автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Оптимизация параметров стального слитка с улучшенными характеристиками осевой зоны для сортового проката большого диаметра

На правах рукописи

МОЗГОВОЙ АНТОН ВАСИЛЬЕВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СТАЛЬНОГО СЛИТКА С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ОСЕВОЙ ЗОНЫ ДЛЯ СОРТОВОГО ПРОКАТА БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Специальность 05.16.02 «Металлургия чёрных, цветных и редких металлов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Волгоград - 2009

003488282

Работа выполнена на кафедре «Технология материалов» Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель:

доктор технических наук Зюбан Николай Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Свяжин Анатолий Георгиевич

кандидат технических наук Мазуров Евгений Федорович

Ведущее предприятие:

ОАО «Волжский трубный завод»

Защита состоится " 24 " декабря 2009г. в 15— часов на заседании диссертационного совета Д 217.035.02 в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт чёрной металлургии им. И.П. Бардина» по адресу 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИЧЕРМЕТ им. И.П. Бардина.

Автореферат разослан "^Ч" Н2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 217.035.02., к.т.н.

Т.П. Москвина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Наиболее важной задачей, стоящей в настоящий момент перед предприятиями металлургического сектора, наряду с уменьшением себестоимости продукции и производством изделий, удовлетворяющих мировым стандартам качества, является освоение новых сегментов рынка. Анализ рынка металлопроката показал, что наиболее перспективным направлением развития предприятий этой отрасли, является усложнение профиле - марочного сортамента выпускаемой продукции и, в частности, увеличение в ней доли сортового проката большого диаметра.

Вместе с тем, переход предприятия на новый вид продукции, как правило, сопровождается увеличением количества брака, что приводит к удорожанию производства и, как следствие, снижению его конкурентоспособности. Это связано с тем, что выбор слитка для получения крупносортового проката производится из ряда отливаемых на предприятии, наиболее подходящих по массе и, в большинстве случаев, не предназначенных для изготовления других типоразмеров данной продукции.

Однако при этом, зачастую, не учитывается тот факт, что с увеличением диаметра сортового проката снижается степень обжатия исходной заготовки - слитка. При достижении некоторого критического значения степени обжатия дефекты, неизбежно присутствующие в теле слитка (как правило, это дефекты усадочного происхождения, сконцентрированные по оси слитка), не устраняются в ходе обработки давлением, наследуются готовым изделием и выявляются в самом конце производственного цикла при сдаточных испытаниях.

Наиболее часто используемые для производства сортового проката слитки имеют прибыльную часть, ориентированную на компенсацию усадочных дефектов в кристаллизующемся слитке. Недостаточное количество исследований по анализу её тепловой работы на этапе проектирования слитка приводит к малоэффективному использованию металла прибыли, что, наряду со значительной величиной её относительного объема (13 - 18%), приводит к низким показателям выхода годного и, как следствие, к увеличению себестоимости продукции.

В связи с этим оптимизация параметров слитков для производства крупносортового проката, обеспечивающая снижение дефектов в готовой продукции, а так же максимально эффективное использование металла прибыли слитка, позволяющее увеличить выход годного с одновременным повышением однородности показателей свойств металлопроката, является актуальным направлением в области повышения качества отечественной металлопродукции и её конкурентоспособности.

Диссертационная работа выполнена в рамках проектов РФФИ № 07-08-00511 «Изучение фундаментальных закономерностей формирования дефектов при кристаллизации сверх крупных металлических тел», Министерства образования РФ «Исследование фундаментальных процессов формирования структуры и свойств сверхкрупных металлоизделий в различных условиях кристаллизации больших масс металла» per. номер 2.1.2/283 и государственного контракта №02.525.11.5006 «Разработка технологии и комплекса универсального модульного оборудования для переработки металлосодержащих отходов с выделением товарных металлов».

Цель работы: Улучшение качества крупносортового проката за счет снижения количества дефектов, выявляемых ультразвуковым контролем, посредством опти-\ мизации геометрических параметров слитка и технологических факторов. В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи: — выявлены значимые параметры и получена математическая зависимость,

описывающая размер зоны осевой рыхлости исследуемых слитков;

— определены оптимальные параметры слитка для производства крупносортового проката, использование которого обеспечивает отсутствие дефектов УЗК в готовом изделии;

— изучены условия формирования осевой зоны слитков, предназначенных для производства крупносортового проката;

— исследованы качественные показатели металлопроката, изготовленного из традиционных и предлагаемых слитков, и проведен их сравнительный анализ.

Методы исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов оптической микроскопии и использованием новых оригинальных методик и компьютерных систем - определения параметров дендритной структуры металла, моделирования процесса кристаллизации слитка. Исследование химической неоднородности производилось на фотоэлектрической установке ARL 3460 Metals Analyzer. Исследование изменения температуры поверхности изложниц и прибыльных надставок производилось с использованием инфракрасного пирометра Impac Infrared IN15.

Научная новизна:

— В результате комплексного исследования сортового слитка и математического моделирования процесса формирования структурных зон впервые определены его геометрические параметры, позволяющие увеличить долю вертикальной составляющей процесса кристаллизации и обеспечивающие направленность продвижения фронта затвердевающего металла к тепловому центру слитка, что улучшает питание его центральных объемов металлическим расплавом прибыли;

— Установлено влияние геометрии и способа утепления прибыльной надставки на скорость затвердевания металла прибыли, это позволило увеличить её тепловую работу, что, наряду с более эффективной компенсацией усадки затвердевающих объемов стали, обеспечивает снижение физической и химической неоднородности готовой продукции;

— Получена математическая зависимость, позволяющая прогнозировать и управлять развитием дефектных зон в слитке, начиная с этапа его проектирования.

