плавления расплава;

Тх - температура расплава с переохлаждением.

Из уравнения (5) получим уравнение связи числа центров кристаллизации со скоростью образования зародышей

NaK = N0 exp[(a-b/V) (7^ - Tx)\ (6)

Аналогично выводим общее феноменологическое уравнение связи числа центров графитных выделений с параметрами процесса кристаллизации чугуна.

Общее число центров графитизации Д Nrp складывается из возможного увеличения их числа Д Nx вследствие переохлаждения металла (-AT) и градиента концентрации элементов графитизаторов (ДОраф.) и при этом возможного уменьшения их числа (ДЛУ вследствие повышения температуры (+Д7) в результате выделения скрытой теплоты плавления при затвердевании. Уравнение связи числа центров графитных образований при кристаллизации чугуна со скоростью образования зародышей:

N u nJ = N0 exp [(a-b/V) |(Гпл- Тх)} (7)

где: А^о- начальное число центров графитизации. Из уравнений видно, что число центров кристаллизации для стали и графитизации для чугуна возрастает:

— с увеличением переохлаждения AT;

— с возрастанием скорости V образования центров кристаллизации;

- с ростом коэффициента а, физический смысл которого определяется уровнем энергии активации процесса зарождения, величиной поверхностного натяжения жидкого металла на границе «зародыш - расплав» и факторов, влияющих на них;

- с уменьшением коэффициента Ь, зависящего от величины скрытой теплоты плавления: чем больше последняя, тем больше Ь.

При экстремальных условиях, когда величины АТ, V, а стремятся к максимуму, а Ь к минимуму, обеспечивается максимальное число центров кристаллизации и минимальный размер зерна, близкий к размеру зародыша кристаллизации, максимальное число центров графитных выделений и минимальный размер графитного включения.

Полученные уравнения связи числа центров кристаллизации для стали и центров графитизации для чугуна, определяющих структуры, устанавливают закономерности изменения однородности структуры в зависимости от основных технологических факторов процесса кристаллизации и физических характеристик материала и показывают возможность математического моделирования технологических процессов и получения оптимальных структур.

Одной из задач диссертационного исследования применительно к чугуну было развитие представлений о физико-химической стороне процесса модифицирования (на примере модифицирования в ковше при получении высокопрочного чугуна). В работе выполнены расчеты взаимодействия магния с кислородом в ковше и размеров сливного отверстия в промежуточной крышке-чаше. В оптимальном режиме модифицирования с учетом мощности струи время слива металла должно совпадать со временем растворения и реагирования лигатуры, что обеспечивает требуемую структуру, повышает усвоение модификатора при снижении его расхода и уменьшает пироэффект.

Четвертая глава посвящена разработке технологий производства стальных литых заготовок деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур.

В частности, рассмотрен процесс выплавки стали в основной плавильной печи с использованием технологических добавок алюмошлака, содержащего значительное количество алюминия.

Алюмошлак - отход переплава алюминийсодержащего лома со средним содержанием основных компонентов: 29,11% А1; 55,03% А1203; 9,31% ЗЮ2; 3,50 % N^0; 1,55% СаО; 0,50% СиО; 0,70% ТЮ2; 0,3% Ре203. Этот материал в больших количествах накапливается по полигонах металлургических предприятий вторичного передела, в частности ОАО «Волговятвторцветмет» (г. Н.Новгород).

При добавке 1т алюмошлака на плавку массой 230 т температура ванны может увеличиться на

в ^„ША = 0,3-Ю3-62259,26 П(. „с С, т,Сс 230 1 05 0,7

где 2 - приход тепла в ванну печи, Дж; С, - теплоемкость ванны, Дж/К; та - масса алюмошлака, кг; ка - доля алюминия в алюмошлаке; да - тепловой эффект окисления алюминия, кДж/кг; тв - масса стали в печи; Сс -теплоемкость стали, кДж/кг'К.

В условиях плавки стали алюминий, содержащийся в алюмошлаке, достаточно быстро окисляется, и алюмошлак действует как флюсующая добавка, содержащая 90 % А1203 и 8 - 10 % ЗЮ2. В совокупности с добавками железной руды такой флюс заменяет добавки боксита в целях регулирования вязкости шлака в период плавления металла.

Алюминий в составе алюмошлака может быть использован двояко:

- для сокращения потерь углерода на окисление в период плавления;

- с целью экономии ферросплавов при предварительном раскислении.

В период завалки и плавления шихты угар углерода составляет 35-40 %. Это количество углерода обычно компенсируется добавлением в шихту соответствующего количества чугуна. Известно, что кремний и марганец в шихте в определенной степени снижает угар углерода. Использование добавок алюмошлака в связи с его значительной кислородосвязывающей способностью также ограничивает окисление углерода и тем самым снижает расход чугуна на плавку.

Для сравнения раскисляющей способности алюминия, кремния и марганца обычно используют зависимости равновесных концентраций кислорода от концентраций раскислителей. В этом случае оценка является опосредованной и весьма трудоемкой. По мнению автора, более целесообразно оценивать раскисляющую способность элементов путем сравнения концентраций раскислителей, соответствующих определенной задаваемой концентрации кислорода.

В диссертации разработана и представлена упрощенная методика такой оценки. Расчетные выражения представляют собой упрощенные константы равновесия реакций раскисления. Упрощение заключается в замене химических активностей элементов концентрациями. Точность расчетов несколько снижается, однако погрешность их составляет менее 10% и математические соотношения остаются пригодными для практического использования. Константа равновесия при этом заменяется константой раскисления.

В опытных плавках, проведенных в условиях сталеплавильного цеха ОАО «Выксунский металлургический завод» (г. Выкса), алюмошлак давался в печь при расплавлении чугуна по достижении температуры металла в ванне 1300-1350°С. Обработка результатов показала, что в среднем угар углерода при завалке и плавлении шихты снизился на 33%. Соответственно остаточное содержание углерода в шихте оказалось равным 1,64%. На 1 т стали экономия составила 13 % углерода, что соответствует 30,1 кг чугуна.

Металлографический контроль не выявил существенных различий в структуре и загрязненности металла опытных и базовых плавок. Сравнительный анализ механических свойств стали опытных и базовых плавок

не установил различий свойств металла, кроме ударной вязкости. Ударная вязкость опытного металла выросла на 10%.

Другим примером реализации комплексного метода обработки стали 35Л является технология изготовления формовочных штампов и валков прессопрокатной линии производства железнодорожных колес, включающая не только жидкофазную обработку сплавов, но и применение специальных термостатов при отжиге заготовок, обеспечивших стабилизацию структуры и свойств заготовок и экономию энергозатрат на нагрев. Эксплуатационная стойкость штампов в условиях колесопрокатного производства ОАО «Выксунский металлургический завод» до реализации указанной технологии была весьма нестабильна и имела значительный разброс значений от 300 до 630 циклов-колес. Для заметного повышения качества ответственных деталей штампов и валков был изменен химический состав металла 35Л за счет микролегирования и модифицирования V, РЗМ, Мо, Мп. Химический состав стали штампа: С - 0,32; - 0,38; Мп - 0,48; Мо - 0,77; V - 0,03; А1 - 0,047; Се -0,003; Ьа - 0,0012; Э - 0,015; Р - 0,01.

Для обеспечения стабилизации эксплуатационной стойкости материала штампов был разработан термостат оригинальной конструкции, позволяющий провести отжиг заготовок штампов с использованием тепла нагретых, т.е. без дополнительных энергозатрат.

В сталелитейном цехе ОАО «ВМЗ» было проведено промышленное опробование разработанного способа повышения эксплуатационных характеристик наклонных валков колесопрокатного стана (обработка расплава стали У+РЗМ).

Опытные плавки проводили в дуговой сталеплавильной печи ДСП-3 с основной футеровкой. Шихту, состоящую из стальных отходов прокатного производства, передельного чугуна, никеля загружали в печь, расплавляли и доводили до требуемого химического состава.. Добавки Сг, Мо и V вводили за 15-20 мин до быдачи расплава из печи в виде соответствующих ферросплавов. Количество вводимого ванадия составляло 0,1% в пересчете на чистый ванадий. Выдачу расплава в ковш производили при Т=1560-1580°С.

