автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Научные основы структурообразования, разработка и внедрение технологии литых крупногабаритных каландровых валов для бумагоделательных машин

р Г 6 од

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

На правах рукописи

Соценко Олег Васильевич

УДК 621.74:669.131.7

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЫХ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КАЛАНДРОВЫХ ВАЛОВ ДЛЯ БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНЫХ МАШИН

Специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая

обработка металлов

05.13.04 - Литейное производство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Днепропетровск - * V я э

Диссертацией является рукопись Работа выполнена в Государственной металлургической Академии Украины

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

Доктор технических наук, М А 3 У Р

профессор Владислав Иустинович

Доктор технических наук, С К О Б Л О

профессор Тамара Семеновна

Доктор технических наук КУРГАНОВ

Виктор Александрович

Ведущее предприятие - АО "ДНЕПРОГАЖМАШ"

О

Защита состоится дд^^^о)^ 1995 г. в

-у

на заседании специализированного ученого совета (шифр Д 03.II.01) по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Государственной металлургической Академии Украинь по адресу: 320635, г. Днепропетровск, 5, пр. Гагарина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственно! металлургической Академии Украины.

Автореферат разослан " ¿-^О^фл 1995 г.

Ученый секретарь специализированного

ученого совета, д.т.н., профессор М.М. САФЬЯН

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Диссертационная работа посвящена проблеме освоения производства крупных и особокрупных огливо: валов для бумагоделательного машиностроения и направлена н разработку и развитие современных технологических процессов обеспечивающих повышение качества и эксплуатационных характеристик, снижение материалоемкости, удешевление валковой про дукции, отказ от импорта ее из стран дальнего зарубежья и пе реход к экспортным поставкам. Тема работы соответствует науч ной проблематике кафедры и непосредственно связана с реализа цией программ технического перевооружения предприятий бумажно; промышленности стран СНГ и - в первую очередь - Украины, и ка~ следствие - обеспечения развития производства в ней • каландри рованной высококачественной газетной, писчей бумаги и для оф сетной печати; технической для ксероксов и диаграммной; бумаг для обоев и других ее видов, без которых невозможно развиги. образования, науки, культуры, обеспечение бытовых потребносте населения и превращение Украины в современное промышенно раз витое государство.

Производство высококачественного отделочного инструмент - каландровых валов в значительной мере связано с необходимое тью решения ряда теоретических и технологических задач в об ласти вальцелитейного производства. Это обусловлено недоста точной теоретической и экспериментальной изученностью влия ния легирования, модифицирования и термовременных факторов к механизм и кинетику структуро- и графитообразования в различ ных зонах крупных кокильных отливок, затвердевающих при разно интенсивности теплоотвода. Это в свою очередь сдерживает раз работку практических рекомендаций по конструированию литейны

форм, выбору и оптимизации химического состава чугуна, установлению рациональной операционной структуры технологического процесса, созданию эффективных приемов ковшового и .внутрифор-менного модифицирования больших масс расплава. По этой же причине при лигье каландровых валов не всегда обеспечивается стабильность и воспроизводимость основных физико-механических свойств и структурных характеристик отливок.

Проведенные комплексные исследования процессов формирования отливок из легированных чугунов в крупногабаритных кокильных формах и созданные на этой основе промышленные технологии производства высококачественных каландровых валов для комплектации действующих бумагоделательных машин на территории СНГ и экспортных поставок направлены на решение актуальной научной проблемы, которая имеет для Украины важное не только экономическое, но и в определенной мере - политическое значение.

Выполнение данной работа осуществлялось с 1963 г. по 1976 год в соответствии с.Постановлением директивных органов бывшего СССР ( 139 от 31.01.63 г.); с 1976 г. по 1985 г. - на основании координационного плана НИР, . утвержденного АН СССР (проблема 2.25.1.5, тема 03.03.08), а в последующие годы - по планам новой техники и модернизации производства предприятий бумагоделательного машиностроения.

Цель работы состоит в исследовании закономерностей процессов формирования структуры и свойств отливок в крупногабаритных кокильных формах, разработке методов управления этими процессами и создании теории и промышленной технологии литья каландровых валов из экономнолегированных отбеленных и высокопрочных чугунов для широкополосных высокоскоростных бумагоделательных машин. Для достижения поставленной цели решены такие основные задачи:

- экспериментальное и аналитическое исследование гвдрод намических, теплофизических, ликвавдюнных и кристадлизавдонв динамических процессов литья каландровых валов и их влияния однородность свойств чугуна по длине отливок;

- экспериментальное и аналитическое исследование влияв технологических факторов на структуру и уровень свойств чугу рабочего слоя, а также их дифференциацию в радиальном сечен, каландровых валов;

- экспериментальное и теоретическое исследование морфол гических, размерно-концентращянных, пространственно-тополог ческих и кинетических закономерностей формирования графита фазы и их влияния на качество каландровых валов;

- разработка, промышленное опробование и внедрение в пр изводство новых типов оптимизированных сплавов, технологиче ких приемов и процессов литья каландровых валов с высоки-эксплуатационными характеристиками, и конкурентоспособностью мировом рынке.

Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериме тально подтверждена совокупность научных положений и рекоме-даций, позволяющих целенаправленно управлять технологически процессами формирования структуры и свойств отливок крупног баритных каландровых валов из легированных отбеленных и вые-1 копрочных чугунов с невыраженным отбелом. Научная новиз' результатов, которые получены в процессе решения поставленв проблемы, состоит в следующем:

- установлены закономерности гидродинамических, теплоф зических и фильтрационных процессов в системе форма - отлив и их влияние на структурообразовавие и эффективность легиров-ния, ковшового и внутрифирменного модифицуфования, развита ликвационных явлений, дифференциацию и неоднородность физик;

механических свойств в основных макроструктурных зонах;

- обоснована необходимость комплексного легирования чугуна каландровых валов, определены технологически и экономически целесообразные пределы концентраций никеля, хрома, молибдена и ниобия в легирующих комплексах, обеспечивающих получение в рабочем слое бейнитной металлической основы и твердости 75...80 ед. по Шору;

- разработана методика критериальной оценки и оптимизации качества каландровых валов по твердости; показано, что уровень, стабильность, темп и характер изменения физикомеханичес-ких свойств чугуна в радиальном сечении отливки существенно зависят от концентрации включений графита, их размерно-морфологических и пространственно-топологических характеристик;

- получена новая научная информация об основных закономерностях и аномалиях пространственного строения и распределения графитных структур в микро- и макрообъемах ЧШГ;

- показано, что независимо от формы и размеров включения графита имеют объективные признаки блочно-агрегативного строения, и основным субструктурным элементом включений всех морфологических типов является пирамидальный блок - поликристаллит;

- разработана универсальная методика количественной оценки компактности графитных образований различного строения;

- предложены и обоснованы вероятные механизмы агрегатив-ной устойчивости и ориентированной коагуляции графитной фазы в расплавленном чугуне;

- показана идентичность основных этапов формирования графита в расплаве и коагуляционных структур в типичных коллоидных системах;

- методами высокоскоростной закалки чугуна из жидкого

состояния установлено, что формирование включений графита прс исходит путем ориентированной агрегации дисперсных поликрис таллитов;

- разработана и теоретически обоснована физико-математ* ческая модель процесса формирования компактного графита расплавах серого и карбвдосодержащего чугунов, подвергнуть глобуляризирующей обработке.

Практическая ценность. На основе обобщения научной инфор мации, полученной в результате проведенных исследований, сосланы рациональные технологические и металлургические нриеу производства высококачественных отливок крупногабаритных к& ландровых валов. Их определяющие положения реализованы в кое кретных технологических процессах литья валов диаметром 450.. ...1020 мм и длиной бочки до 10 м с заливочной массой до 80 т В том числе:

- синтезированы и оптимизированы новые химические состав валкового чугуна;

- разработаны операционно-технологические схемы и терме временные режимы процессов плавки, накопления и внепечной об работки больших масс легированного чугуна;

- отработаны метода пооперационного контроля и регулиро вания качества расплава;

- опробованы и доведены до стадии промышленного внедрени технологические приемы внутриформенного воздействия на коли чествениые характеристики графитной фазы и дифференциаш свойств чугуна в основных макроструктурных зонах отливок;

- разработаны методы получения пустотелых валов в стацио нарных бесстержневых формах и др.

Реализация в промышленности. Разработанные технологичес кие процессы литья каландровых валов внедрены на Дутугинско

объединении прокатных валков, производственных объединениях "Ижтяжбуммаш" и "ПетрозаводскбуммаиГ.