Практическая ценность работы заключается в том, что использование установленных закономерностей и выведенных зависимостей позволило разработать новый слиток, обеспечивающий минимально допустимый уровень развития усадочных пороков в теле слитка, и, как следствие, отсутствие брака по дефектам УЗК на сортовом прокате диаметром до 340мм. При этом оптимизация геометрии прибыльной части слитка, в совокупности с применением теплоизоляционных плит и утепляющей смеси, обеспечила увеличение тепловой работы прибыли на 24,93%, что позволило снизить головную обрезь на 1,73% и увеличить химическую однородность готовой продукции по углероду и фосфору в 1,7 раза, а по сере - в 1,6 раза.

Внедрение на ЗАО ВМЗ «Красный октябрь» (г. Волгоград) теплоизоляционной смеси EXOLUPU 30-J-590/S и плит ПВК в качестве утепления прибыли слитков массой 7,0 т позволило снизить отбраковку сортового проката больших диаметров по дефектам, выявляемым УЗК, что дало экономический эффект 2210 руб/т.

Основные положения, выносимые на защиту:

— результаты моделирования влияния геометрических параметров и технологических факторов на развитие зоны осевой рыхлости в сортовом слитке;

— результаты термометрирования и сравнительный анализ теплового баланса прибыльных надставок слитков, предназначенных для производства сортового проката диаметром до 340мм;

— результаты исследования влияния геометрических параметров и технологических факторов слитка на качество сортового проката диаметром до 340мм.

Апробация работы осуществлялась на 2-х международных конференциях (Самара 2004г., Казань 2006г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2006, 2007 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 3 в центральной печати и 1 патент на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературных источников. Диссертация изложена на 13^ страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 22 таблицы. Список использованных источников включает 125 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены: актуальность, структура работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе описаны основные закономерности формирования дефектов усадочного происхождения стального слитка. Проведён анализ влияния геометрических параметров изложницы на развитие усадочных дефектов в теле слитка. Определена роль прибыльной надставки в формировании осевой зоны слитка, а также связь между качеством исходного слитка и получаемого из него проката.

Российскими и зарубежными исследователями такими как: Чалмерс Б., Не-хендзи Ю.А., Ефимов В.А., Скобло С.Я., Казачков Е.А., Шмрга П., Жульев С И., и др., было установлено и доказано, что кристаллизация стали всегда сопряжена с явлением усадки, приводящим к формированию физической неоднородности в теле слитка. Основными факторами, влияющими на большую или меньшую степень развития явлений усадочного происхождения, являются химический состав, определяющий интервал затвердевания стали, геометрические параметры, температура разливки и интенсивность охлаждения слитка.

К дефектам стального слитка, обусловленным явлением усадки, относят усадочную раковину, осевую пористость и осевые трещины, которые подразделяются на \/-образные и вертикальные.

Усадочная раковина является дефектом, который неизбежно сопровождает кристаллизацию металла. Её стремятся полностью локализовать в прибыльной части слитка, в результате чего, относительный объём последней может достигать 18% и более, что неизбежно снижает выход годного металла.

Осевая рыхлость обусловлена образованием в осевой зоне крупных, различно ориентированных дендритов, которые препятствуют подпитке кристаллизующихся обьемов жидким металлом.

\/-образные трещины и несплошности располагаются над зоной конуса осаждения в постоянно сужающейся кверху рыхлой осевой зоне. Степень раскрытия трещин по высоте не постоянна, в нижней части они мелкие прерывистые, с неявно выраженной направленностью. При переходе к верхним горизонтам слитка, развитие трещин усиливается, угол между ветвями \/-образной трещины сокращается, а сами они приобретают всё более чёткие очертания. Поперечные размеры зоны V-образных трещин, как правило, не превышают '15-17% относительно диаметра слитка.

Вертикальные трещины наблюдаются в местах наибольшего скопления пор и несплошностей, располагаясь, как правило, непосредственно под усадочной раковиной и в центральных участках осевой зоны.

Большое влияние на формирование усадочных дефектов оказывают геометрические параметры изложницы. Основным геометрическим параметром является

отношение высоты слитка к его среднему диаметру - H/D. Величина этого параметра позволяет определять продолжительность затвердевания, характер и направленность процесса кристаллизации, развитие усадочных дефектов в процессе кристаллизации, а также возможность их локализации. При этом, для слитков с малым НЮ характерны слабое развитие V-образной неоднородности и высокая плотность осевой зоны вследствие направленного в сторону прибыли затвердевания. В то время как слитки с увеличенным H/D характеризуются слабо развитой внеосевой Л-образной неоднородностью, резко выраженной осевой V-образной неоднородностью и неплотностью осевой зоны.

Не менее существенным параметром слитка является его конусность, определяемая отношением разницы линейных размеров верхнего и нижнего диаметров тела слитка к его высоте, выраженным в процентах. С увеличением обратной (отрицательной) конусности возрастает угол питающего канала в теле кристаллизующегося слитка, что облегчает подпитку затвердевающих твердо-жидких объемов кристаллического каркаса. Кроме того, повышение отрицательной конусности стенок изложницы способствует повышению направленности затвердевания и, как следствие, получению более плотной структуры слитка.

Важнейшим элементом системы слиток-изложница является прибыльная надставка, эффективность её использования определяет качество слитка и изделий, получаемых из него. Необходимо тщательно подбирать параметры прибыльной части слитка, так как в процессе кристаллизации слитка она выполняет следующие функции: питает последовательно затвердевающие объемы металла, что оказывает непосредственное влияние на развитие усадочных пустот и трещин; определяет интенсивность и распределение конвективных потоков, тем самым влияя на расположение зональной ликвации в слитке; сохраняет перегретые объемы стали и образует резервуар для всплывания ликватов и неметаллических включений из тела слитка.