Ввод РЗМ осуществлялся при переливе расплава из печи в ковш в виде лигатуры ФСЗОРЗМЗО количестве 0,4% от массы расплава в расчете на получение в сплаве 0,1% РЗМ.

Всего было проведено семь опытных плавок.

Температура заливки - 1500-1520°С. Всего было залито 42 валка. Заливка опытных валков осуществлялась в песчано-глинистые формы. Химический состав материала валков: С - 4,78%; - 0,65%; Мп - 0,67%; Сг - 0,95%; № -0,8%; Мо - 0,12%; V - 0,1%; Б - 0,02%; Р - 0,02%; РЗМ - 0,1%.

Валки после охлаждения, выбивки, очистки проходили термическую обработку по режиму, принятому для серийных валков. После этого валки проходили механическую обработку в колесопрокатном цехе ОАО «ВМЗ» и устанавливались на линию для проверки эксплуатационной стойкости.

Усредненные значения показателей эксплуатационных характеристик опытных и серийных валков приведены в таблице 6.

Таблица 6

Показатели эксплуатационных характеристик валков_

Эксплуатационные Тип валка Средние показатели наклонных Рост/ снижение

характеристики валков показателей,%

Серийные Опытные

И, шт верхний 2700 3500 +29,6

нижний 5400 6500 +20,4

5, мм верхний 9,0 6,9 -23,3

нижний 7,6 5,45 -28,3

б! х 10~3, мм 5,= — верхний 3,33 1,87 -43,8

нижний 1,41 0,85 -39,7

1 N

Здесь N — количество черновых железнодорожных колес, прокатанных одним валком после каждой установки, шт. 5 - общий износ валка, определяемый по разности между исходным диаметром валка до эксплуатации и диаметром валка после эксплуатации, мм. (Находится с помощью шаблона, соответствующего исходному профилю рабочей поверхности валка. Износ по рабочим поверхностям различен, поэтому учитывается максимальное изменение диаметра. Определяется после каждой установки). 5, - износ валка при прокатке одного чернового железнодорожного колеса, мм.

Внедрение разработанного способа повышения эксплуатационных характеристик наклонных валков колесопрокатного стана показало эффективность и стабильность результатов.

Разработанные комплексные технологии обработки стали позволили повысить эксплуатационный ресурс сменного инструмента в среднем в 2-3 раза.

В пятой главе представлены разработка и технологии комплексной обработки и получения чугуна для изготовления отливок, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур.

Технология введения легкоокисляющихся добавок была реализована при выплавке в коксовой вагранке чугуна следующего химического состава: 3,5% С; 1,7% 8 до 0,04%. При выдаче металла в 5-тонный ковш через приемную крышку — чашу, размещенную на разливочном ковше, производилось модифицирование лигатурой ФСМг5, помещенной на половину дна ковша, разделенного перегородкой, причем часть дна ковша, противоположная месту падения струи расплава чугуна, попадающего в ковш, и лигатура прикрывались замедлителем реакции. В качестве замедлителя применялась чугунная стружка. Количество вводимого модификатора и замедлителя определялось в зависимости от содержания магния в лигатуре, от содержания серы в исходном расплаве и доли преобладающей фракции лигатуры.

Данная технология обеспечила требуемую структуру при использовании в качестве модификатора лигатуры ФСМг5 фракцией 0,1 — 30,0 мм, при этом расход модификатора снизился по сравнению с действующей технологией на 20%, уменьшился пироэффект и дымовыделение, стабилизировался процесс модифицирования.

В работе рассматривались низколегированные хромистые чугуны с содержанием Сг до 3% и содержанием в них легирующих элементов (ТЛ, Мо, V, N1) до 2%, которые в ряде случаев выступают заменителями высокохромистых чугунов.

Для повышения механических и эксплутационных свойств чугунов данного класса в работе решалась проблема измельчения и равномерного распределения первичных карбидов. Проводился ряд экспериментов по обработке расплава чугуна добавками ванадия и магния. В качестве базового был выбран чугун марки ЧХЗ.

Количество вводимых добавок и значения твердости приведены в табл. 7.

Таблица 7

Содержание вводимых добавок и значения твердости_

№ плавки Содержание добавок, % масс. Твердость, НЯС

(варианта) V Мйост Металлическая основа

1 - - 45-48

2 0,3 - 45-48

3 0,28 0,085 45-48

4 0,26 0,12 45-48

Здесь вариант 1 — исходный расплав; вариант 2 - микролегирование ванадием в количестве 0,3%; вариант 3 - микролегирование ванадием в количестве 0,28% и — 0,085%; вариант 4 - микролегирование ванадием в количестве 0,26% и М§ -0,12%.

На рис. 5 представлена морфология графита в структуре чугуна для указанных выше четырех вариантов

—^Т і

V «"-* .

а б в г

Рисунок 5. Морфология графита в структуре чугуна марки ЧХЗ (нетравленый шлиф, х 100)

а - 1 -й вариант; б - 2-й вариант; в - 3-й вариант; г - 4-й вариант

Эксперименты показали, что ввод V в количестве 0,3 % приводит к измельчению структурных составляющих износостойкого чугуна в литом состоянии, но не оказывает влияния на твердость, а комплексная обработка расплава магнием (в виде железо-кремний-магниевого сплава) и ванадием оказывает влияние на структуру и твердость износостойкого чугуна. Структура

становится дисперснее, твердость снижается за счет выделения значительного количества графита шаровидной формы.

Избыток магния (более 0,085%) приводит к появлению в чугуне неметаллических включений.

Проводилось исследование влияния высокотемпературного отжига и закалки на структуру и механические свойства низколегированного чугуна, полученного с использованием комплексной жидкофазной обработки ванадием и магнием для указанных выше вариантов.

Влияние высокотемпературного отжига отливки на твердость и микротвердость металлической основы и временное сопротивление при растяжении износостойкого чугуна представлено в табл. 8.

Таблица 8

Механические свойства чуг гааЧХЗ

№ плавки (варианта)) Твердость, НЯС Временное сопротивление при растяжении, МПа

1 34-37 226-256

2 34-36 245-274

3 39-43 421-440

4 39-43 372-395

Здесь вариант 1 - исходный расплав; вариант 2 — микролегирование ванадием в количестве 0,3%; вариант 3 - микролегирование ванадием в количестве 0,28% и - 0,085%; вариант 4 - микролегирование ванадием в количестве 0,26% и -0,12%.

Высокотемпературный отжиг по режиму: нагрев с печью до 940°С, выдержка 3 часа, охлаждение с печью привел к снижению твердости металлической основы и, как следствие, к снижению общей твердости материала до 32 - 36 НЛС по сравнению с литым исходным состоянием чугуна. Временное сопротивление при растяжении составило в среднем 384 МПа. Такой результат объясняется тем, что при нагреве и выдержке чугуна при Т = 940°С происходит частичное растворение первичных карбидов в металлической основе и снижение их содержания до 30%. В результате при повышенных температурах образуется пересыщенный твердый раствор, при последующем охлаждении которого происходит выделение вторичных мелкодисперсных карбидов. На рис. 6-9 представлена микроструктура чугуна для указанных выше четырех вариантов (реактив для травления шлифов -раствор 4% азотной кислоты).

а б в

Рисунок 6. Микроструктура чугуна ЧХЗ 1-й вариант и высокотемпературный отжиг): а - нетравленый шлиф, х 100; б - травленый шлиф, х 100; е-травленый шлиф, х 500

Рисунок 7. Микроструктура чугуна ЧХЗ (2-й вариант и высокотемпературный отжиг):

а - нетравленый шлиф, * 100; б - травленый шлиф, х 100; в - травленый шлиф, х 500

а б в

Рисунок 8. Микроструктура чугуна ЧХЗ (3-й вариант и высокотемпературный отжиг):

а - нетравленый шлиф, х 100; б - травленый шлиф, х 100; в - травленый шлиф, х 500

а б в

Рисунок 9. Микроструктура чугуна ЧХЗ (4-й вариант и высокотемпературный отжиг):

а - нетравленый шлиф, * 100; б - травленый шлиф, х 100; в - травленый шлиф, х 500

Результаты исследования влияния закалки по режиму: нагрев до 940°С, выдержка три часа, охлаждение в масле и отпуск при 200°С в течение двух часов на механические свойства и структуру чугуна, полученного по указанным ранее четырем вариантам, представлены на рис. 10-15.