Каландровые валы, отлитые на машиностроительных и вальце-литейных предприятиях, успешно прошли производственные испытания и широко используются на крупнейших в СНГ Балахнинском, Соликамском, Кондопожском и других целлюлознобумажных комбинатах, а также экспортируются зарубежным машиностроительным фирмам. Валы новых типов в полной мере конкурентоспособны на мировом рынке по уровню эксплуатационных характеристик и тех-нико-зкономических показателей. Экономический эффект от внедрения результатов исследований в промышленность составил более 2,5 млн. руб. в масштабе цен 1985-1990 г.г. Основные результаты работы на основе, детальной технологической документации могут быть реализованы на различных машиностроительных и металлургических заводах Украины, имеющих необходимые мощности для плавки чугуна.

Реализация в учебном процессе. Значительная часть материалов диссертации - экспериментальных данных, приемов и методик проведения исследований, а также примеров обработки и представления их результатов - включена в соответствующие разделы книги "Основы научных исследований в литейном производстве", рекомендованной Министерством высшего и среднего специального образования УССР в качестве учебного пособия для студентов металлургических вузов и факультетов (Киев-Донецк: Вища школа, 1979 г.), а также книги "Организация металлургического эксперимента", рекомендованной Комитетом по высшей школе Миннауки России, в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальностям "Металлургия черных металлов" и "Литейное производство черных и цветных металлов" (Москва: Металлургия, 1993 г.).

Эти учебные пособия применяются в учебном процессе на к федрах литейного производства и металлургического профиля ГМетАУ, а также в ряде технических вузов Украины, Российш федерации и других стран СНГ при изучении дисциплин "Осн>: научных исследований", "Организация эксперимента", "Техно, гические измерения и обработка экспериментальных данных", "1 делирование и оптимизация технологических процессов", а та! при выполнении НИРС, исследовательских разделов курсовых дипломных проектов.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на республиканских, региональных и всесоюзных научно-техничес-совещаниях, семинарах и конференциях, проводившихся в перио, 1965 по 1994 г.г. в городах: Ижевск (1965, 1994); Лутуг (1965); Днепропетровск (1969, 1971, 1972, 1976, 1978, 19 1983, 1986, 1990); Минск (1970); Ленинград (1972); Петре водск (1975); Новая Каховка (1975); Пермь (1980); Запоро (1983, 1988); Новосибирск 1983).

Публикации. Основные результаты работы изложены в од монографии, двух учебных пособиях, 68 статьях в центральных республиканских журналах и сборниках, 5 авторских свидетель вах на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из вве ния, восьми глав, заключения (выводов); списка литературы 435 наименований собственных работ, публикаций украинских зарубежных авторов, алфавитного указателя авторов; приложи с дополнительным литературным обзором, расчетами, справочг и техникеэкономическими данными. Диссертация содержит страницы машинописного текста, 269 рисунков, 62 таблицы и страницы приложений.

Экспериментальные и теоретические исследования, воше;

в диссертационную работу, выполнены автором совместно с сотрудниками ГМетАУ, Петрозаводского и Ижевского заводов тяжелого бумагоделательного машиностроения, Дутугинского объединения прокатных валков и других предприятий и организаций при непосредственном участии автора или под его руководством. Результаты опубликованы в соавторстве с ними. Обобщение результатов работ проведено автором самостоятельно. Основные идеи работы и методики их проведения принадлежат автору.

Содержание работы

В главе I ~ "ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ПРОБЛЕМЫ В ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПРОИЗВОДСТВЕ КАЛАНДРОВЫХ ВАЛОВ" выполнен анализ современного состояния бумагоделательного машиностроения и основных проблем по обеспечению его высококачественным отделочным инструментом - каландровыми валами.

Основные параметры бумагоделательных машин - ширина и скорость - в последние десятилетия имеют устойчивую тенденцию к непрерывному росту. Если для 50-60 годов текущего столетия характерны бумагоделательные машины с предельной шириной 6900 ...7100 мм, то в настоящее время успешно эксплуатируются машины с шириной сетки 8300...9900 мм. Максимальная скорость машин за этот период возросла с 450 м/мия до 1150 м/мин. Уже сейчас проектные организации работают над конструированием машин с шириной сетки, превышающей 12 м, и стремятся к доведению рабочей скорости до 1500 м/мин. Производительность таких машин превысит 500...550 т бумаги в сутки. Непрерывный рост скорости бумажного полотна значительно повысил уровень требований к точности изготовления узлов и отдельных деталей бумагоделательных машин, их статической и динамической уравновешенности, прочности, жесткости.

Уже в первые года эксплуатации широких машин на Балахнин-ском, Соликамском и Кондопожском целлюлозно-бумажных комбинатах возникла острая необходимость в создании для них на собственных предприятиях производства одного из основных видов сменного инструмента - крупногабаритных каландровых валов, предназначенных для заключительного (отделочного) процесса производства бумаги - каландрирования.

Диапазон массо-габаритных характеристик каландровых валов весьма широк: диаметр бочки 400...1300 мм, длина бочки 4500... ...8900 мм, общая душна вала 6100...11500 мм, чистовая масса 4,6. ..93,5 т. В зависимости от тша чугуна и диаметра бочки валы должны иметь 10...40 мм глубины перлито-бейнито-карбидного рабочего слоя со следующими значениями физико-механических свойств: нзь - 65...80 ед., е - (17,5.. .19,0)-Ю4 МПа, - 90...120 МПа, - 300...600 МПа, / - 0,20...0,50 мм, р - (7,3...7,6)-Ю3 кг/м3.Такое сочетание свойств характеризует чугун рабочего слоя как специальный износостойкий. В центральной - графитосодержащей зоне и шейках валов уровень этих свойств в большей мере соответствует конструкционным чу-гунам: нзь - 40...50 ед., е - (12,0., .17,5) • Ю4 МПа, -

170...290 МПа, а - 350...850 МПа, / - 0,25...0,60 мм, р -и

(7,1...7,2)-103 кг/м3.

На основании проведенного анализа тенденций в развитии мирового бумагоделательного машиностроения, изучения условий эксплуатации и качества каландровых валов ведущих инофирм на крупнейших бумагоделательных комбинатах, оценки необходимого уровня структурных характеристик и физико-механических свойств валов в различных служебных зонах определены основные задачи и методики исследования, их аппаратурно-техническое и метрологическое обеспечение.

В главе 2 - "ГЩРОДИНАШЧЕСКИЕ, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И КРИС-ТАЛЛИЗАЩОННО-ДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ЛИТЬЯ КАЛАНДРОВЫХ ВАЛОВ" рассмотрены результаты комплексных исследований заполнения расплавом валковых форм, особенностей затвердевания и развития лшсвационных процессов в отливках с большим отношением длины к диаметру.

Для исследования; основных количественных закономерностей вихревого движения металла на основе теории подобия разработана методика натурного моделирования гидродинамических процессов в крупногабаритной валковой форме и массопереноса неметаллических частиц в вихревом потоке. Анализ изограмм ( рис. I ),

Рис. I. Изограммы изменения скоростей вращения (мин-1) металла в форме во времени т= 10...4о с

характеризующих распределение скоростей вращения металла в осевом сечении формы.показал, что в течение всего процесса заливки в нижней части формы (до 0,3.-. .0,5 высоты н) сохраняется область (0,35...0,50 радиуса R) интенсивного вращения > 150 об/мин. Эта область формы может быть использована в качестве реакционной зоны для внутриформенного рафинирования и модифицирования расплава.

Проведенными исследованиями установлено, что при сифонной заливке форм каландровых валов с большим отношением (5...13) длины бочки к ее диаметру по высоте кокиля образуется отрицательный температурный градиент 5...10 °с/м. распределение температуры по длине отдельных секций кокиля приобретает бочкообразный характер, который сохраняется в течение 20-30 часов.

Экспериментальное исследование процесса затвердевания отливок каландровых валов выполняли путем записи кривых охлаждения чугуна в фиксированных точках полости кокильной формы и последующего построения изотерм. Анализ кинетики перемещения изотерм в осевом сечении затвердевающей отливки показал наличие характерных волнообразных изгибов на изотермах, соответствующих температуре солвдус. Это подтвердило гипотезу о разобщении расплава в осевой области формы перехватами и мостами на отдельные обособленные зоны, затвердевающие автономно. Такой характер затвердевания каландровых валов создает предпосылки для образования локальных областей с развитой химической, структурной и физико-механической неоднородностью чугуна по дайне (высоте) центральных областей отливки.