Обязательным условием получения плотной осевой зоны слитка является то, что металл в изложнице должен затвердеть раньше, чем питающий его металл в прибыльной надставке. В настоящее время разработаны различные способы утепления прибыльной части спитка, направленные на поддержание металла прибыли в жидком состоянии до окончания кристаллизации металла тела слитка. Наиболее изученными из них являются: доливка горячего металла в прибыльную часть; обогрев прибыли электрической дугой; электрошлаковый обогрев головной части слитка. Однако все эти способы сопряжены с значительными трудо- и энергозатратами, а потому малоприменимы при массовом производстве.

Наиболее простым и эффективным способом повышения тепловой работы прибыльной надставки является применение теплоизоляционных вкладышей в качестве футеровки при одновременном утеплении зеркала металла теплоизолирующими или экзотермическими засыпками, это позволяет не только повысить качество осевой зоны стального слитка, но и увеличить выход годного металла на 1 - 5 % за счет снижения объема прибыли.

.-■ Несмотря нй все мероприятия, проводимые для повышения качества осевой -зоны стального слитка, она всегда характеризуется наличием дефектов усадочного происхождения. Но при грамотном подборе слитка, а также организации эффективной работы его прибыльной части развитие этих дефектов минимально, и они устраняются при последующей обработке давлением. Однако, при снижении суммарной степени обжатия, что, в частности, характерно при переходе на сортовой прокат больших диаметров, степень воздействия на осевую зону снижается, и это приводит к наследованию прокатом дефектов стального слитка и, как следствие, отбраковке штанг после ультразвукового контроля (рисунок 1).

диаметр проката, мм Рисунок 1 - Зависимость уровня брака по дефектам, выявленным ультразвуковым контролем, от диаметра сортового проката

Таким образом, для получения крупносортового проката высокого качества необходимо детально проанализировать условия формирования осевой зоны исходного слитка и при необходимости оптимизировать его параметры таким образом, чтобы обеспечить минимальное развитие дефектов усадочного происхождения, увеличение выхода годного металла, а так же повышение механических свойств за счет снижения ликвационной неоднородности по концам изделия.

Во второй главе приведены сведения о материале исследований, описана методика исследования металла слитка с применением современной компьютерной техники по ряду параметров: количество дендритов на единицу длины секущей, длина их наибольшей оси и угол наклона к горизонтали. По совокупности всех этих параметров определяли границы структурных зон слитка.

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

Приведена методика проведения термометрирования наружной поверхности изложницы в процессе кристаллизации металла слитка, а также схема измерения температуры по глубине прибыльной надставки.

Описана математическая модель, использованная для моделирования процессов затвердевания слитков.

Приведена методика анализа качества крупносортового проката, полученного из исследуемых слитков.

В третьей главе приведены результаты исследования слитка стали 20 массой 6,61т, используемого для производства сортового проката, его основные параметры приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Геометрические параметры и технологические факторы слитка массой 6,61т

Масса слитка, т НЮ ктс, % Упр, % V Вт/(мК) Вт/(мК) Расход смеси, кг Твыт С Траэп- С Тпр/ Ттепа

6,61 2,94 7,0 13,3 1,78 0,35 10 1620 1590 0,5

В результате исследования структурной и физической неоднородности слитка массой 6,61т идентифицированы зоны, представленные на рисунке 2. Было уста-

новлено, что анализируемый слиток обладает развитой структурной и химической неоднородностью. Результаты исследования кристаллической структуры представлены в таблице 2.

2300 —

2200— I / 1

2101)~ / 1 2000— Й^Г ' /1

1900 1800 1700 ■

2 1600 -5

_ 1500 -

га а

(- 1400 -

5 1300-Я!

I 1200Ч

£ 1100-

0

| 1000-

1

К 900-

о

I-

О 800-

и го

о. 700600500400300 — 200— 100 —

I—I—I—г—I—I—I—I

О 100 200 ■ 300 400 500 600 700

Расстояние от края слитка, мм

1 - корковая зона; 2 - зона столбчатых кристаллов; 3 - конус осаждения; 4 - зона крупных различно ориентированных дендритов; 5 - зона осевой рыхлости; 6 -усадочная раковина Рисунок 2 - Структурные зоны слитка стали 20 массой 6,61т

Выявлено, что слиток массой 6,61т«бладает выраженной зоной осевой рыхлости, расположенной над конусом осаждения. В среднем, ширина зоны осевой рыхлости составляет 10-20 % от ширины тела слитка, своей максимальной ширины она достигает на средних горизонтах слитка (на высоте 1100 мм от дна слитка). В осевой зоне наблюдается большое количество трещин и пор. Величина раскрытия трещин изменяется в пределах 0,75 - 4,5мм, длина колеблется от 0,7 до 12,7мм, а среднее её значение составляет 5,8мм. Поры в основном небольшие 0,3 - 0,7мм, однако помимо отдельных пор существуют протяженные их скопления, в расположении которых прослеживается V - образная закономерность. Начиная с высоты порядка 1700мм, поражённость металла осевой зоны дефектами усадочного происхо-

ждения снижается, что выражается в общем уменьшении пористости и рыхлости металла.