вариант 1 вариант 2 вариант 3

Варианты обработки

вариант 4

■ НГ!Со □ НЯСмо

Рисунок 10. Влияние закалки с последующим отпуском на общую твердость и твердость металлической основы износостойкого чугуна ЧХЗ, полученного с использованием жидкофазной обработки V и Mg

вариант 1 вариант 2 вариант 3 вариант 4

варианты обработки

Рисунок 11. Влияние закалки с последующим отпуском на временное сопротивление при растяжении износостойкого чугуна ЧХЗ, полученного с использованием жидкофазной обработки V и

а б в

Рисунок 12. Микроструктура чугуна ЧХЗ 1-й вариант (закалка + отпуск)

а - нетравленый шлиф, х 100; б - травленый шлиф, х 100; в - травленый шлиф, х 500

Рисунок 13. Микроструктура чугуна ЧХЗ 2-й вариант (закалка + отпуск)

а - нетравленый шлиф, х 100; б - травленый шлиф, х 100; в - травленый шлиф, х 500

Рисунок 14. Микроструктура чугуна ЧХЗ 3-й вариант (закалка + отпуск)

а - нетравленый шлиф, х 100; б - травленый шлиф, х 100; в - травленый шлиф, х 500

б в

Рисунок 15. Микроструктура чугуна ЧХЗ 4-й вариант (закалка + отпуск)

а - нетравленый шлиф, х 100; б - травленый шлиф, х 100; в - травленый шлиф, х 500

Закалка с отпуском привела к изменению металлической основы перлита на мартенсит. Максимальные значения сгв были достигнуты при закалке чугуна, полученных комплексной обработкой УиМ8- 588 МПа, что на 95% выше ав чугунов первой группы и на 84% выше ав чугунов, полученных по 2 варианту.

Наилучшие результаты по значениям твердости и временного сопротивления при растяжении были получены при комплексной обработке ванадием и магнием износостойкого чугуна с применением закалки и отпуска.

Широкое применение в промышленности находят детали из износостойких белых чугунов, работающих в условиях интенсивного изнашивания. Представляя собой композиционный материал, белый чугун выгодно отличается от других износостойких сплавов, так как позволяет в широких пределах регулировать свойства изделий путем воздействия на процессы структурообразования при кристаллизации. Поэтому результаты изложенные выше были реализованы также при производстве отливок из хромистых износостойких чугунов.

Комплексная обработка высокохромистого чугуна путем введения в расплав ванадия и магния с применением закалки и отпуска позволила решить

проблему измельчения и равномерного распределения первичных карбидов для повышения механических и эксплуатационных свойств данного класса отливок.

С целью снижения уровня брака, повышения коэффициента использования металла заготовки и повышения эксплуатационных свойств валков трубоэлектросварочного стана на базе высокохромистого чугуна марки ЧХ16М с использованием вышеуказанной комплексной обработки была отлита партия валков, результаты испытаний которой приведены ниже.

Эксплуатационная стойкость опытных валков составила:

- для валка 1КВН530 - 320000 погонных метров проката с износом рабочего профиля 1 мм;

- для валка 5С530Б - 21000 погонных метров проката, при этом повреждений и дефектов на поверхности валка не обнаружено, износ на рабочей поверхности не выявлен в связи с небольшим сроком эксплуатации.

Полученные показатели эксплуатационных характеристик валков указанных позиций из сплава ЧХ16М в 1,3-1,5 раза выше аналогичных из стали Х12МЛ.

По результатам экспериментов для изготовления литых заготовок из чугуна с повышенной износостойкостью и твердостью была рекомендована комплексная технология получения чугунных прокатных валков, включающая в себя:

- выплавку исходного металла;

- комплексную обработку расплава;

- заливку металла в разовую форму и получение отливки;

- термическую обработку заготовки.

Скорректированный химический состав исходного расплава металла следующий (%, масс.) 2,25-2,40 % С; 0,35-0,50 % 81; 0,35-0,50 % Мп; до 0,03 % Б; до 0,03 % Р; 14,5-15,5 % Сг; 0,8-1,0% Мо, 0,26-0,30% V.

Внепечная обработка - комплексная обработка расплава ванадием и магнием с остаточным содержанием 0,085 %. Технология изготовления формы, включала использование легкоотделяемой прибыли с расчитываемым сечением пережима используемой диафрагмы, применением теплоизолирующих материалов для облицовки прибыльной части формы и закрытия металла в процессе заполнения прибыли через автономный подприбыльный питатель. При массе валков 600-1200 кг и толщине стенки 400700 мм получение их в разовую форму рационально. Термическая обработка отливок: отжиг перед черновой механической обработкой ( по режиму нагрев до 930°С, выдержка 4 часа и охлаждение на воздухе), закалку (по режиму нагрев до 940°С, выдержка 3 часа и охлаждение в масле) и отпуск.

Полученные результаты были положены в основу концепции выбора и получения структуры железоуглеродистого сплава, устойчивого к знакопеременным нагрузкам до 9000 МПа и температуре до 1150°С.

Рисунок 16. Литая заготовка валка из чугуна марки ЧХ16М

Разработанная технология производства литых заготовок из чугуна обеспечила требуемые химический состав, микроструктуру, свойства сплава и эксплуатационные характеристики валков. За счет комплексного подхода к технологическому процессу получения отливки была решена задача повышения коэффициента использования металла при изготовлении валков до 75-80%, с уровнем брака не более 3,0%. Промышленная эксплуатация опытных валков на трубоэлектросварочном стане ОАО «Выксунский металлургический завод» показала увеличение их эксплуатационного ресурса в 1,3-1,5 раза.

В шестой главе изложены результаты промышленного внедрения и перспективы использования разработок.

В чугунолитейном цехе ОАО «Выксунский металлургический завод» внедрен способ получения высокопрочного чугуна с технологией модифицирования расплава по «Сэндвич-процессу» лигатурой ФСМг7 фракции 0,1-10,0 мм. В качестве покровного материала на лигатуру используется чугунная стружка фракции 1,0-20,0 мм в количестве 1,0% от массы лигатуры. Результаты проведенной работы положены в основу разработки технологического процесса модифицирования, обеспечивающего его стабильность и снижение расхода лигатуры на 20%. Годовой экономический эффект на ОАО «Выксунский металлургический завод» составил 1468560 руб. Способ защищен патентом №2134302 «Способ получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом», зарегистрирован 10.08.1999.

В условиях ОАО «Выксунский металлургический завод» определен химический состав и разработаны технологии по выплавке, разливке микролегированной стали 35Л и по термообработке заготовок штампов с использованием термостата, учитывающих условия работы формовочных штампов прессопрокатной линии колесопрокатного цеха. Достигнута стабильная эксплуатационная стойкость формовочных штампов пресса 10000 т колесопрокатного цеха с пределами 500-650 циклов, при производстве колес. Ожидаемое снижение расхода штампов ~ 1,5 раза при снижении на 30% суммарных затрат времени на замену штампов. Годовой экономический эффект от внедрения составил 5228971 руб.

В литейном цехе ОАО «Выксунский металлургический завод» отлита промышленная партия наклонных и нажимных валков из стали. Разработаны технологии выплавки, отливки и термообработки заготовок валков. Данная технология позволила улучшить структуру металла, повысить физико-механические свойства и эксплуатационный ресурс изделий (Патент №2339728 «Сталь для валков горячей прокатки», зарегистрирован 27.11.2008. патент №2341580 «Графитизированная сталь для прокатных валков» зарегистрирован 20.12.2008). Эксплуатационная стойкость валков, изготовленных по рекомендованным технологиям, оказалась выше серийных:

- для нажимных валков в среднем в 2,5-3,0 раза;

- для наклонных валков в среднем в 1,6-2,0 раза.