Характерно, что наличие таких аномальных областей четко выявляется на изограммах относительной зональной ликвации мп , р и э { рис. 2 ), изменения удельной протяженности

линий границ эвтектических зерен Е £. и основных физико-механических свойств чугуна в осевом сечении отливки (рис. 3).

НВЮ.МЛО GJO.Mlo f Jo!m р-Ю'кг/и* 2L21QV«'

огагптттп п—с-;»

vT

a BD 240 0 120 WD 0 И 243 fl 120 S40 0 И Uli

РАсстояние от поверхности отливки,мм

Рис. 3. Изограммы изменения свойств чугуна На заключительных стадиях затвердевания отливки в температурном интервале <1000...1080)± 15 °с под действием капиллярно -фильтрационных сил в ее осевой зоне значительное развитие получает явление миграции ликвационной жидкости. По величине коэффициента вариации (0,37...3,05) химические элементы в порядке возрастания их зональной ликвации в объеме отливки располагаются в следующей последовательности:

j Ni < С < Si < Р] < |Нп < 5| < [Cr] <1)

X II III

Аналогичный ряд получен в результате оценки относительной концентрации этих элементов в диквационных образованиях:

|S < Hrtj < jNi < С < Si < Pj < feF] (2)

II I III

Отличие этих рядов состоит в положении пары s - «п и обусловлено тем, что ряд (I) характеризует ликвацию элементов в металле отливки, а ряд (2) - в металле ликвата, т.е. вне отливки. Установленное различие рядов (I) и <2) свидетельствует о пониженной концентрации s и мл в ликвате, что является экспериментальным подтверждением гипотезы о фильтрационном механизме миграции ликвата.

В -главе 3 - "ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ И ДИФФЕРЕНЦИАЦИЮ ФИЗЖО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧУГУНА В ОТЛИВКАХ КАЛАНДРОВЫХ ВАЛОВ" обобщены результаты производственных экспериментов и лабораторных исследований влияния комплексного легирования на формирование структуры и свойств чугуна в основных служебных зонах валов.

С учетом особенностей межфазного распределения рассмотрено влияние основных легирующих элементов на структуру и свойства валковых чугунов. Обоснована целесообразность легирования чугуна каландровых валов комплексом элементов ш-сг-ко-мь и использования никеля в этом комплексе в качестве основного варьируемого фактора. Показано, что изменение содержания никеля в пределах от 2 до Ъ% позволяет получить в рабочем слое каландровых валов широкую гамму структур металлической основы от феррито-перлито-сорбитной до мартенситной, включая весь диапазон бейнитных структур, придающих чугуну высокие твер-достные и прочностные свойства.

Графическая зависимость твердости рабочего слоя каландровых валов от содержания в чугуне никеля при постоянных объемных долях высокоуглеродистых фаз имеет несколько асимметричную колоколообразную форму с пологим максимумом в зоне критической концентрации никеля. Высота точки экстремума, т.е. максимальной твердости находится на уровне 78...85 нби и определяется соотношением дарлитизирующего и графитизирующего эффектов при повышенных концентрациях никеля в валковом чугуне (рис. 4). Критическая концентрация зависит от диаметра вала, косвенно характеризующего интенсивность охлаждения отливки в эвтектоид-ном интервале температур, и соотношения графитизирующих и кар-бидизирующих эффектов других химических элементов в чугуне.

Показано, что наиболее экономически приемлемые пределы легирования чугуна каландровых валов массовых типоразмеров диаметром 0,45...0,55 м соответствуют верхней части левой ветви экстремальной кривой HSh=/(Mi%}. Так, увеличение содержания Ni на IS5 в пределах 2,8.. .3,8% дает прирост твердости 10 нзь, а в концентрационном интервале 3,8...4,8% ni -всего I...2 нзь.

Исследовано влияние скорости охлаждения, объемной доли высокоуглеродистых фаз и структуры металлической основы на дифференциацию основных механических свойств чугуна в радиальном сечении каландровых валов исполнений КПХНМ и КШНМ . Показано, что различие твердости при одинаковой объемной доле карбидов в рабочем слое валов типа КШНМ может достигать 10.. .12 hsh в зависимости от уровня легирования чугуна никелем. В центральных областях отливки влияние легирования на структуру нивелируется значительным снижением интенсивности охлаждения. Различие' твердости здесь уменьшается до 5...7 нзи и обусловлено в основном не степенью дисперсности продуктов превращения аустенита в струк-* Каландровые валы с пластинчатым графитом в прочностных зонах, отлитые из чугуна, легированного и мо.

Каландровые валы с шаровидным графитом в прочностных зонах, отлитые из чугуна, легированного Ni и мо.

туре металлической основы, а морфологическими, размерными и концентрационными характеристиками графитной фазы.

Различие результатов испытаний прочности чугуна на изгиб (рис.5), обусловленное лишь разной компактностью (ф), размерной (еО и концентрационной (и) неоднородностью распределения графитных включений в металлической основе чугуна валов типа КШНМ, нередко достигает 10 ... 15%. Недооценка важности роди графитной фазы в производстве валкового литья приводит к нерациональному расходованию легирующих элементов для достижения заданного уровня прочностных и твердостных свойств, который наиболее эффективно может быть обеспечен путем сочетания экономного легирования с оптимизацией процессов глобуляри-зирующего и инокулируюшэго модифицирования чугуна.

Приведенные в главе результаты исследований показывают, что управление пространственно-тополо-логическиш, концентрационными и морфологическими характеристиками графитной фазы в чугуне каландровых валов является важным резервом более полного использования потенциально высоких механических свойств перлито-бейнитной матрицы и обеспечения оптимальной их дифференциации в объеме отливки.

Рис. 5. Колеблемость (а) свойств чугуна и характеристик (ь) включений графита

Глава 4 - "ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМЕРНО-КОНЦЕНТРАЩОННЫХ, ПРОСТРАНСТВЕННО-ТОПОЛОГИЧЕСКИХ И МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ГРАФИТНОЙ ФАЗЫ В ЧУГУНЕ КАЛАНДРОВЫХ ВАЛОВ" посвящена статистическим и стереологическим исследованиям графитной фазы в микро- и макрообъемах чугуна каландровых валов.

Наличие макрообъемов чугуна с аномально высокой локальной концентрацией включений ~ при прочих равных условиях - является причиной получения низких ("выпадающих") значений прочности при механических испытаниях и определяет конструкционную прочность всей отливки. Образование в структуре чугуна группировок с большим количеством включений графита, , существенно отклоняющимся от ерздней их концентрации,можно рассматривать с позиций теории вероятностей как редкие события. В связи с этим для вероятностных оценок неравномерности распределения включений графита в плоскости случайного сечения образцов чугуна каландровых валов использовали распределение Пуассона.

Сопоставлением эталонных (2) кривых распределения Пуассона с экспериментальными (I), полученными (рис. 6) методами количественной металлографии, установлено

г/ го»

7А1 УД

г/

V 3 з о е п

Рис. 6. Фактическая (I) и теоретическая (2) вероятности образования флюктуации графита

наличие флюктуаций численной концентрации графита (п, мм-1),

вероятность образования которых в 2...8 раз может быть больше или меньше теоретически ожидаемой. Показано, что концентрационная неоднородность в распределении графита на разном удалении от поверхности бочки вала . имеет периодический характер и проявляется не только в микро-, но и в макроучастках чугуна

протяженностью L = 15...20 мм, что соизмеримо с размерами образцов для механических испытаний (рис. 7).

Методом ориентированной стереологической реконструкции исследованы топологические и морфологические особенности пространственного строения и распределения флюктузционных ансамблей графитных включений. Установлено , что распределение включений графита в микрообъемах чугуна не является случайным. Наблюдается тенденция к образованию квазисферических пространственных единичных или концентрических ячеек (рис. 8) с радиусом 80...100 мкм и планетарному размещению мелких включений вокруг крупных (рис.9).

Общей особенностью формирования единичных включений графита в пространственных авсамблях является бесконтактное под-страивание их формы и размеров под форму окружающих частиц. Образование выступов, ответвлений и других элементов - характерных признаков агрегативного роста - включений графита происходит преимущественно в направлении свободного межчастичного пространства, т.е. наблюдается тенденция к сохранению постоянства межповерхностного расстояния. При формировании смежных включений графита проявляется ближнедействующее влияние -эффект взаимного экранирования - и фронты роста соседних включений не смыкаются между собой, а как правило разделены слоем матричной жидкости.