Таблица 2 - Параметры кристаллической структуры слитка массой 6,61т

Зоны

Параметр Столбчатые Крупные различно- Конус Осевая

кристаллы ориентированные осаждения зона

Размер кри- 70...110 8,2...11,0 3,2...5,2 3,8...7,8

сталлов, мм 85 10 4,5 6,0

Угол 15. .24 21. .54 7...82 29... 84

наклона, град 20 41,7 53,2 54

Плотность 0,4...3,9 0,6...3,0 2,8...3,6 0,2 . 3,3

дендритов, см"' 3,2 2,2 3,4 1,8

В числителе приаедён разброс максимальное...минимальное значение, в знаменателе - среднее значение

Исследование химической неоднородности показало наличие в слитке стали 20 массой 6,61т областей положительной и отрицательной ликвации. Причем, в нижней части слитка (в конусе осаждения) наблюдается зона отрицательной ликвации, а при переходе к верхним горизонтам ликвация принимает положительные значения, достигая своего максимума в подприбыльной области (рисунок 3).

2300 2200 ¡100 -7000

2 1боо 2

. 1500 —

га *

»- 1400 — 5 1300-

ге

X 1200 С1

ь нос —

500460300203100—

_ . 0,25[ __

0.21 СХс= +25%

А

4

-10%

0 100 700 300

Расстояние от края слитка, мм

100 ?00 300

Расстояние от края слитка, мм

Б

сср=-8%

100 200 300

Расстояние

от края слитка, мм р

1 - корковая зона; 2 - зона столбчатых кристаллов; 3 - конус осахедения; 4 - зона крупных различно ориентированных дендритов; 5 - зона осевой рыхлости; 6 -усадочная раковина Рисунок 3 - Распределение химических элементов по сечению слитка стали 20 массой 6,61т

Для оценки эффективности использования металла головной части слитка был произведен расчет тепловой работы прибыли (таблица 3), который был основан на результатах замера температур по глубине прибыльной надставки слитка массой 6,61т (рисунок 4).

500

О 400 го

& 300

ь

га

2" 200

с

Е

£ 100 о

Рисунок 4 - Схема и результаты термометрирования прибыльной надставки слитка стали 20 массой 6,61т

Температурное поле прибыльной надставки характеризуется значительным перепадом температур между внутренней и наружной поверхностью. На начальном этапе разность температур возрастает и достигает своего максимума через 22 минуты после окончания разливки, затем он стабилизируется, а спустя 55 - 65 минут начинает снижаться, что соответствует уменьшению теплового потока на окончательном этапе кристаллизации слитка. Из рисунка 4 видно, что основание прибыльной надставки (Н1, Н12) прогревается значительно сильнее, чем её верхние горизонты (Н2, Н22), это объясняется высокими теплопотерями через зеркало металла ввиду применения недостаточно эффективных теплоизоляционных материалов.

Из таблицы 3 следует, что большая доля теплоты (36,76%) расходуется на разогрев футеровки и кожуха прибыльной надставки, в то время как телу слитка отдается 35,52%. Такая работа прибыли не является эффективной, а значит, в процессе кристаллизации не обеспечивается должная подпитка осевых объемов, что и приводит к наличию протяженной зоны осевой рыхлости.

Исследования слитка стали 20 массой 6,61т показали наличие в нём структурной, физической и химической неоднородности. Причем физическая неоднородность при производстве крупносортового проката, как правило, наследуется гото-

|П| |Л-А—й— —&— -д

ц ==б

—в— -О

0 20 40 60 80 100 120 140

Время с момента окончания разливки, мин

-о-Н1 -*-Н2 -&-Н12 -к-Н22

вым изделием и приводит к его отбраковке. Таким образом, для производства сортового проката больших диаметров необходима оптимизация параметров исследуемого слитка. В частности, необходимо увеличить эффективность тепловой работы прибыли и создать более благоприятные условия для подпитки осевых объемов слитка на заключительных этапах кристаллизации.

Таблица 3 - Тепловой баланс прибыли слитка массой 6,61т

количество тепла

МДж | %

ПРИХОД

охлаждение металла до температуры ликвидус 39,38 9,93

охлаждение металла до температуры солидус 20,67 5,21

охлаждение металла до средней температуры по объему прибыли 111,04 27,99

скрытая теплота кристаллизации 225,55 56,87

РАСХОД

потери на нагрев футеровки и прибыльной надставки 145,79 36,76

потери с наружной поверхности прибыльной надставки 61,37 15,47

потери от зеркала металла 48,57 12,25

количество тепла, переданного в тело слитка 140,91 35,52

В четвертой главе исследовались закономерности формирования зоны осевой рыхлости в слитках, предназначенных для производства крупносортового проката. Оценено влияние: параметра H/D, конусности изложницы (КИЗл), относительного объема прибыльной части (Vnp), конусности прибыльной надставки (Кпр), величины перегрева расплава над температурой ликвидус (ДТ), теплопроводности материалов футеровки (Ai) и теплопроводности утепляющей засыпки (Л2). Определяющим фактором при оценке являлся относительный диаметр зоны осевой рыхлости.

Для гарантированного удаления дефектов усадочного происхождения в процессе получения готового изделия необходимо прогнозировать размеры зоны осевой рыхлости и минимизировать её развитие.

С целью построения математической модели вида:

Q0p%=f(H/D; K„„; V„p; Knp; ДТ; А,; Л2) (1)

относительный диаметр осевой рыхлости в теле слитка, %; отношение высоты тела слитка к его среднему приведённому диаметру;

конусность изложницы (на обе стороны), %; относительный объем прибыльной части, %; конусность прибыли (на обе стороны), %;

где D0 р.%-H/D-

Кизл ~~

Vnp-

KnD -

ДТ - перегрев расплава над температурой ликвидус, °С; А-, - теплопроводность материала футеровки, Вт/(м2К); Л2 - теплопроводность утепляющей засыпки, Вт/(м2К).

с использованием методов математического планирования эксперимента была разработана и реализована матрица полного факторного эксперимента 27 Интервалы варьирования факторов и их значения в натуральном масштабе на основном, верхнем и нижнем уровнях указаны в таблице 4.