Годовой экономический эффект от внедрения составил 1200000 руб.

Для выплавки колесной стали в условиях мартеновского цеха ОАО «Выксунский металлургический завод» используются чугуны Чусовского комбината с пониженным содержанием углерода и марганца. В связи с этим отработана технология использования алюмошлака как в период плавления с целью экономии чугуна - экономический эффект составил 94,16 руб. на 1 т стали, так и в период предварительного раскисления с целью экономии Ре81Мп - экономический эффект составил 1,92 руб. на 1 т стали. Суммарный годовой экономический эффект при выплавке колесной стали в мартеновской печи в условиях ОАО «Выксунский металлургический завод» составил 38 млн руб.

В литейном цехе ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» был внедрен новый состав модификатора. Модифицирующая смесь применима для обработки чугуна (Патент №2298047 «Модифицирующая смесь» зарегистрирован 27.04.2007). Физико-механические свойства чугунного литья повышаются на 25-30%. Применение нового модификатора позволяет экономить металл, снижать массу деталей и повышать их долговечность. Годовой экономический эффект от внедрения модификатора 202130 руб.

В литейном цехе ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» внедрен способ модифицирования высокопрочного чугуна в ковше мелкой фракцией лигатуры ФСМг5. Применение этой технологии позволило расширить номенклатуру получаемого литья и некоторые отливки из стали отливать из высокопрочного чугуна - современного материала с высокими показателями физико-механических свойств. Применение разработанной технологии дает возможность экономить металл и снижать массу отливок. Годовой экономический эффект от внедрения высокопрочного чугуна на ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» составил 98000 руб.

Внедрение разработок позволило повысить качество и обеспечить снижение себестоимости отливок, увеличить ресурс работы деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур. Эффект от использования разработанных технологий образуется за счет снижения затрат на эксплуатацию деталей с повышенным сроком службы, сокращения расхода запасных частей и сменного оборудования, сокращения капитальных затрат на организацию дополнительного

производства отливок и др. Среднегодовой суммарный экономический эффект от внедрения всех разработанных автором технологий комплексной обработки железоуглеродистых сплавов составляет около 45 млн. руб в ценах 2007 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлены основные причины выхода из строя стальных и чугунных изделий, работающих в условиях знакопеременных разгрузок и высоких температур. К ним относятся:

- причины, возникающие в процессе изготовления деталей: холодные или горячие трещины, раковины, плены, неметаллические включения;

- причины, возникающие в процессе эксплуатации: сетка разгара, сколы.

2. Разработана концепция выбора и получения структуры железоуглеродистого сплава, устойчивого при эксплуатации к знакопеременным нагрузкам до 9.000 МПа и температуре до 1150°С. Ее основные положения:

улучшение структуры отливок, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур достигается микролегированием ванадием и цирконием, оптимальная концентрация которых находится в пределах 0,025-0,030% и 0,05-0,10% соответственно;

- стабилизация и однородность структуры заготовок достигается при охлаждении заготовки в термостате в интервале 700-200°С;

- комплексные методы получения отливок работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур реализуются в комплексной жидкофазной обработке: микролегирование и модифицирование расплава ванадием в пределах 0,30 - 0,35% и магнием в пределах 0,080-0,085% соответственно и термическая обработка: закалка+отпуск.

Данная концепция реализована на практике применительно к технологиям получения отливок из сталей 35, У15ХНМФ и чугунов ВЧ45, ЧХ16М.

3. Получены общие феноменологические уравнения связи числа центров кристаллизации (для стали) и центров графитизации (для чугуна) с параметрами процесса кристаллизации сплавов, устанавливающие изменения структуры в зависимости от основных технологических факторов и физических характеристик материала.

4. Предложена и проверена на практике упрощенная методика оценки раскисляющей способности материалов основанная на замене химических активностей элементов концентрациями раскислителей, соответствующих определенной концентрации кислорода.

5. Предложена и проверена на практике схема расчета основных параметров процесса модифицирования для стабильного получения высокопрочного чугуна. Выполнены расчеты взаимодействия магния с кислородом в ковше и размеров сливного отверстия в промежуточной крышке-

чаше с учетом мощности струи. Оптимальный режим модифицирования обеспечивает требуемую структуру, повышает усвоение модификатора при снижении его расхода и уменьшает пироэффект.

6. Разработан и внедрен в действующее производство ряд технологических решений для формовочных штампов из стали 35, для нажимных и наклонных валков из стали У15ХНМФ и графитизированной стали, позволяющих измельчить и упрочнить структурные составляющие, что дает возможность устранить неравномерность твердости по сечению и повысить твердость на рабочей поверхности заготовок.

7. Разработан и внедрен в действующее производство ряд технологических решений для валков из чугуна ЧХ16М, для изложниц и других отливок из чугуна ВЧ45, позволяющих уменьшить размер включений графита при улучшении его формы, измельчить цементит, что обеспечивает повышение физико-механических свойств отливок.

8. Внедрение разработанных технологий обеспечило повышение эксплуатационного ресурса деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур, в среднем в 2-3 раза. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы составил около 45 млн. рублей в год.

Основные результаты работы представлены в публикациях:

I. Монографии и учебники:

1. Коровин, В.А. Комплексная обработка расплава стали и чугуна [Текст]: Монография / В.А. Коровин, Р.Н. Палавин. - Нижний Новгород: НГТУ им.Р.Е.Алексеева, 2009. - 100 с.

2. Вагин, Г.Я. Ресурсо- и энергосбережение в литейном производстве [Текст]: Учебник / Г.Я. Вагин, В.А. Коровин, И.О. Леушин, А.Б. Лоскутов. - М.: Форум, 2012. - 270 с.

3. Коровин, В.А. Механизм образования и меры предотвращения дефектов чугунных и стальных отливок [Текст]: Учебник/ В.А. Коровин, И.О. Леушин. - М.: Форум, 2013. - 112 с.

II. Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях:

4. Коровин, В.А. Модифицирующаяся смесь для перлитного ковкого чугуна / В.А. Коровин, A.A. Рыжиков, A.M. Моисеенко // Автомобильное производство. - 1985. - №12. - С.2-3.

5. Коровин, В.А. Получение перлитного и ферритного ковких чугунов на основе единой шихты / В.А. Коровин, A.A. Рыжиков, A.M. Моисеенко // Литейное производство. - 1986. — №1.— С.30-31.

6. Коровин, В.А. Модификатор для чугуна / В.А. Коровин, A.A. Рыжиков // Литейное производство. - 1986. — №2. - С.34.

7. Коровин, В.А. Способ получения отливок с улучшенными свойствами / В.А. Коровин, A.A. Рыжиков, В.Н. Федосов // Литейное производство. - 1986. - №9. - С. 28-29.

8. Коровин, В.А. Высокопрочный чугун / В.А. Коровин, В.Н. Колпаков,

A.B. Большаков // Литейное производство. - 1990. - №2. - С. 28.

9. Коровин, В.А. Повышение эффективности модифицирования ковкого чугуна / В.А. Коровин, В.И. Фокин // Литейное производство. - 1995. - №4. -С. 18-20.

10. Беляев, C.B. Использование шлаковых съемов, образующихся при переплаве лома и отходов алюминия / C.B. Беляев, В.А. Коровин, А.Н. Грачев // Литейное производство. - 2003. - №11. - С. 9 -10.

11. Леушин, И.О. Горячая деформация чугуна с шаровидным графитом: производственная реализация / И.О. Леушин, В.Н. Дубинский, В.А. Коровин,

B.В. Галкин, А.Н. Грачев, В.А. Пряничников // Черные металлы. - 2007. - №4. -С. 17-19.