Выявленные закономерности кооперированного роста графит-

| ¡ 5 мм

• • • • S^S.

а 12 L-Ю'м

\

Рис. 7. Периодичность концентрационных флюк-туаций графита

Рис. 8. Квазисферические пространственные ячейки графита: а - изогипсограмма; б - тоновая реконструкция

ных включений и их пространственного распределения не могут быть удовлетворительно объяснены с позиций известных гипотез формирования графита в ЧШГ.

Для уточнения механизма реального графитообразования методами стереологичвской реконструкции с использованием средств световой и растрово-сканирующей электронной микроскопии, а также приемов объемного (макетного) моделирования исследованы особенности морфологии и габитуса разнотипных включений графита в серых и карбидосодержащих чутунах, подвергнутых глобуляризи-рующей обработке.

Рис.9. Пространственное распределение графита

При исследовании субструктуры графита для выявления общих

и наиболее статистически устойчивых морфологических признаков был проведен анализ представительной выборки (более 5000) случайных сечений графитных включений - от компактных до вермику-лярных, включая широкий диапазон "аномальных" графитных структур. Устаноазено, что независимо от габитуса, морфологических особенностей и размеров все включения имеют характерные признаки блочно-агрегативного формирования из расплава.

Анализ формы участков матричной жидкости, реконструированных в результате послойной сошлифовки, и субструктурных дефектов на межблочных границах в графитных включениях показал, что составляющие их поликристаллические пирамидальные блоки имеют такие же морфологические, размерные и геометрические характеристики, как и элементы внешних слоев многослойных агрегатов и фрагменты верми-кулярных образований (рис. 10). Установлены факты автономного формирования пирамидальных блоков-поликистах®-тов в расплаве, подвергнутом глобуляризирующей обработке.

Приведенные в главе результаты исследований являются экспериментальной основой для разработки физико-математической модели формирования графита в серых и кзрбидо-содержаадх модифицированных чугувах.

Рис. 10. Стереологическая реконструкция вермику-лярного включения графита

В главе 5 - "АКАЖГЙЧЕСКШ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПАКТНОГО ГРАФИТА В ЩЦКОМ ЧУГУНЕ" на основе анализа экспериментальных данных и известных гипотез образования компактного графита предложены и обоснованы вероятные механизмы агрегативной устойчивости и ориентированной коагуляции графитной фазы в расплавленном чугуне.

Результаты стереологических исследований графитной фазы, а также обобщение теоретических положений и экспериментальных данных других авторов дают основание предложить в качестве рабочей гипотезы обобщенную модельную схему жидкого состояния системы Fe-с . в качестве исходной предпосылки в предлагаемой рабочей гипотезе -постулируется представление о том, что жидкий чугун в широком интервале температур является обратимой термодинамически равновесной агрегативно неустойчивой (без стабилизации) лиофобной коллоидной системой. Такая система характеризуется одним из трех обратимых состояний:

i истинный раствор % и коллоидная система Z 111 грубодасаерс-ная система-

В соответствии с современной классификацией такая система сочетает в себе признаки истинного раствора, свободнодасперс-ной ультрамикрогетерогенной системы с размером частиц Ю-9. -.Ю-7 м, микрогетерогенной - с размером частиц Ю-7---Ю-5 м и грубодасперсной с частицами, размер которых превышает Ю-5 м.

Для рассматриваемой системы факторами, определяющими ее агрегативную устойчивость, т.е. способность сохранять степень дисперсности частиц графита в размерных границах и стадии, могут быть одинаковая заряженность коллоидных частиц графита в расплавах технических чугунов вследствие образования адсорбционных моно- или полимолекулярных слоев поверхностно активных

элементов - серы, кислорода и др.

Так как коллоидно-дисперсные частицы графита в ^модифицированном жидком чугуне в размерных границах и стадии заряжены положительно, а межфазная поверхность дисперсионной среды - отрицательно, то на поверхности раздела графит-расплав (Г-Р) образуется двойной электрический слой (ДЭС), создающий энергетический барьер, который препятствует коагуляции одноименно заряженных первичных блоков (пакетов) графита и обеспечивает агрегативную устойчивость всей системы.

В результате глобуляризирующей обработки физико-химические условия на границе Г- Р изменяются. При этом величина электрокинетического потенциала ДЭС снижается и может стать ниже порога коагуляции, вследствие чего агрегативная устойчивость системы нарушается- Это позволяет первичным графитным блокам агрегировать, реализуя уникально© свойство кристалдов-спосёность формироваться дискретными отложениями взаимно параллельных слоев полимолекулярной толщины с одной стороны кристаллизующегося объекта с образованием из первичных полимолекулярных блоков вторичных и более высоких порядков анизодиа-метрических блоков - поликристаллигов преимущественно пирамидальной формы.

Так как на боковую поверхность таких блоков выходят приз-менные грани первичных образований графита с максимальной сорбционной способностью, а их базисные поверхности составляют основание элементарного пирамидального блока, то вследствие анизотропии свойств графита ДЭС такой частицы неоднороден по величине. Поскольку вблизи вершины и на боковых поверхностях пирамидального блока ДЭС наименее развит, то порог коагуляции в этих зонах преодолевается в первую очередь.

В процессе поступательного и вращательного броуновского

движения элементарных пирамидальных блоков и вследствие автоциркуляции микрообъемов расплава - концентрационных штоков, имеющих конвективную природу - в условиях аномально низкой вязкости происходят хаотические столкновения графитных тел друг с другом и с неметаллическими включениями экзогенного и эндогенного происхождения. При оптимальной глобуляризирующей обработке чугуна столкновения вершинами' и гранями, имеющими минимальный энергетический барьер, приводят к агрегации пирамидальных блоков. Этот процесс завершается образованием квазисферических или других компактных структур графита.

Избыточная - заоптимальная концентрация модификатора приводит к известному эффекту перемодифицирования вследствие перезарядки ДЭС - изменению знака электрокинетического потенциала и возвращению системы в агрегативно устойчивое состояние.

Для протекания гетерогенной коагуляции поликристалличее-ких блоков первичного графита по предложенному механизму кристаллографическое и геометрическое соответствие частицы иноку-лирующего модификатора и графитной фазы не является обязательным, что подтверждено экспериментально.

Исследование межфазного и внутрифазного распределения глобуляризирующих модификаторов и .других элементов в чугуне показало, что повышенная локальная концентрация модификатора в центральных областях графитных включений как правило обусловлена наличием в их структуре участков матрицы. Экспериментально доказанное в работе низкое содержание модификатора в основной массе графита, межблочное его распределение, наличие объективных признаков агрегации и блочного строения, а также сходство основных' этапов формообразования графита в расплаве и коагуляционных структур в системах с "холодной" дисперсионной средой дают веские довода в пользу коагуляцшнно-агрегативного

механизма формирования графита в ЧШГ.

Проведен оценочный термодинамический анализ состояния системы расплав-графит, содержащей ПАВ, при медленном охлаждении от некоторой температуры над линией ликвидус, когда в расплаве графитная фаза присутствует в виде первичного или остаточного графита в форме пластинчатых, пластинчзто-розеточных иди девдритообразных структур, а также частщ дисперсного графита кохчоидных размеров, находящихся в броуновском и конвективном движении. Исходя из оценки приращения общей энергии системы ¿с , обеспечивающего термодинамически выгодное направление процесса, которое должно быть меньше или равно нулю, найдено выражение, определяющее характер изменения критического значения поверхностного натяжения а на межфазной границе графит-расплав. Это выражение определяет границу равновесия диспергирование - агрегация:

ят п' - Ф II '

ркт ов а ок

„ <-----------------------____________ . <з>

6 5 ...

»с„ + 0,806 4<п- )2п

ок

При 5=а2 и о — второй сомножитель - выражение (3) примет вид:

Р к т

« , (4)

6 а 2

где /? - константа, имеющая значение около 10 при диспергировании частиц дисперсной фазы до коллоидных размеров; к - постоянная Больцмана; г - температура дисперсионной среды-, « -линейный размер частицы; *о - критическая численная концентрация первичных частщ в агрегате (*о « 10~6); - численная

концентрация первичных частиц графита выделения; - количество коагулировавших первичных частиц графита; « - количест-

во сферических агрегатов (включений) графита.