Таблица 4 - Интервалы варьирования и значения факторов в натуральном масштабе

Факторы Н/О КИЗЛ. | \^приб, I Кприб, % | % | % А,, Вт/М'К ДТ А г, Вт/мК

Основной уровень 2,9 8 13 | 30 1,2 90 0,35

Интервал варьирования (АХ,) 2 2 I 2 П -1 0,1 40 0.01

Верхний уровень (Х;= 1) 3,9 12 19 50~ 2,3 130 0,7

Нижний уровень (х, = -1) 1.9 4 7 1 10 0,1 50 0,01

На основе результатов полного факторного эксперимента было получено следующее уравнение регрессии, связывающее относительный диаметр осевой рыхлости с его геометрическими параметрами и технологическими факторами:

00.р%= 33,94 - 0,64-НЮ + 0,32-Кизл - 5,41 Л/пр + 20,57-Кпр - 0,075-Л-, + + 10,81-ДТ- 2,97-Лз - 14,01 НЮ Кизл + 0,15-НЯ)Л/пр - 0,26-НЛ>Л, -

- 0,027 НЯ>ЛТ - 0,71НД>Л2 - 0,11 КизяЛ/пр - 4,95-Кизл-Кпр + 0.15-КизлА, + + 0,18 Кизя-ДТ + 8,56КизлА2- 1,26■Vпp■Kпp - 1,39 Кпр-А2- 1,36 А, ДТ -- 0,083-ЛгЛ2 + 0,19-НЯ>КизлУпр + 4,67НЛ>Кизл-А1 - 2,48Н/ОКизлА2 -

- 0,23 НЮ А, А2 - 0,088 Кизл АгА2 + 0,124НД>Кизл-АгА2 (2)

Подставив в выражение (2) значения параметров реального слитка, рассчитывается относительный диаметр осевой рыхлости в его теле, что дает возможность заранее определить возможность использования слитка для изготовления проката заданного диаметра.

Результаты анализа полученной зависимости представлены в виде гистограммы на рисунке 5.

светлая штриховка соответствует положительным знамениям коэффициентов, тёмная штриховка - отрицательным Рисунок 5 - Совокупное и отдельное влияние факторов на относительный диаметр зоны осевой рыхлости в слитке для крупносортового проката

Наибольшее влияние на относительный диаметр зоны осевой рыхлости оказывают объем прибыли, конусность тела слитка, величина теплопроводности утепляющих материалов, а так же отношение его высоты к приведенному диаметру.

Таким образом, применение методов планирования эксперимента позволило установить характер влияния основных геометрических и технологических параметров на степень развития зоны осевой рыхлости в теле слитка для крупносортового проката, а также получить модель, описывающую это влияние.

В пятой главе приведены результаты математического моделирования и оптимизации геометрических параметров слитка массой 6,61т, на основании которых был разработан слиток массой 7,0т, предназначенный для производства крупносортового проката. Представлены исследования условий формирования осевой зоны слитка массой 7,0т, а также их сравнение с аналогичными параметрами слитка массой 6,61т, кроме того проведен анализ качества сортового проката (0 270 - 340 мм), полученного из предлагаемого слитка.

Необходимым условием для производства качественного сортового проката больших диаметров является получение исходного слитка с плотной осевой зоной (т.е. Dop—> min). На основании полученной математической модели (2) были определены геометрические параметры и технологические факторы слитка, обеспечивающие минимальное развитие зоны осевой рыхлости (таблица 5).

Оценка возможности применения слитка с установленными параметрами производилась на основании моделирования процесса кристаллизации, которое показало, что механизм формирования структурных зон в традиционном (массой 6,61 т) и предлагаемом (массой 7,0 т) слитках аналогичен (рисунок 6).

Юмин

40мин

70мин

ЮОмин

130мин

■ - жидкая фаза; ВИН - корковая зона; тт - зона столбчатых кристаллов: И - конус осаждения; I I - зона различно ориентированных кристаллов: ■ШВ - зона осевой рыхлости. Рисунок 6 - Продвижение фронта кристаллизации в слитках массой 6,61т (слева) и 7,0т (справа)

Таблица 5 - Геометрические параметры и технологические факторы, обеспечивающие минимальное развитие зоны осевой рыхлости_

масса слитка, т НТО к««,. % Ч,рй6, % кприб> % Хф, Вт/(М'К) йТ,С Вт/(м-К)

7,0 2,07 7,5 13,0 22,0 0,3 80 0,02

Однако затвердевание металла осевой области слитка массой 6,61т происходит в менее благоприятных условиях.

На начальных этапах кристаллизации скорость формирования кристаллического каркаса в горизонтальном направлении значительно превышает скорость продвижения фронта затвердевающего металла в вертикальном направлении (рисунок 6, 7). Это приводит к тому, что в осевой области образуется протяжённая твёрдо-жидкая зона сравнительно небольшого диаметра, дальнейшее затвердевание которой происходит практически одновременно по всей высоте, сопровождаясь усадкой металла. Компенсация усадки происходит за счет металла прибыльной части, в слитке массой 6,61т, скорость снижения относительного объема жидкого металла в прибыли (рисунок 8) соответствует скорости продвижения горизонтального фронта кристаллизации. Вследствие этого, на заключительных этапах формирования осевой зоны в прибыльной части находится недостаточное количество жидкого металла для эффективного питания затвердевающих объемов.