12. Леушин, И.О. Повышение эксплуатационной стойкости литых валков горячей прокатки / И.О. Леушин, В.А. Коровин, Р.Н. Палавин, В.Н. Колганов, И.П. Степанов, A.C. Киров // Заготовительные производства в машиностроении. - 2009. - №1. - С. 45-46.

13. Леушин, И.О. Горячая деформация чугуна с шаровидным графитом / И.О. Леушин, В.А. Коровин, В.Н. Дубинский, В.В. Галкин, А.Н. Грачев, В.А. Пряничников // Известия вузов. Черная металлургия. - 2007. - №1. - С. 34-36.

14. Коровин, В.А. Совершенствование процесса модифицирования высокопрочного чугуна / В.А. Коровин, И.О. Леушин, В.А. Героцкий // Черные металлы. - 2009. - №7. - С. 6-7.

15. Коровин, В.А. Внепечная обработка и качество металла / В.А. Коровин, Р.Н. Палавин, В.Н. Колганов, C.B. Черкасов, C.B. Костромин // Черные металлы. - 2009.-№8.-С. 13-15.

16. Коровин, В.А. Взаимосвязь процессов модифицирования и графитообразования в чугуне / В.А. Коровин, И.О. Леушин // Черные металлы. -2010,- №7. - С. 30-32.

17. Коровин, В.А. Комплексная технология обработки стали для повышения качества ответственных деталей / В.А. Коровин, И.О. Леушин, A.C. Киров // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2010

C. 74-78.

18. Коровин, В.А. Микролегирующее воздействие на расплав стали / В.А. Коровин, И.О. Леушин, A.C. Киров // Литейное производство, 2011. - №7. - С.6-9.

19. Коровин, В.А. Влияние модифицирования на структуру и свойства чугуна и стали для прокатных валков / В.А. Коровин, И.О. Леушин, Р.Н. Палавин, A.C. Киров // Литейщик России. - 2011. - №12. - С. 15-17.

20. Коровин, В.А. Эффективность микролегирования стали 150ХНМЛ ванадием при получении прокатных валков / В.А. Коровин, И.О. Леушин, A.C. Киров, C.B. Костромин // Заготовительные производства в машиностроении. -2012. -№1,- С. 44-47.

21. Коровин, В.А. Влияние микролегирования и модифицирования на структуру и свойства специальных сталей / В.А. Коровин, Р.Н. Палавин // Литейное производство. - 2012. - №4. - С.8-9.

22. Коровин, В.А. Возможные варианты переработки металлургических отходов / В.А. Коровин, И.О. Леушин, C.B. Беляев, О.В. Токарникова, В.А. Ульянов, В.К. Седунов, П.А. Слузов // Металлургия машиностроения. - 2012. -№5. - С.23.

23. Коровин, В.А. Рециклинг металлургических шлаков в литейно-металлургическом комплексе / В.А. Коровин, И.О. Леушин, C.B. Беляев, В.К. Седунов, П.А. Слузов // Заготовительные производства в машиностроении. -2013.-№4.-С. 8-9.

III. Публикации, отражающие результаты экспериментальных исследований и практическую значимость:

24. Рыжиков, A.A. Влияние азота и кислорода при модифицировании перлитного чугуна / A.A. Рыжиков, В.А. Коровин // Газы и неметаллические включения в литейных сплавах: Материалы Республиканской конф. -Запорожье, 1985.-С. 143-144.

25. Фишер, В.Б. Неметаллические включения в доэвтектическом чугуне / В.Б. Фишер, В.А. Коровин // Газы и неметаллические включения в литейных сплавах: Материалы Республиканской конф. - Запорожье, 1985. - С.160-161.

26. Коровин, В.А. Серый чугун доэвтектического состава / В.А. Коровин // Материалы Республиканской конф. - Одесса, 1990. - С. 147-148.

27. Коровин, В.А. Совершенствование технологического процесса производства отливок из серого чугуна / В.А. Коровин // Материалы Республиканской конф. - Днепропетровск, 1990.-С. 123-124.

28. Коровин, В.А. Оптимизация параметров процесса литья из высокопрочного чугуна при модифицировании в форме / В.А. Коровин, В.И. Фокин, В.Н. Колганов, A.B. Большаков, А.И. Щербаков // Материалы Республиканской конф. - Киев, 1995. - С.137-140.

29. Коровин, В.А. Получение антифрикционных чугунов со стабильной структурой / В.А. Коровин, Р.Н. Палавин, В.Н. Колганов И Материаловедение и металлургия: Сборник трудов НГТУ. - Н.Новгород, 2000. - С. 71-74.

30. Коровин, В.А. Экономно-легированная жаропрочная сталь / В.А. Коровин, A.A. Колганов, В.Н. Колганов Р.Н. Палавин // Материаловедение и металлургия: Сборник трудов НГТУ. - Н.Новгород, 2000. - С.75-77.

31. Коровин, В.А. Совершенствование технологии получения высокопрочного чугуна / В.А. Коровин, A.B. Исаев, А.И. Роньжин, В.А. Дубинин, А.И. Щербаков, A.B. Пономарев // Материаловедение и металлургия: Сборник трудов НГТУ. - Н.Новгород, 2001. - С. 56-60.

32. Коровин, В.А. Анализ и составление математической модели процесса модифицирования высокопрочного чугуна в условиях ОАО «ВМЗ» / В.А. Коровин, A.B. Исаев, А.И. Роньжин, В.А. Дубинин, А.И. Щербаков // Материаловедение и металлургия: Сборник трудов НГТУ. — Н.Новгород, 2001. - С. 71-74.

33. Леушин, И.О. Отходы алюминиевого производства в технологии выплавки стали / И.О. Леушин, В.А. Коровин, И.Г. Казаков, А.И. Щербаков,

Ю.С. Демин // Прогрессивные литейные технологии: Материалы ВНТК- М.: МИСиС, 2002.-С. 109-112.

34. Коровин, В.А. Переработка и применение алюмосодержащего шлака / В.А. Коровин, C.B. Беляев, А.Н. Грачев // Материаловедение и металлургия: Сборник трудов НГТУ. - Н.Новгород, 2003. - Т. 38. - С. 58-61.

35. Коровин, В.А. Легирование стали - экономный путь повышения эксплуатационной стойкости штампов / В.А. Коровин, И.О. Леушин, А.И. Щербаков, А.Н. Исайкин, С.А. Королев, С.Г. Максимов, A.A. Шишов И Литейное производство сегодня и завтра: Материалы конф. - Санкт Петербург, 2003.-С. 81-83.

36. Леушин, И.О. Использование отходов литейно-металлургического производства для разработки ресурсосберегающих технологий / И.О. Леушин, И.Е. Илларионов, В.А. Коровин // Известия Национальной академии наук и искусств Чувашской Республики, 2003. - №3. - С. 107-118.

37. Коровин, В.А. Комплексное рафинирование сталей отходами алюминиевого производства / В.А. Коровин, И.О. Леушин, A.A. Шишов, П.П. Степанов, А.И. Щербаков // Литейное производство сегодня и завтра: Материалы конф. - Спб., 2004. - С. 87-89.

38. Коровин, В.А. Модифицирование серого чугуна карбонатами / В.А. Коровин, C.B. Беляев, А.Н. Грачев // Материаловедение и металлургия: Сборник трудов НГТУ. - Н.Новгород, 2005. - Т. 50. - С. 95-98.

39. Коровин, В.А. Повышение стойкости инструмента деформации прессопрокатной линии / В.А. Коровин, И.О. Леушин, В.В. Андреев, А.И. Щербаков, П.П. Степанов // Сб. научных трудов, VII съезд литейщиков России. -Новосибирск, 2005.-С. 153-154.

40. Коровин, В.А. Универсальный комплексный модификатор / В.А. Коровин, И.О. Леушин, В.А. Пряничников // Прогрессивные литейные технологии: Материалы Международной научно-практической конф. - М.: 2005. - С. 82-85.