Как следует из зависимости (4), при - 10я2, 10"

и = I ... ГО22 , термодинамически необходимым условием реализации коагуляционно-агрегативного механизма формирования компактных графитных агрегатов в расплаве является наличие межфазного натяжения с , превышающего некоторую критическую величину. Частичная коагуляция графитной фазы в расплаве может происходить при реально существующих значениях -

Для коагуляции значительной доли дисперсной фазы (О,5...О,9 n¿к) критическое значение межфазного натяжения возрастает в десятки и сотни раз в зависимости от величины » .

При одной и той же численной концентрации частиц дисперсной фазы в расплаве образованию большого количества мелких компактных агрегатов сответствуют относительно низкие значения а и, соответственно сг_р . Для малых а требуются весьма большие значения <*г_р , чтобы превысить его критический уровень в области высших значений Поэтому полная агрегация дисперсного графита в крупные компактные агрегаты практически невозможна. Этим, в частности, можно объяснить существование в медленно затвердевающих отливках крупных "разорванных" агрегатов и относительно мелких графитовых тел - в том числе дисперсных частиц, не выявляемых средствами световой микроскопии.

На основе проведенного термодинамического анализа различных состояний системы расплав-графит уточнены физико-химические условия, необходимые для реа.шзации различных механизмов формирования глобулярного графита- Показано, что агре-гэтивно-коагудящонный механизм образования графитных включений может реализоваться как основной, так и в качестве составного элемента процессов некристаллографического веерообразного и дендритного ветвления пластинчатого графита.

В главе 6 - "ЭКСПЕРШЕНТАЛШОК И тЛЙТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГРАФИТНОЙ ФАЗЫ В ЖОДКОМ ЧУГУНЕ" приведены результаты исследования кинетических особенностей и закономерностей образования компактного графита.

Исследование начальных стадий формирования графитных включений и определение размерных, морфологических и пространственно-топологических характеристик субструктурных элементов, из которых эти включения образуются, проводили на закалочных пробах с применением методов стереологичеекой реконструкции. Пробы чугуна получали высокоскоростной закалкой расплава из области жидкого состояния.

Закалочные пробы отбирали из тигля печи вакуумным методом. Отличительной особенностью использованной методики было применение в цилиндрических кварцевых пробоотборниках медного кристаллизатора со щелевыми крестообразными пазами. Такой кристаллизатор позволяет не только значительно увеличить скорость затвердевания металла по сравнению с обычно достигаемыми при вакуумном отборе проб скоростями Ю4 град/с, но и получать для микроструктурных исследований при каждом отборе по два призматических закалочных образца толщиной 0,05 ... 2,0 мм с большой 200 мм2) плоской поверхность» шлифа.

Плавку чугуна проводили в кварцевых тиглях лабораторных индукционной ВЧИ-10 и селитовой печей. В качестве шихты использовали структурно белую высокоуглеродистую дробь и 75% ферросилиций. Применение "безграфитной" шихты позволило устранить возможное влияние остаточного графита на процесс формообразования графита выделения. После расплавления чугун нагревали до 1400 °с. Глобуляризирующее модифицирование чугуна производили никельмапшевой лигатурой при температуре 1350 °с.

В результате проведенных экспериментов установлено, что

квазиглобулярный графит фиксируется закалкой в широком диапазоне перегревов. Во всех закалочных пробах, содержащих графитную фазу, обнаружено преимущественно два типа графитных структур. Первый тип может быть охарактеризован как квазиглобулярный с элементами незавершенного формования. Второй тип представляет собой мелкодисперсную графитную фазу, частицу которой имеют преимущественно анизодиаметрическую форму. Этот тип графитных образований наблюдается в непосредственной близости к формирующимся квазиглобулярным графитным включениям-

Результата исследования графитных структур показали, что включения графита полностью формировались в жидкости, которая в результате высокоскоростного затвердевания приобрела типичную закалочную структуру. Установлено, что формирование включений происходит не путем постепенного увеличения объема и уплотнения центрального ядра, а посредством заполнения квазисферы - "скелетной" конструкции, образованной в результате ориентированной агрегации субструктурных графитовых тел. Последовательные сечения такой квазисферы указывают на то, что графитный агрегат может постепенно замыкать в себе матричную жидкость. В то же время эта иммобилизованная жидкость связана с окружающей средой соединительными каналами, через которые в Формирующийся агрегат поступает дисперсная графитная фаза.

В других случаях квазисферичность включений достигается путем последовательного достраивания отсутствующих в растущем агрегате сферических секторов. Эта достройка реализуется ориентированным присоединением частиц дисперсной фазы, поступающих в щелевые каналы включений.

Поликристаллические частицы дисперсного графита в процессе выделения из расплава и укрупнения кооперируются в виде диффузионных потоков, направленных непосредственно в зоны форми-

рования включения-

Особенно наглядно

выявленные закономерности видны на пространственно-топологи-

ческих картинах микро-об'шмов,полученных пу- ■ •'Щ1'.'-

тем их стереологичес- .

кой реконструкщи {см. '-А-'--,)

рис. II ). Чрезвычай-

но высокая концентра- .. *' - ' • ______

ция дисперсной фазы в Рис. II. Стереологическая рекон-

злементов квазисферического габитуса включений графита является несомненным экспериментальным доказательством дискретного формирования компактных включений графита из частиц дисперсной фазы на основе агрегативно-коагуляционного механизма -

Для ориентировочной оценки величины оптически различимых частиц дисперсной графитной фазы было проведено более 2500 измерений размеров случайных сечений этих частиц при последовательных еошлифованиях микрообъемов чугуна. Анализ полученных результатов показал, что наибольшее количество случайных сечений дисперсных частиц графита относится к размерной группе ¿0,5 мкм, т.е. к тем, которые недостаточно четко регистрируются средствами оптической микроскопии. В то же время анизо-диаметричность в наибольшей мере проявляется в размерной области сечений крупных частиц а = 3-5 мкм. Это можно объяснить тем, что анизодиаметрические частицы являются продуктом предшествующей коагуляции более мелких образований.

зонах достраивания

струкция диффузионных потоков дисперсного графита

Предложены морфологические модели и теоретические представления автора о формировании графита в ЧШГ и ЧВГ основанные на том, что основным субструктурным элементом всех включений независимо от их формы является частица дисперсного графита с размерами, соответствующими ультрамикрогетерогенному (коллоидному) интервалу дисперсности (рис. 12). Это допущение не противоречит большинству известных моделей формирования графитных структур в расплаве.

Распространение основных кинетических закономерностей для коллоидно-дисперсных систем с водной дисперсионной средой на расплавы системы ре-с явилось новым направлением в развитии представлений о микрогетерогенной модели жидкого состояния ЧШГ,

На основании экспериментальных исследований разработана количественная кинетико-математическая модель формирования графита в ЧШГ. В основу этой модели положены: представления об агрегатиБвой устойчивости , особенностях массопереноса и агрегации дисперсной фазы в дисперсных системах; условие баланса графитной фазы на всех этапах ее формирования; закономерности формирования'и трансформации ДЭС под действием глобуляризирую-щих модификаторов, а также ряд термодинамических условий и кинетических закономерностей, вытекающих из современных представлений о квдком состоянии расплавов чугуна и типичных дисперсных систем с "холодной" дисперсионной средой. Аналитическое выражение для определения численной концентраций п частиц шаровидного графита в чугуне в зависимости от продолжительности * его формирования имеет вид:

\

г. <1! / ? г

в

Рис. 12. Схема формирования графитного включения

п = Пк + (по - пк) ехр {- М) , (5)

где п0 и пк - численная концентрация оптически различимых включений-агрегатов графита в начале (о) и конце (к) процесса; м - константа коагуляции.

Последняя определяется из выражения:

м = 4 п о й , (6)

где о - константа диффузии частиц; /г - радиус сферы поглощения частиц (см. рис. 12); п^ - численная концентрация первичных частиц дисперсного графита в расплаве.

Средняя величина к для расплавов ЧШГ, инокулированных комплексными присадками, имеет одинаковый порядок {м = 0,22-0,18 с~Ъ, что указывает (при доверительной вероятности 0,95) на примерное равенство скоростей роста графита при разной массе инокулирукщей присадки (ИП). Основное влияние ИП на кинетику процесса проявляется на соотношении величин « и пк.

Аналогичная модель разработана и для валковых чугунов," в которых часть углерода связана в карбиды:

» = Котн [ пк + ^ - "к> - М> ] » <7>

где и п^- начальная и конечная концентрации включений графита в чугуне данного состава при условии его полной графи-тиззвди в процессе затвердевания; котн - отношение фактической объемной доли графита к максимально возможной.