Время, мин

а

Время, мин б

Рисунок 7 - Динамика продвижения горизонтального (а) и вертикального (б) фронтов кристаллизации в слитках массой 6,61т (о) и 7,0т (А)

Время, мин

Рисунок 8 - Динамика изменения количества жидкой фазы в прибыльной части слитков массой 6,61т (о) и 7,0т (Л)

Оптимизация геометрических параметров слитка массой 7,0т в совокупности с изменением утепления прибыльной надставки позволяет снизить скорость продвижения горизонтального фронта кристаллизации в 1,3 раза (рисунок 7), при этом время пребывания металла прибыли слитка в жидком состоянии возрастает на 23% (рисунок 8). Эти обстоятельства позволяют эффективно восполнять усадку осевых объемов слитка за счет металла прибыли вплоть для окончания их кристаллизации и, кроме того, создают благоприятные условия для концентрации ликвирующих элементов в подусадочном пространстве и последующем их удалении вместе с металлом головной обрези.

Для производства опытной партии слитков, обеспечивающих минимальное развитие дефектов усадочного происхождения, была разработана литейная оснастка, основные параметры которой представлены на рисунке 9.

Для более рационального использования металла прибыли была разработана прибыльная надставка, имеющая в поперечном сечении форму восьмигранника (рисунок 10), в то время, как для этих слитков ранее применялись четырехгранные надставки.

В качестве футеровки новой прибыли использовали плиты ПВК, которые обладают высокими теплофизическими и эксплуатационными свойствами. Для утепления зеркала металла применяли теплоизоляционную смесь ЕХОШР1/ 30-^1-590/5, которую необходимо вводить при наполнении 1/2 высоты прибыли, с расходом 10 кг смеси на слиток. Разливка осуществлялась сифонным способом, по четыре слитка на поддоне (таблица 6).

1070

Рисунок 9 - Геометрические параметры литейной оснастки для слитка массой 7,0т

Рисунок 10 - Чертеж прибыльной надставки для слитка массой 7,0т

Таблица 6 - Геометрические параметры и технологические факторы слитка массой 7,0т

Масса слитка, т НЮ ^Ф» Вт/(м К) ^•см? Вт/(м К) Твьт, С Ттела, мин Тпр, МИН Ттсла^ир

7,0 2,07 0,3 0,02 1620 1590 8,3 4,2 0,51

Тепловой баланс прибыли слитка массой 7,0т производился на основании замеров температуры в различных точках прибыльной надставки (рисунок 11), а так же с учетом результатов термометрирования наружной поверхности литейной оснастки (рисунок 12). Результаты расчетов приведены в таблице 7.

Время с момента окончания разливки, мин -е-Н1 -е-Н2 -¿гН12 -*-Н22 Рисунок 11 - Схема и результаты термометрирования прибыльной надставки слитка стали 20Г2 массой 7,0т

Таблица 7 - Тепловой баланс прибыли слитка массой 7,0т

количество тепла

МДж | %

ПРИХОД

охлаждение металла до температуры ликвидус 43,00 10,91

охлаяедение металла до температуры солидус 22,58 5,73

охлаждение металла до средней температуры по объему прибыли 82,28 20,87

скрытая теплота кристаллизации 246 32 62,49

РАСХОД

потери на нагрев футеровки и прибыльной надставки 79,17 20,08

потери с наружной поверхности прибыльной надставки 34,37 8,72

потери от зеркала металла 42,36 10,75

количество тепла, переданного в тело слитка 238,28 60,45

Сопоставление данных, приведенных в таблицах 3 и 7, свидетельствует о том, что, благодаря подбору рациональной формы прибыльной надставки и использованию более эффективных утепляющих материалов, удалось снизить: потери на нагрев футеровки и прибыли на 16,68%; потери с наружной поверхности прибыли на 6,75%; потери от зеркала металла на 1,5%. Таким образом, эффективность работы прибыли слитка массой 7,0т, по сравнению со слитком массой 6,61т, увеличилась на 24,93%.

Термометрирование наружной поверхности литейной оснастки слитков массой 6,61т и 7,0т (рисунок 12) показало, что в первые 25 - 35 минут после разливки идет интенсивный прогрев изложницы, что свидетельствует о значительном градиенте температур в системе «слиток-изложница».

При этом интенсивность нагрева изложницы слитка массой 7,0т несколько ниже по сравнению со слитком массой 6,61т, что связано с увеличенной толщиной стенки изложницы в новом слитке.

Спустя 35 - 40 минут после разливки температура поверхности изложниц двух слитков становится практически одинаковой (точки 1 - 5), система в этот момент характеризуется снижением температурного напора, и тепловой поток, проходящий через боковые стенки изложницы, становиться практически постоянным.

Своей максимальной температуры изложница слитка массой 6,61т достигает в точке 4, это означает, что тепловой центр этого слитка находится на одном горизонте с рассматриваемой точкой. В тоже время, изложница слитка массой 7,0т своей максимальной температуры достигает в точке 6, что свидетельствует о расположении наиболее нагретых объемов металла на более высоких горизонтах, по сравнению со слитком массой 6,61т.

о ь Ч Ж О ><

О X

га 0

г ^

и о м

о 1

о X

5< и

3

о

О X

ч <9

х

>

■—' О

-1

_СТ1 О

о> 2

«А

ч о

■о

"х <и

ч

га ■а

э ¡Г

■о

о э

-Е о

Л) п

о я>

о -о

о X

ж X

■о о

о

о ч.

ч

и а со

а а

о

и ш *

с 5 X

5 •Е

точка 1

го и (Л о

точка 2

М и № Л

О СП О СЛ 01

о о о о о

точка 3

точка 4

точка 5

точка 6

точка 7

точка 8

Температура,С

ГО Ь) (л л м О (Л О (л о

о о о о о о

Время прогрева футеровки и кожуха прибыльной надставки слитка массой 6,61т составляет 55 - 65 минут, в свою очередь, своей максимальной температуры прибыль слитка массой 7,0т достигает спустя 110-115 минут после окончания разливки. Кроме того, максимальная температура поверхности прибыльной надставки предлагаемого слитка более, чем в 2 раза ниже аналогичного показателя слитка массой 6,61т, это. прежде всего, говорит о высокой эффективности утепляющих материалов.