41. Леушин, И.О. Оптимизация технологии производства заготовок для прокатных валков с целью стабилизации процесса и повышения эксплуатационного ресурса / И.О. Леушин, В.А. Коровин // Прогрессивные литейные технологии: Материалы IV Международной научно-практической конф. - М.: МИСиС, 2007. - С. 84-86.

42. Коровин, В.А. Высокопрочный чугун и изготовление чугунных отливок кругной формы взамен стальных / В.А. Коровин, И.О. Леушин, Р.Н. Палавин // Труды восьмого съезда литейщиков России. - Т.1. Черные и цветные сплавы. - Ростов-на-Дону, 2007. - С. 64-68.

43. Korovin, V. Examination of the impact of inoculationand inoculant's type on the structure and physical - mechanical properties of iron and steel / V. Korovin, R. Palavin, I. Leushin, V. Kolganov // CIS Jron and Steel Review, 2008. - №1-2. -P.7-9.

44. Коровин, В.А. Анализ существующих технологий плавок внепечной обработки металла заготовок валков / В.А. Коровин, И.О. Леушин, A.C. Киров

// Труды НГТУ им. Р.Е.Алексеева: Материаловедение и металлургия. - Т. 68. -Н.Новгород, 2008,-С. 59-61.

45. Беляев, C.B. Использование алюмошлака и шлаков гальванического производства в литейно-металлургических технологиях / C.B. Беляев, В.А. Коровин // Литейное производство сегодня и завтра: Материалы Всероссийской научно-практической конф. - Спб., 2008. - С. 24-30.

46. Коровин, В.А. Анализ оборудования и удаление неметаллических включений при расплавлении расплава стали / В.А. Коровин, И.О. Леушин, В.А. Героцкий // Прогрессивные литейные технологии: Материалы V Международной научно-практической конф. — М.: НИТУ МИСиС, 2009. - С. 158-160.

47. Палавин, Р.Н. Комплексное воздействие на расплав при внепечной обработке / Р.Н. Палавин, В.А. Коровин, И.О. Леушин, В.Н. Колганов // Труды IX съезда литейщиков России - Уфа: 2009. - С. 156-159.

48. Коровин, В.А. Применение алюмошлака при плавке стали в основной мартеновской печи / В.А. Коровин, И.О. Леушин, В.А. Героцкий // Теория и технология металлургического производства: Межрегиональный сборник научных трудов — Магнитогорск: МГТУ, 2009. — С. 52-56.

49. Коровин, В.А. Микролегирование жаропрочных сталей / В.А. Коровин, Р.Н. Палавин, В.И. Колганов // Заготовительные производства и материаловедение: Материалы Межрегиональной научно-практической конф. Н. Новгород: НГТУ; 2009. -С. 11-12.

50. Коровин, В.А. Выбор материала для сменного инструмента деформации трубных цехов / В.А. Коровин, A.C. Киров, А.И. Щербаков, В.И. Пчемян // Заготовительные производства и материаловедение: Материалы Межрегиональной научно-практической конф. - Н.Новгород: НГТУ, 2009. - С.35.

51. Коровин, В.А. Повышение термоциклической стойкости материала / В.А. Коровин, И.О. Леушин, А.И. Щербаков, П.П. Степанов // Труды НГТУ. -Т.2. - 2004. - С. 65-67.

52. Коровин, В.А. Взаимосвязь процессов плавки и модифицирования высокопрочного чугуна / В.А. Коровин, И.О. Леушин, В.А. Героцкий // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. - Н.Новгород, 2010. - №3 (82). - С. 224-229.

53. Коровин, В.А. Комплексная обработка расплава износостойкого чугуна / В.А. Коровин, Р.Н. Палавин, И.О. Леушин, И.В. Гейко II Теория и технология металлургического производства: Межрегиональный сборник научных трудов. - Вып. 10. - Магнитогорск: МГТУ, 2010. - С. 92-97.

54. Коровин, В.А. Особенности технологии изготовления кованой заготовки для валков из литой стали Х12М / В.А. Коровин, И.О. Леушин, Р.Н. Палавин, А.И. Щербаков // Литейное производство сегодня и завтра: Труды VIH Всероссийской научно-практической конф. - Спб.: Изд-во Политехнического университета, 2010.-С. 171-172.

55. Коровин, В.А. Повышение эффективности работы прибылей мелкого стального литья в условиях ОАО «НМЗ» / В.А. Коровин, И.О. Леушин, В.В.

Потапов, И.А. Толстов, С.А. Тараканов, В.И. Мешков, И.В. Гейко// Прогрессивные литейные технологии: Труды VI Международной научно-практической конф. - М.: НИТУ МИСиС, 2011. - С. 118-122.

56. Коровин, В.А. Эффективность микролегирования стали 150XHMJI при получении валков в условиях ОАО «ВМЗ»/ В.А. Коровин, И.О. Леушин,

A.C. Киров // Прогрессивные литейные технологии: Труды VI Международной научно-практической конф. - М.: НИТУ МИСиС, 2011. - С. 124-127.

57. Коровин, В.А. Микролегирование литой конструкционной стали /

B.А. Коровин, Р.Н. Палавин, И.О. Леушин, C.B. Костромин // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. - Н.Новгород, 2011. - №2 (87). - С. 199-207.

58. Коровин, В.А. Исследования возможных вариантов переработки металлургических отходов / В.А. Коровин, И.О. Леушин, C.B. Беляев, О.В. Токарникова, В.А. Ульянов, В.К. Седунов, П.А. Слузов // Литейное производство сегодня и завтра: Труды IX Международной научно-практической конференции, посвященной 20-летию образования РАЛ, 10-летию создания журнала «Литейщик России». - СПб.: Из-во Политех, ун-та., 2012. -С. 118-120.

59. Коровин, В.А. Теория и практика плавки и внепечной обработки жидких сплавов / В.А. Коровин, И.О. Леушин, И.В. Гейко // Теория и практика литейных процессов: Сборник трудов Всероссийской научно-практической конф. - Новокузнецк, 2012. - С. 79-83.

IV. Авторские свидетельства и патенты

60. Коровин, В.А. A.c. №1087561. Модифицирующая смесь / В.А. Коровин, A.M. Моисеенко, Е.И. Макаров, А.А.Рыжиков // Опубл. в Б.И, 1984.-№15.

61. Коровин, В.А. A.c. №1161571. Способ графитизирующего отжига отливок из белого чугуна / В.А. Коровин, А.А.Рыжиков // Опубл. в Б.И, 1985. -№22.

62. Коровин, В.А. A.c. №1201052. Способ получения отливок / В.А. Коровин, А.А.Рыжиков, В.И. Сиротов // Опубл. в Б.И, 1985. - №48.

63. В.А. Коровин, А.А.Рыжиков, A.M. Моисеенко // Опубл. в Б.И, 1986. -

№4.

64. Коровин, В.А. A.c. №1232688. Модифицирующая смесь / В.А. Коровин, А.А.Рыжиков // Опубл. в Б.И, 1986.

65. Коровин, В.А. A.c. №1320235. Модифицирующая смесь / В.А. Коровин, A.M. Моисеенко, С.Г. Курилин, Н.И. Шанина // Опубл. в Б.И, 1987.-№24.

66. Коровин, В.А. A.c. №1320254. Модифицирующая смесь для ковкого чугуна / В.А. Коровин, А.А.Рыжиков, A.M. Моисеенко, Б.В. Глушков // Опубл. в Б.И, 1987. - №24.

67. Коровин, В.А. A.c. №1574673. Ковкий чугун / В.А. Коровин, В.Н. Колганов // Опубл. в Б.И, 1990. - №24.

68. Коровин, В.А. A.c. №1705349. Способ обработки жидкого чугуна / В.А. Коровин, В.Н. Колганов // Опубл. в Б.И, 1992. - №2.

69. Коровин, В.А. Патент №7016079. Способ получения высокопрочного чугуна / В.А. Коровин, В.Н. Колганов, A.B. Большаков, В.Н. Гаврилов, A.A. Колпаков // Опубл. в Б.И, 1994. - №13.