Проведенный сравнительный анализ кинетических закономерностей изменения численной концентрации дисперсной фазы в системах с "холодной" и "горячей" дисперсионными средами подтверждает физическую общность протекающих в них процессов на основе коагулящонного механизма. Разработанные физико-математические модели могут послужить основой для создания инженерных методов расчета процессов графитообразования и более эффективного управления ими при затвердевании отливок из ЧШГ.

В главе 7 - "ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЧУГУНА КАЛАНДРОВЫХ ВАЛОВ" разработаны частные и комплексный критерии качества и на их основе в промышленных экспериментах определен необходимый уровень комплексного легирования чугуна валов.

Дяя оценки степени сфероидазации графита (ССГ) в ЧШГ и, в частности, в структуре каландровых валов исполнения КШНМ разработан безразмерный двухмерный фактор компактности фк , который характеризует долю площади, занятую фигурой внутри окружности, описанной вокруг этой фигуры.

Эта характеристика по сравнению с известным фактором формы имеет ряд преимуществ. В частности, она может быть непосредственно использована в количественных расчетах, связанных с объемной долей графитной фазы, средним диаметром и количеством включений.

Для ориентировочной количественной оценки фк может быть использована шкала сравнения (рис. 13). Усредненная оценка фк для выборки графитных включений, например, наблюдаемых в отдельном поле зрения микроскопа может быть произведена по формуле:

f iS S ф =---=----- « 1,27 , (8)

2 2 f пНГ N1

— — о.

где f и fq- средние значения площадей сечений графитного включения и круга с диаметром, равным наибольшему линейному разме-

1 т 1 -. 1 1 а 1 г 1 » ! F 'Г1 * /*' ! Ч /Т И/И' Гктк!

Фк| [1JQ Ш □ • т • « А ; L. L А/Л mm | J / J • т Ф

0.0 • С пппс * # т

;о.в п □ а Z ш * «

0.7 О t с # л а

1о.в о 1 1 с • ш 1 *

о.5 л о CI) С ш ё й

Si о СЮ С) <$ 0 ш и

0.3 # о CI) щ Ш ф. % Ф

02 # Ш о щ ф & в Ф

Ш Ш о CD! CD 'Si э 0 G

Рис. 13. Шкала фактора компактности графита

ру сечения графитного включения; з - общая площадь, занятая графитом в плоскости шлифа; N - количество взаимно не связанных включений, суммарная площадь которых равна 5; г ~ среднее значение максимальных линейных размеров индивидуальных включений графита.

Для оценки качества отливок валов и оптимизации технологического процесса их литья разработан комплексный многопараметрический критерий, основанный на связи твердости со структурой и другими свойствами металла:

»57! НПН „ 1 5 20 40

Е К = 0,1 4---, (9)

50

где Н57)5, нвн2о, **5гл50 - твердость чугуна на глубине

5, 20, 40 и 50 мм в единицах Шора.

На основании результатов проведенных промышленных экспериментов по оптимизации химического состава каландровых валов массовых типоразмеров г> 0,40 ... 0,60 м исполнений КЛХНМ и КШНМ определены для них технологически оптимальные химические составы. Успешная промышленная проверка результатов оптимизации химического состава каландровых валов массовых типоразмеров позволила расширить область применения разработанных чугу-нов на более металлоемкие типоразмеры. На обобщенные химические составы, используемые для литья всей номенклатуры каландровых валов получены авторские свидетельства на изобретения. Технологически оптимальные составы положены в основу технических условий ТУ 14-2-159-74 "Отливки каландровых валов для бумагоделательных и картоюделательных машин".

Заключительная глава 8 - "ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ГРОМШЛЕННОСТИ" обобщает результаты проведенных экспериментальных и аналиги-

ческих исследований гидродинамических, тешюфизических и лик-вавдонных процессов в системе форма - отливка, а также закономерностей структуро- и графитообразования в серых и карбидосо-держащих валковых чугунах. На основе этих исследований разработаны технологические основы и приемы процессов литья валов 0 450...1020 мм и длиной бочки до 12 м с массой до 80 т.

Отработаны термовременные режимы и операционно-технологические схемы изготовления форм (рис. 14), синхронизации процессов плавки, накопления, внепечной обработки, контроля и корректировки качества расплава при литье крупных и особо крупных каландровых валов с заливочной массой более 45 т (рис.15). Внедрение этих схем и режимов позволило обеспечить воспроизводимость результатов на всех предприятиях-производителях каландровых валов в СНГ, организовать оптимальную последовательность и максимальную эффективность основных технологических операций.

Рис. 14. Операционно-технологическая схема подготовки элементов формы и металла к заливке пустотелого каландрового вала исполнения КЗШМ о 1,02 м : I - формовка; 2 - покраска; 3 - сушка, подогрев; 4 - отделка; 5 - контроль, зачистка; в - сборка; 7 - ремонт, футеровка; 8 - подготовка шихты; 9 -плавка; 10 - ковшовые операции, заливка

Рис. 15. Совмещенная отарацшнно-техяологичэская и термовременная схема накопления и внепечной обработки металла для заливки вала исполнения КШНМ о 1,02 м (76 т): ПК - промежуточный ковм; ЗК - заливочный ковш; ГК - герметизированный ковш; Ф - форма

Усовершенствованы и созданы новые типы валковых форм для литья массивных и пустотелых валов (рис. 16). Разработаны и доведены до стадии промышленного внедрения конструкции литейных форм, обеспечивающие реализацию методов литья массивных валов с вихревым внутриформенным модифицированием жидкой сердцевины и пустотелых заготовок в бесстержневых формах. Конструкции предусматривают использование специальных электромагнитных ускорителей вращения металла в форме, экзотермических вставок-замедлителей для авторегулируемого намораживания периферийного слоя бочки заданной толщины с после,дующим модифицированием или сливом жидкого металла.

Определены требования к шихтовым материалам; отработаны технологические приемы производства тяжелых магнийсодержащих лигатур на никелевой основе в индукционных электропечах; внедрены метода пооперационного контроля качества расплава и др.

Экспериментальная проверка разработанной физико-математичес-ской модели графитообразования в ЧШГ показала хорошее согласование ее с основными кинетическими закономерностями реального' формирования графита в различных макро-структурвых зонах валов типа КИНМ. Это позволило использовать ее в сочетании с комплексным критерием качества для инженерного прогнозирования количественных характеристик графитной фазы и оценки эффективности различных технологических приемов управления дифференциацией физико-механических свойств в радиальном сечении каландровых валов.

Вихревое внутриформенное ино-кулирование расплава оказывает эффективное влияние на количественные характеристики графитных включений в сердцевине и переходной зоне отливки. Предложено аналитическое решение задачи определения времени массопереноса (отвода) частиц присадок в вихревом потоке внутри формы с учетом увеличения вязкости суспензированного расплава и повышения скорости его вращения в радиальном направлении, обусловленного гидродинамикой вихревого движения:

Рис. 16. Схема литейной формы пустотелого каландрового вала в I м (45 т): I- форма нижней шейки; 2- кокиль; 3- форма стояка; 4 -стержень; 5- воронка; 6- знак стержня; 7-шайба; 8 - винт крепления; 9 - центрирующие винта

9 Т)0 (I + 2,5 V) г ц

t

от в

8 г2 «2 (р - р ) Нг

Г— 1 ?п — , <ю)

где г?о - динамическая вязкость расплава-основы; у - объемная доля дисперсных частиц внутрифирменных присадок; г - радиус частицы: рч и рж - плотность частицы и жидкого чугуна; мн скорость вращения? и £к - расстояния частицы от оси вращения в начале <н) и в конце (к-) движения-

Показана возможность реализации внутриформенной обработки расплава посредством ввода присадок непосредственно в вихревую или заливочную воронки без создания специальных реакционных камер, используемых в классическом 1то1й-процеесе.

Бнутриформенное инокулирование и глобуляризирующее модифицирование расплава с замещением процесса дают возможность сформировать безграфигный рабочий слой до начала обработки жидкой сердцевины и тем самым существенно улучшить дифференциацию свойств чугуна в радиальном сечении отливки вследствие уменьшения размеров, обеспечения боле© высокой степени компактности, увеличения численной концентрации и равномерности распределения включений графита в центральных зонах вала. Толщину экзотермической вставки в форму, контролирующей замедление процесса модифицирования, предложено рассчитывать по формуле:

* = а *рс ' <П>

где я - толщина вставки; а - скорость продвижения фронта горения (разрушения) экзотермической смеси; брс- толщина рабочего слоя вала; к - коэффициент затвердевания.