По окончанию кристаллизации слитки массой 7,0т опытной плавки подвергались визуальному осмотру, при котором поверхностных дефектов выявлено не было, и последующей прокатке на передельные заготовки сечением 430x370мм. Каждая заготовка подвергалась ультразвуковому контролю, а обрезь, как головная, так и донная, подвергалась взвешиванию, результаты которого представлены в таблице 8. Ультразвуковой контроль показал отсутствие внутренних дефектов в исследуемом прокате.

Таблица 8 - Баланс металла после прокатки на передельную заготовку

Масса слитка, т № слитка Головная обрезь Донная обрезь Годная часть

масса, т % масса, т % масса, т %

7,0 1 0,789 11,28 0,096 1,37 6,110 87,35

2 0,764 10,84 0,083 1.18 6,204 87,98

3 0,780 11,05 0,091 1,29 6,190 87,66

4 0,773 10,98 0,087 1,24 6,175 87,78

Ср. знач. 0,777 11,04 0,089 1,27 6,170 87,69

6,61 Ср. знач. 0,860 13,01 0,099 1,50 5.651 85,49

Величина головной обрези, в среднем, по четырем слиткам, составила =11%, в то время как при использовании слитка массой 6,61т её значение составляло =13%. Такая экономия металла подтверждает рациональность выбранной формы прибыльной надставки и эффективность утепляющих материалов. Величина донной обрези составила = 1,3%, что не превышает установленных на заводе требований по прокату.

По окончанию осмотра передельных заготовок металл был прокатан на сортовой прокат 0 330мм. Ультразвуковой контроль полученных изделий не выявил наличия в них внутренних дефектов, и после прохождения сдаточного контроля металл был сдан потребителю.

Результаты исследования химической неоднородности сортового проката, полученного из опытных слитков и слитков массой 6.61т, приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Химическая неоднородность сортового проката, полученного из слитков массой 6,61т и 7,0т_

Ликвация в сортовом прокате, %

из слитка стали 20 массой 6,61т из слитка стали 20Г2 массой 7,0т

С в Р С Э Р

Литера А (соответствует верхней части слитка) 15,00 23,00 15,40 5,00 12,50 6,67

Литера Н (соответствует донной части слитка) -10,00 -7,70 -7,70 -10,00 -6,25 -6,67

Суммарная 25,00 30,70 23,10 15,00 18,75 13,34

Таким образом, применение слитка массой 7,0т позволило снизить химическую неоднородность сортового проката по углероду и фосфору в 1,7 раза, по сере - в 1,6 раза. Главным образом, это достигается за счет снижения положительной ликвации в той части проката, которая соответствует верхним горизонтам слитка. Снижение концентрации ликвирующих элементов в подприбыльном пространстве слитка массой 7,0т связано с тем, что за счет более эффективного утепления прибыльной части слитка металл в ней остается жидким вплоть до затвердевания осевой зоны слитка, это обеспечивает скопление ликватов в прибыли, которая впоследствии удаляется.

Макроструктура сортового проката, полученного из слитков массой 7,0т, не имеет следов вторичной усадочной раковины, рыхлости, внутренних трещин, шлаковых включений и флокенов.

Исследования проката, полученного из слитка массой 7,0т, показали, что слиток полностью удовлетворяет заводским требованиям. Кроме того, предлагаемые слитки обладают более высокой химической однородность, что позволяет снизить анизотропию механических свойств в готовом изделии, а следовательно, увеличить его качество.

Для уточнения технологии производства и последующей прокатки слитков массой 7,0т произвели разливку 8 опытно-промышленных плавок в изложницы новой геометрии.

После разливки и выдержки слитки прокатывались на передельную заготовку (430X370 мм). Средняя головная обрезь по всем плавкам составила 11,27%, это на 1,73% меньше, чем при использовании слитка массой 6,61т. Донная обрезь опытных слитков находится на уровне 1,18%, в то время, как при использовании слитка массой 6,61т её среднее значение составляло 1,5%. Таким образом, использование предложенных слитков позволило увеличить выход годного металла на 2,05%.

Все восемь опытно-промышленных плавок были прокатаны на сортовой прокат 027О-34Омм. После правки и обточки штанг был проведен ультразвуковой контроль проката, результаты которого приведены в таблице 10.

Таблица 10 - Результаты ультразвукового контроля сортового проката, полученного из слитков массой 7,0т_

Масса слитка, т Параметр Диаметр проката, мм

270 280 310 320 330 340

7,0 Количество прокатанных штанг, шт 4 4 16 15 17 8

Количество годных штанг, шт 4 4 16 15 17 8

Уровень брака, % - - - - - -

6,61 Уровень брака, % 4,25 5,25 9,62 10,86 11,80 11,80

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые разработана новая геометрия слитка, позволяющая увеличить долю вертикальной составляющей процесса кристаллизации, что обеспечивает получение слитка с улучшенными характеристиками осевой зоны;

2. На основе проведённых исследований и результатов математического моделирования были установлены факторы (H/D; Кизп; Vnp; Кпр; ДТ; А,; А2), опреде-

ляющие величину зоны осевой рыхлости, и определены параметры слитка,, обеспечивающие её минимальное развитие;

3. Разработан слиток новой геометрии, в котором скорость продвижения горизонтального фронта кристаллизации снижена в 1,3 раза, что обеспечивает направленность продвижения фронта затвердевающего металла к тепловому центру слитка, и улучшенное питание его центральных объемов металлическим расплавом прибыли;