70. Коровин, В.А. Патент №1958723. Способ получения высокопрочного чугуна / В.А. Коровин, В.Н. Колганов, A.A. Колпаков // Опубл. в Б.И, 1999.

71. Фокин, В.И. Патент №2134302. Способ получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом / В.И. Фокин, В.Н. Колганов, В.А. Коровин, A.A. Колпаков, Р.Н. Палавин // Опубл. в Б.И, 10.08.1999.

72. Колганов, В.Н. Патент №2139951. Жаропрочная сталь / В.Н. Колганов, В.А. Коровин, Р.Н. Палавин, В.И.Бабаев II Опубл. в Б.И, 20.10.1999.

73. Колганов, В.Н. Патент №2156827. Антифрикционный чугун / В.Н. Колганов, Р.Н. Палавин, В.А. Коровин, А.И. Пигаев // Опубл. в Б.И, 27.09.2000.

74. Андреев, В.В. Свидетельство №2005612475. Восстановление информации об условиях испытаний на усталость металлов с использованием искусственных нейроновых сетей / В.В. Андреев, Е.Д. Варламова, В.А. Коровин // Зарегистрировано 22.09.2005.

75. Леушин, И.О. Патент №2298047. Модифицирующая смесь / И.О. Леушин, В.А. Коровин, В.А. Новоселов, В.А. Пряничников, Л.А. Смирнова, Д.А. Мошнин // Опубл. в Б.И, 22.04.2007.

76. Палавин, Р.Н. Патент №2341580. Графитизированная сталь для прокатных валков / Р.Н. Палавин, В.А. Коровин, В.Н. Колганов, А.Н.Щербаков И Опубл. в Б.И, 2008. - №35.

77. Палавин, Р.Н. Патент №2339728. Сталь для валков горячей прокатки / Р.Н. Палавин, В.Н. Колганов, В.А. Коровин, А.Н.Щербаков, Э.А. Чаруйский // Опубл. в Б.И, 2008. - №33.

78. Палавин, Р.Н. Патент №2341582. Легированная сталь для прокатных валков / Р.Н. Палавин, В.Н. Колганов, В.А. Коровин И Опубл. в Б.И, 2008. -№35.

79. Коровин, В.А. Патент №2437953. Сталь для прокатных валков / В.А. Коровин, Р.Н. Палавин, И.О. Леушин, A.C. Киров // Опубл. в Б.И, 2011. - №36.

Подписано в печать 23.10.2013. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 120 экз. Заказ 760.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

ч>

Нижегородский государственный технический университет

им. Р.Е.Алексеева

На правах рукописи

05201450606

Коровин Валерий Александрович

КОМПЛЕКСНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Специальность 05.16.04 — Литейное производство

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: д.т.н., профессор Леушин Игорь Олегович

Нижний Новгород 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................................................................5

Глава 1. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

СОСТОЯНИЯ ВОПРОС А................................................................................................................................13

1.1. Детали, работающие в условиях знакопеременных нагрузок ■ и высоких температур и материалы для их изготовления..........................13

1.2. Проблема обеспечения качества материала литых заготовок и пути её решения..........................................................................................28

1.2.1. Газы в стали..................................................................................................................44

1.2.2. Сера в стали..................................................................................................................61

1.3. Выводы по главе. Цель работы и задачи исследования............67

Глава 2. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЖИДКОФАЗНОЙ ОБРАБОТКИ

СТАЛЬНЫХ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК..........................................................................................70

2.1. Варианты жидкофазной обработки стали................................................70

2.2. Исследование закономерностей жидкофазного рафинирования........................................................................................................................71

2.2.1. Выбор элементов для рафинирования............................................................71

2.2.2. Механические свойства и структура

рафинированной литой конструкционной стали..........................................82

2.3. Исследование закономерностей жидкофазного микролегирования................................................................................................................90

2.3.1. Микролегирование литой конструкционной стали..................90

2.3.2. Механические свойства и структура

микролегированной литой конструкционной стали..............................99

2.4. Обобщенная схема получения расплава................................................108

2.5. Выводы по главе............................................................................................................114

Глава 3. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА

СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ЛИТЫХ 116 ЗАГОТОВОК...................................

3.1.Основы оптимизации структуры............ 116

3.2. Проблемы получения чугунных заготовок........................... 135

3.3. Обобщенная физическая модель процесса кристаллизации и модифицирования чугуна............................... 137

3.4. Рабочая физико-химическая схема процесса модифицирования жидкого чугуна..................................... 140

3.5. Выводы по главе...................................................... 147

Глава 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ

И ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА СТАЛЬНЫХ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК..................................................................... 149

4.1. Комплексная обработка расплава стали......................... 149

4.2. Новая методика оценки раскисляющей способности при применении технологического отхода (алюмошлак) при

плавке стали в основной мартеновской печи....................... 173

4.3. Комплексная технология обработки стали для

повышения качества ответственных деталей СИД................. 183

4.4. Выводы по главе..................................................... 202

Глава 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ

И ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА ЧУГУННЫХ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК............................................................... 204

5.1. Технологические аспекты процесса модифицирования жидкого расплава при получении высокопрочного чугуна...... 204

5.2. Комплексная обработка износостойкого чугуна............... 208

5.2.1. Влияние обработки на структуру и механические

свойства чугуна в литом состоянии................................... 212

5.2.2. Влияние термической обработки на структуру

и механические свойства обработанного чугуна....................................221

5.3. Комплексная технология производства чугунных

валков..............................................................................................................................................229

5.4. Выводы по главе..............................................................................................................235

Глава 6. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ВНЕДРЕНИЯ

И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТОК....................236

6.1. Результаты промышленного освоения разработок........................236

6.2. Оценка технической и экономической

эффективности использования разработанных технологий..........239

6.3. Перспективы разработок......................................................................................................242

6.4. Выводы по главе..............................................................................................................243

Общие выводы................................................................................................................................................245

Библиографический список................................................................................................................248

Приложения......................................................................................................................................................274

Приложение 1. Акты использования разработок, выполненных

под руководством автора диссертации............................................275

Приложение 2. Расчеты экономических эффектов

от разработок............................................................................................................280

Введение

Актуальность проблемы

В настоящее время промышленность остро нуждается в разработке и внедрении эффективных и высокопроизводительных технологических процессов литья заготовок деталей машин с высокими эксплуатационными свойствами, способных выдерживать большие тепловые и знакопеременные нагрузки, обладающих длительным ресурсом работы. Отсюда необходимым становится значительное повышение уровня свойств материала отливок и заготовок, определяющих конструкционную прочность, эксплуатационную стойкость и надежность литых деталей. Это особенно важно для литых заготовок, используемых для изготовления ответственных деталей сменного инструмента деформации, работающего в условиях тяжелых знакопеременных нагрузок и высоких температур (например, на колесопрокатных и трубопрокатных линиях металлургических предприятий).

Большой вклад в разработку и решение этой проблемы внесли российские ученые: H.H. Александров, К.И. Ващенко, К.Н. Вдовин, Н.Г. Гиршович, Я.Е. Гольдштейн, И.А. Дибров, A.A. Жуков, Е.В. Ковалевич, В.М. Колокольцев, Г.А. Косников, Хосен Ри, A.A. Рыжиков и др.

Тем не менее эксплуатационный ресурс целого ряда ответственных деталей, и прежде всего деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур (штампов, валков, пресс-форм, деталей

металлургического оборудования), остается недостаточным, не соответствующим постоянно растущим современным требованиям. Это свидетельствует о нерешенности упомянутой ранее проблемы и обусловливает необходимость продолжения исследований в данном направлении. При этом приоритетное внимание требуется уделить комплексным методам обработки материала литых заготовок.

Связь работы с научными программами

Исследования проводились в соответствии с тематическим планом НИР НГТУ, реализуемым по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации на 2001-2009 гг. по теме «Разработка фундаментальных основ создания новых металлических, неметаллических и композиционных материалов», а также рядом федеральных и региональных целевых программ.