Физико-механические свойства, микро- и макроструктурные характеристики каландровых валов новых типов в полной мере соответствуют условиям работы в современных отделочных агрега-

тах предприятий бумажной промышленности. По уровню эксплуатационных характеристик и технико-экономических показателей валы новых типов конкурентоспособны на мировом рынке. Такие вали по сравнению с отбеленными низколегированными имеют на 25...45% более высокую жесткость, что позволяет на 10...20% увеличить их критическую угловую скорость и создать соответствующий резерв производительности отделочного оборудования.

Экономическая эффективность освоения промышленностью стран СНГ производства высококачественных каландровых валов и их использования на крупнейших целлюлозно-бумажных комбинатах превысила 2,5 млн. рублей в масштабе цен 1985-1390 годов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате изучения современных тенденций и достижений в мировом бумагоделательном машиностроении, а также анализа условий работы отделочного оборудования обобщены основные эксплуатационные требования к качеству валов для машинных каландров и суперкаландров.

2. Исследованы гидродинамические закономерности поступательного и вращательного движения расплава, а также массою-реноса неметаллических частиц в процессе заливки форм.

3. Установлено, что при сифонной заливке форм каландровых валов по высоте их кокильной части образуется отрицательный температурный градиент и затвердевание отливки приобретает отрицательно направленный характер. По высоте ее осевой зоны локализуются перехватами макрообъемы жидкого чугуна,- затвердевание которых происходит автономно. Это приводит к образованию в соответствующих макрообъемах отливки химической, структурной и физико-механической неоднородности чугуна.

4. Под действием капиллярно-фильтрационных и усадочных процессов на последних стадиях затвердевания в осевой зоне отливки значительное развитие получает миграция ликвационной жидкости с температурой плавления 1000...1080 °С. Это явление имеет фильтрационный характер и существенно влияет на перераспределение химических элементов, в частности мп и з, между разными частями отдавки, основным металлом и дикватом.

Б, Обоснована необходимость комплексного легирования чугуна каландровых валов и определены технологически и экономически целесообразные пределы концентраций никеля, хрома, молибдена и ниобия в легирующих комплексах, обеспечивающие стабильное получение в рабочем слое бейнитяой металлической основы и твердости 70...80 ед. по Шору. Доказана нецелесообразность повышения содержания никеля более 4% в чугуне каландровых валов типа КШШ диаметром 450., .550 мм.

6. Показано, что уровень, темп и характер изменения физико-механических свойств чугуна в радиальном сечении отливки в основном определяется легированием чугуна. При равных условиях эти характеристики качества существенно зависят от концентрации включений графита, их формы, размеров и равномерности пространственного распределения.

7. Установлено, что включения графита в ЧШГ распределены неравномерно. Эта неравномерность проявляется как в микро-так и в макрообъемах отливок. Вероятность образования наблюдаемых концентрационных фяюктуаций включений в 2...8 раз может превышать теоретически ожидаемую в соответствии с распределением Пуассона. Выявлены основные закономерности и аномалии пространственного распределения, а также ближне- и дальнедей-ствующего взаимного влияния графитных структур, проявляющегося в координации формирования включений графита и тенденции их к

росту с сохранением постоянства межповерхностного расстояния.

8. Показана, что независимо от формы и размеров включения графита теш характерные признаки блочноагрегативного строения. Основным субструктурным элементом включений всех типов является анизодиаметриадский преимущественно пирамидальный блок - поликристаллит. В зависимости от плотности упаковки и шли- вд моноцентрической ориентации пирамидальных блоков образуются структуры графита различных типов.

9. Предложены и обоснованы вероятные механизмы агрега-тивной устойчивости и ориентированной коагуляции графитной фазы в расплавленном чугуне. Рассмотрен гипотетический механизм образования двойного электрического слоя на межфазной границе графит-расплав, обоснована связь его параметров с межфазным натяжением и концентрацией модификатора в расплаве.

10. На основе термодинамического анализа различных состояний системы расплав-графит уточнены физико-химические условия, необходимые для реализации различных механизмов формирования глобулярного графита. Показано, что агрегативно-коагуляцшняый механизм образования графитных включений может реализоваться как основной, так и в качестве составного элемента процессов некристаллографического веерообразного и дендритного ветвления первичного пластинчатого графита.

II. Экспериментально установлено, что формирование включений графита происходит путем ориентированной агрегации дисперсных поликристаллитов и избирательного достраивания отдельных пирамидальных еубструктурных элементов .квазисферы в единый графитовый агрегат с различной степенью компактности и выраженности межблочных границ.

12. На основании теоретических представлений о вероятном механизме агрегативной устойчивости коллоидно-дисперсной

графитной фазы в расплавленном чугуне, обобщения результатов экспериментального исследования морфологии графитных структур и кинетики графитообразования в ЧШГ разработана физико-математическая модель процесса коагуляционно-агрегативного формирования компактного графита в сером и карбидосодержащем чугуне.

13. В результате проведенных исследований гидродинамических, тешюфизических и ликвационных процессов в системе форма-отливка, а также закономерностей структуре- и графитообразования в серых и карбидосодержащих валковых чугунах разработаны технологические и металлургические основы процессов литья каландровых валов диаметром 450...1020 мм и длиной бочки до 12 м с заливочной массой до 80 т; разработаны критерии оценки и оптимизации качества каландровых валов; синтезированы и оптимизированы химические составы чугуна; разработаны опе-рационно-технологические схемы и термовременные режимы процессов плавки, накопления и внепечной обработки больших масс легированного чугуна; отработаны метода пооперационного контроля и регулирования качества расплава.

14. Разработаны и доведены до стадии промышленного внедрения технологические приемы внутриформенного избирательного воздействия на количественные характеристики графитной фазы и дифференциацию свойств чугуна в основных макроструктурных зонах отливок; приемы получения пустотелых валов в стационарных бесстержневых формах.

15. Результаты проведенных исследований и основанные на них технологические процессы литья каландровых валов внедрены на Лутугинском объединении прокатных валков, производственных объединениях "Кжтяжбуммэш" и "Петрозэводскбуммаш". Химический состав чугуна и основные характеристики качества валов обобщены в технических условиях ТУ 14-2-153-74 "Отливки каландровых

валов для бумагоделательных и картоноделательшх машин" и последующих изменениях к ним, разработанных под руководством и при участии автора.

16. Каландровые валы, отлитые на вальцелитейных и машиностроительных предприятиях Украины и Российской федерации, успешно прошли производственные испытания и широко используются на Балахнинском, Соликамском, Кондопожском, Архангельском и других целлюлозно-бумажных комбинатах СНГ, а также стран дальнего зарубежья. Валы новых типов в полной мере конкурентоспособны на мировом рынке. В результате освоения производства каландровых валов новых типов получен экономический эффект в размере 2,5 млн. рублей в масштабе цен 1885 - 1950 годов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Эксплуатация каландров и суперкаландров / А.Е- Кривошеее, О-В.Соценко, А.Ф.Каменев и др. - М.: Лесная промышленность, 1575- - 168 е.: ил-

2. Основы научных исследований в литейном производстве: Учебн. пособие для металлургических вузов и факультетов / А.Е. Кривошеев, Г. Е. Белай, 0. В. Соценко и др. - Киев-Донецк: Вища школа, 1979. - 168 е.: ил.

3. Белай Г.Е., Дембовский В.В., Соценко О.В. Организация металлургического эксперимента. Учебное пособие для вузов / Под ред. В.В.Дембовского. - М.: Металдургия, 1993. - 25в с.

4. Валы для каландров бумагоделательных машин / В-Е- Карсский, П.П. Дорощенко, А-Е- Кривошеев, О.В. Соценко, Л.С.Рудницкий //Бумажная промышленность. - 1967. - № I- - С. 14-16

5. Письмо в редакцию /А.Е,Кривошеев, Л.С.Рудницкий, О.В.Соценко и др. // Литейное производство. - 1967. - № 5. - С. 44.

6. Соценко O.B., Дробот Н.И. Расчетный метод сравнения стойкости валов машинных каландров разных типов // Бумажная промышленность. - 1968. - й ?„ - С. 17-18.