Цель работы

Совершенствование практики получения стальных и чугунных отливок для увеличения эксплуатационного ресурса деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур, за счет комплексного воздействия на расплав при производстве отливок из стали и чугуна.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - выявление причин разрушения штатных изделий, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур, разработка рекомендаций по их устранению и помощь в их реализации;

- систематизация данных по качественному и количественному влиянию обработки активными элементами расплавов сталей и чугунов по характеристикам отливок;

- исследование взаимосвязи процессов микролегирования, модифицирования и рафинирования расплава и выявление их комплексного воздействия на микроструктуру, механические свойства и износостойкость заготовок деталей из стали и чугуна;

- совершенствование технологического процесса, физико-химической схемы технологии процесса модифицирования высокопрочного чугуна и методики определения рабочих параметров процесса;

- исследование процессов раскисления и рафинирования расплава стали с использованием отходов, образующихся при производстве вторичного алюминия, и разработка методики оценки раскисляющей способности алюмошлака путем сравнения концентраций раскислителей и кислорода;

- разработка ряда новых технологических решений получения заготовок, обеспечивающих повышение эксплуатационного ресурса ответственных деталей (валков, штампов, пресс-форм, деталей металлургического оборудования);

- внедрение результатов исследований и разработок в действующее производство.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Принципы управляемого создания структурных составляющих в материале формирующихся отливок для увеличения эксплуатационного ресурса деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур за счет комплексного воздействия на расплав.

2. Промышленные технологии получения заготовок, обеспечивающих повышение эксплуатационного ресурса ответственных деталей (валков, штампов, деталей металлургического назначения).

3. Экспериментальные и теоретические оценки взаимосвязи структуры, механических свойств и эксплуатационных характеристик стальных и чугунных отливок для ответственных деталей.

4. Закономерности влияния технологических воздействий при изготовлении стальных и чугунных отливок для деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур.

Научная новизна диссертационной работы

1. Разработана концепция выбора и получения структуры сплава, устойчивого при эксплуатации к знакопеременным нагрузкам до 9.000 МПа и температуре до 1150°С.

2. Установлена взаимосвязь микролегирующего, модифицирующего и рафинирующего эффектов, обеспечивающих измельчение зерна и

равномерное распределение структурных составляющих и неметаллических включений в материале формирующихся отливок.

3. Получены общие уравнения связи числа центров кристаллизации (для стали) и центров графитизации (для чугуна) с параметрами процесса кристаллизации сплавов.

4. Разработана упрощенная методика оценки раскисляющей способности элементов при жидкофазной обработке железоуглеродистых сплавов.

5. Разработана методика математического расчета рабочих параметров процесса модифицирования для стабильного получения высокопрочного чугуна при снижении расхода лигатуры.

6. Научно обоснована технология изготовления стальных и чугунных отливок ответственного назначения, обеспечивающая формирование оптимальной исходной кристаллической структуры и способствующая реализации самоорганизующихся процессов фазообразования и формирования выделений зародышевого типа.

7. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность способов обработки железоуглеродистых расплавов, позволяющих существенно повысить эксплуатационный ресурс ответственных деталей.

Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности

1. Разработан ряд технических и технологических решений (составы новых материалов, модификаторов и лигатур, способы обработки расплава, химические составы чугунов и сталей), обеспечивающих повышение физико-механических и эксплуатационных свойств литых заготовок для изготовления ответственных деталей. Решения защищены 20 авторскими свидетельствами и патентами РФ.

2. Разработаны и внедрены в производство технологии комплексного воздействия на расплавы чугуна и стали с целью повышения качества отливок, используемых для изготовления деталей инструмента, работающего в сложных эксплуатационных условиях.

Технологии внедрены на ОАО «Выксунский металлургический завод» и ОАО «Нижегородский машиностроительный завод».

3. Суммарный экономический эффект от внедрения разработок в действующее производство составил 45 млн. руб. в ценах 2007 года.

Личный вклад соискателя состоит в том: 1. Разработке:

- новых и усовершенствованных сталей и чугунов с увеличенным в 2-3 раза эксплуатационным ресурсом для ответственных деталей (валков, штампов, деталей металлургического назначения);

- требований к оптимальной структуре сплавов, устойчивых при эксплуатации

к знакопеременным нагрузкам до 9.000 МПа и температурах до 1150°С.;

- принципов управляемого создания структурных составляющих в материале формирующихся отливок для деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур, реализуемые в промышленных условиях;

- технологических режимов получения стальных и чугунных отливок для ответственных деталей, обеспечивающих измельчение и очищение структуры за счет комплексного воздействия на расплав;

2. Оценке:

- влияния морфологии структурных составляющих на образование и рост трещины в отливке и детали;

- особенности влияния технологических параметров на количественные параметры структуры и механические свойства материала отливок;

3. Исследования:

- изменения структуры и свойств стали и чугунов после различных вариантов комплексного воздействия;

- влияния комплексного воздействия на расплав стали и чугунов на эксплуатационный ресурс деталей.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на Республиканской научно-технической конференции «Пути повышения качества и экологичности литейных процессов», г. Одесса, 1990 г.; на съездах литейщиков России: на II

съезде г. Ленинград, 1992 г.; на IV г. Владимир, 1997 г.; на VI г. Екатеринбург, 2003 г.; на VII г. Новосибирск, 2005 г.; на VIII г. Ростов-на-Дону, 2007 г.; на IX г. Уфа, 2009 г.; на X г. Казань, 2011г.; на Республиканской научно-технической конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали», г. Челябинск, 2001 г.; на Международных научно-практических конференциях «Прогрессивные литейные технологии», г. Москва, 2002, 2005, 2007, 2009, 2011г.; на Международных научно-практических конференциях «Литейное производство сегодня и завтра», г. Санкт-Петербург, 2003, 2008, 2010, 2012 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов», г. Новокузнецк, 2012г.

Публикации

Содержание диссертации опубликовано в 79 работах, в том числе 20 в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

По теме диссертации изданы 1 монография, 2 учебника, получено 20 авторских свидетельств, патентов и свидетельство на регистрацию программы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений, содержит 282 страницы машинописного текста, 86 рисунков, 26 таблиц и библиографический список, включающий 206 наименований.

Глава 1

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1. Детали, работающие в условиях знакопеременных нагрузок и высоких температур, и материалы для их изготовления

Интенсивность и стабильность колесопрокатного производства в большей своей части зависят от надежности и производительности прессопрокатной линии. Плановые и аварийные остановки отдельных прессов вызывают остановку всей технологической цепи прессопрокатной линии, отражаясь на производительности и качестве продукции — железнодорожных колес. Одним из наиболее важных звеньев прессопрокатной линии является пресс с усилием 10000 т, точнее, надежность его сменного инструмента деформации - верхнего и нижнего штампа, изготовляемых из стали 35Л, и прокатных валков, изготовляемых из стали и чугуна.

В процессе эксплуатации штампы и валки испытывают циклическую смену температур от 100 до 800-850 °С при удельном давлении деформации 250 мПа при температуре формовки колеса (1050°С). Высокая температура разогрева инструмента деформации обусловлена значительной длительностью контакта штампа и валка с горячей заготовкой

железнодорожного колеса, например, верхнего штампа 10 с, а нижнего штампа -26 сек.

После столь высокого разогрева следует жесткое душирующее охлаждение водой до температуры 150 - 200°С (в отдельных случаях и до 100°С). Замена штампа производится после появления на его поверхности и, в особенности, в области формовки ступицы колеса глубокой сетки разгара и кольцевых трещин, а у валков определенной степени износа. На рисунках соответственно представлены: рисунок 1.1 — литая заготовка валка; рисунок 1.2 - деталь - валок; рисунок 1.3- деталь - штамп.

Рисунок 1.1 — Литая заготовка валка

Рисунок 1.2 - Деталь - валок

Рисунок 1.3 - Деталь - штамп

Надежность и долговечность инструмента деформации прокатных станов являются решающими факторами, определяющими качество выпускаемой продукции, производительность и экономическую эффективность станов прокатки.

Например, валки являются важной сменяемой частью прокатного стана: их расход составляет приблизительно 0,5 % от массы п