7. Технологические основы производства отливок каландровых валов /А.Е.Кривошеев, В.Е.Карсский, П.П.Дорощенко, Л.С.Рудницкий, Л.П.Кэрадан, О.В.Соценко, Н.И.Дробот // Технология и организация производства.- 1968. - № 4. - С.48-50.

8- Кривошеее А-Е-,Соценко О-В- Механические свойства отбелен -ных прокатных валков из легированного чугуна // Металлургия и коксохимия: Респ. межввд. сб. Киев: "Технгка", Вып. 18. 1969. - С.97-104.

9- Кривошеев А-Е-, Соценко О-В. Влияние химической неоднородности на качество и стойкость чугунных прокатных валков // Там же, С. I04-III.

10. Плавка комплексной никелемагнкевой лигатуры в индукционных печах / 0.В.Соценко, Ю.П.Мартынов, В.Б. Фоминых, В.Ф.Ощепков // Литейное производство. - IS73. - № I. - С. 36-37.

II- Отливка крупных каландровых валов из магниевого чугуна / А.Е- Кривошеев, О-В- Соценко, К-И- Дробот и др. // Литейное производство. - 1973- - Jí5. - С. 15-1712. Оптимальный процесс промывки двухслойных валков / А.Е.Кривошеев, О.В. Соценко, Л.С. Рудницкий и др. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия.- 1974.- & 4, С.90-94.

13- Металлургические и технологические основы производства ка -ландровых валов в условиях заводов тяжелого бумагоделатель -ного машиностроения / А-Е.Кривошеев, О-В-Соценко, Ю-П.Мартынов и др. // Повышение качества каландровых валов. - Пермь: Книжное издательство, 1976. - С. 33 - 38.

14- Белай Г-Е-, Яценко А-И-, Соценко О-В. Вопросы теории и практики производства крупных отливок из модифицированных чугу -

нов // Теория и практика производства высокопрочного чугуна.

- Киев: Изд. шл АН УССР, 1976. - С. 19 - 23.

15. Закамалдин A.A., Кучер A.M., Соценко О.В. Повышение качества каландровых валов // Качество, надежность, долговечность: Экспресс информация. -М.: Изд. ВДИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1976. -J» II. - 14 с.

16. Соценко О.В. Оценка компактности включений графита в высокопрочном чугуне//Литейвое производство.- 1983.-ä.6.- С.5-7.

17- Соценко О-В. Пространственное распределение графита в отливках из BW // Литейное производство. - 1983.- Je II.- С. 4-6.

18. Соценко О.В. Особенности формирования структуры графита в модифицированных чугунах // Литейное производство. - 1983. -Je 12. - С. 5-8.

19. Кривошеев А.Е., Соценко О.В. Перспективы развития производства каландровых валов для бумагоделательных машин // Технология и организация производства. - 1984. - № I. - С. 36-37.

20. Соценко О-В-, Мартынов Ю-П., Плетнева Н-Г- Каландровые валы с повышенной жесткостью - резерв увеличения производительности отделочного оборудования // Бумажная промышленность.-1984. - » I. - С. 27-2921. Соценко О.В. Гидродинамическое модифицирование чугуна в форме // Известия вузов. Черная металлургия. - 1984. - S 8. -С. 125-128.

22. Соценко О.В. Кинетические закономерности процесса формирования х-рафита в высокопрочном чугуие // .Литейное производство.

- 1984. - » II. - С. 4-6.

23. Соценко О.В. Особенности массопереноса углерода в процессе формирования графита в ВЧШГ // Известия вузов. Черная металлургия. - 1988. - Я II. - С. II4-II8.

24- Оценка качества каландровых валов по их твердости / O.B.Co-

ценко, Ю.П.Мартынов, H.Г.Плетнева, А.П.Коваленко / Бумажная промышленность. - 1989. - J5 5, - С. 25-26

25. Соценко О.В. Агрегативный механизм формирования графита в ЧШГ //Известия вузов. Черная металлургия.- 1990.- № 8,- С.71-74.

26. Соценко O.S. Физическая модель згрегативного формирования графита в ЧШГ // Известия вузов. Черная металлургия. - 1990. - # 10. - С 51 - 54.

27. A.c. 251832 СССР, МКИ 40 В 37/00. Чугун для отливки каландровых валов бумагоделательных машин /А.Е.Кривошеев.В.Е.Карс-ский, П.П.Дорощенко, Л.С. Рудницкий, А.И.Скуратов, Л.П.Кара-дин, O.S.Соценко, H.A. Будагьянц. Бюл. № 28, 1969.

28. A.c. 358946 СССР, МКИ С 22 С 37/00.Чугун для отливки каландровых валов бумагоделательных машин /А.Е.Кривоиеев.В.Е.Карс-ский, П.П.Дорощенко, Л.С. Рудницкий, А.И.Скуратов, Л.П.Кара-дш, О.В.Соценко, К.А. Будагьянц. Бюл. № 34,1972.

29. A.c. 1093386 СССР, МКИ3 В 22 п 2/00. Приспособление для отбора и быстрого замораживания проб жидкого металла / О.В.Соценко, Ю.П.Мартынов, Н.Г.Плетнева и др. Бюл. & 19, 1983.

30. A.c. II3429I СССР, МКИ* В22 27/20, 26/05, Б22 С 9/28. Литейная форма /О.В. Соценко, Ю.П. Мартынов, A.B. Соценко и др. Опубл. 15.01.85. Бюл. № 2.

31. A.c. 1238885 СССР, МКИ* В 22 D 27/02, 25/06. Способ отливки прокатных валков / О.В.Соценко, А.В.Соценко, Ю.П. Мартынов и др. Опубл. 2,3.06.86. Бюл. J® 23.

32. Соценко О.В. Термодинамические аспекты агрегативного механизма формирования графита в ЧШГ. Сообщения 1,2 // Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок: Тез. докл. v республ. научн.-техн. конф., т.1. - Днепропетровск, IS90. - С. 37-41.

АННОТАЦИЯ Соценко О.В. Научные основы структурообразования, разработка и внедрение технологии литых крупногабаритных каландровых валов для бумагоделательных машин.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальностям 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов; 05.16.04 - литейное производство; Государственная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 1995. Рукопись, 294 е., 62 табл., 269 рис., библиогр. из 435 названий.

Защищается 70 научных работ и 5 авторских свидетельств, которые содержат результаты теоретических и лабораторных исследований гидродинамики заполнения форм; влияния температурного поля и скорости охлаждения на свойства чутуна; зональной ликващи при направленном затвердевании чугуна для валков; структурообразования и свойств бейнитногс высокопрочного чугуна в крупногабаритных каландровых валах. Установлены особенности формирования структуры графита I модифицированных чугунах в пространственного распределенш графита в отливках из ЧШГ; кинетические закономерноск процесса формирования графита.

Осуществлено промышленное освоение и внедрение лить; крупных каландровых валов из магниевого чугуна; плавю комплексной никелемагниевой лигатуры в индукционных печах оценки качества каландровых валов по их твердости; оценк компактности включений графита в высокопрочном чугуне Приводятся данные об их эффективности.

Ключов 1 слова: папероробна машина, лиття крупних калаще рових вал!в, г 1дродинам 1ка, лневашя, структуроутворення, бег нггний високом1цний чавун, структура графзту, технолог1я.

47 SUMMARY

O.V. Sotsenko. Scientific Foundations of Structure Formation In Heavy Cast Calender Rolls for Paper Machines, and Development and Implementation, of Foundry Practices for Making Same

(Engineering). Specialities 05.16.01 "Physical Metallurgy and Heat Treatment of Metals"; 15.06.04 "Foundry Engineering". The State Metallurgical Academy ol Ukraine, Dnepropetrovsk, 1995. Typescript, 294 pages, 62 tables, 269 ligures, 435 references.

Defended are 70 scientific papers and 5 Certificates of Authorship of USSR containing results of theoretical and laboratory research on the hydrodynamics of metal flow in molds, influence of temperature profile and cooling rate on cast iron properties, zonal segregation in directional solidification of cast iron in a roll, and structure formation and properties of bainitic nodular irons in heavy calender rolls. Features of graphite structure formation in inoculated irons, and graphite spatial distribution in nodular iron castings were revealed and kinetic relationships governing graphite formation investigated.

Foundry practices for heavy calender rolls of magnesium iron were tested in production conditions and commercialized; melting of a complex Ni-Mg master alloy were carried out in induction furnaces; the roll quality was assessed by hardness measurements; and graphite compactness in the nodular iron was estimated. Data on the effectiveness of these measures are presented.

Dissertation for the degree of Doctor of Science