4. По результатам промышленных исследований установлено, что использование новой геометрии прибыльной надставки, теплоизолирующей смеси EXOLUPU 30-J-590/S и футеровочных плит ПВК увеличило тепловую работу прибыли на 24,93 %, это обеспечило эффективное восполнение усадки осевых объемов спитка, за счет металла прибыли вплоть до полного их затвердевания;

5. Применение теплоизолирующей смеси в сочетании с футеровочными плитами позволило добиться перемещения теплового центра слитка в псдлрибыль-ную область, что обеспечило снижение химической неоднородности сортового проката по углероду и фосфору в -1,7 раза, а по сере в -1,6 раза;

6. Внедрение на ЗАО «ВМЗ «Красный Октябрь» теплоизоляционной смеси EXOLUPU 30-J-590/S и плит ПВК в качестве утепления прибыли слитков массой 7,0 т, предназначенных для производства сортового проката диаметром более 300 мм, обеспечило снижение брака готовой продукции по дефектам, выявляемым ультразвуковым контролем, что дало годовой экономический эффект в размере 2210 руб/т.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Патент на полезную модель 84759, РФ, МПК В 22 D 7/06/ Изложница для стального слитка / Мозговой A.B., Зюбан H.A., Руцкий Д.В., Фёдоров Д.Н., Кно-хин В.Г. - Опубл. 20.07.2009. Бюл. №20.

2. Стабилизация механических свойств в изделиях тяжёлого машиностроения /Д.В. Руцкий, С.И. Жульев, Б.А. Сивак, Ю.М. Шелухина, A.B. Мозговой // Тяжёлое машиностроение. - 2007. -№12.-С. 26-28.

3. Исследование и оптимизация параметров слитка для получения крупносортового проката / A.B. Мозговой, С И. Жульев, H.A. Зюбан, Д.Н. Фёдоров, Д.В. Руцкий // Металлург. -2008. - № 8. С 33-37.

4. Исследование строения слитка, используемого для производства сортового проката / A.B. Мозговой, С.И. Жульев, Д.В. Руцкий, Д.Н. Фёдоров, H.A. Зюбан // Известия Волгоградского гос.техн.ун-та. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности» в Маш Вып.2: межвуз. сб. науч. ст. - 2008. - №10.

5. Исследование структуры слитков и заготовок / С.И. Жульев, Д.В. Руцкий, Д.Н. Федоров, А.П. Фоменко, В.А. Шамрей, A.B. Мозговой // Высокие технологии в машиностроении: Матер. Междунар. науч.-техн. конф., Самара, 20-22 окт. 2004 / Самар. гос. техн. ун-т. - Самара, 2004.-С. 190-192.

6. Некоторые особенности кристаллической структуры нижней части стального слитка / К.Е. Титов, М.Е. Живов, A.B. Мозговой // Научные сообщения КДН: Бюллетень /Волгогр. клуб докторов наук.: Волгоград, 2004. - №13. - С. 41-44.

7. Мозговой, A.B. Шлаки, применяемые при разливке стали / A.B. Мозговой И Научные сообщения КДН: Бюллетень / Волгогр. клуб докторов наук. - Волгоград, 2004.-№13.-С. 105-110.

8. Влияние геометрических параметров слитков на расположение усадочных дефектов / А.П.Фоменко, В.А. Шамрей, A.B. Мозговой, Д.В. Руцкий, С.И. Жульев

// Металлургия и металловедение в машиностроении: сб. науч. тр. / [под ред. С.И. Жульева]. - Волгоград, 2006. - С. 79-84.

9. Исследование структуры с помощью металлографической программы «МГП». /Вод К.Ю., Шамрей В.А., Посламовская Ю.А, Мозговой A.B., Живов М.Е.// Международная молодежная конференция «XIV Туполевские чтения», Казань, 10-11 ноябрь 2006 / КГТУ им. А.Н. Туполева. - Казань, 2006. - С 120 -123.

10. Математическая модель кристаллизации крупного кузнечного слитка / М.Е. Живов, A.B. Мозговой, A.C. Секретев, С.И. Жульев // Металлургия и металловедение в машиностроении; сб. науч. тр. I [под ред. С.И. Жульева]. - Волгоград, 2006. - С. 122-126.

11. Мозговой, A.B. Разработка слитков для сортового проката / A.B. Мозговой, В.А. Шамрей, С.И. Жульев // X Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 8-11 ноября 2005 г.: тез. докл./ВолгГТУ и др. - Волгоград, 2006. - С. 142-143.

12. Устранение осевых дефектов в крупносортовом прокате на ВМЗ "Красный Октябрь" / A.B. Мозговой, В.А. Шамрей, А.П. Фоменко, Д.Н. Федоров, С.И. Жульев // Металлургия и металловедение в машиностроении: сб. науч. тр. / [под ред. С.И. Жульева]. - Волгоград, 2006.-С 99-105.

13. Мозговой, A.B. Влияние геометрических параметров слитка на качество проката /A.B. Мозговой, В.А. Шамрей, СИ. Жульев//Х1 Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 8-10 ноября 2006 г.: тез. докл. / ВолгГТУ и др. - Волгоград, 2007. - С. 143-144.

14. Федоров, Д.Н. Разработка и исследование слитка новой геометрии /Д.Н. Федоров, С.И. Жульев, A.B. Мозговой И Проблемы чёрной металлургии и материаловедения. - 2008. - № 1. - С. 20-24.

Личный вклад автора в опубликованные работы. Все выносимые на защиту научные и практические результаты получены автором лично и в соавторстве.

В работах [2, 4, 5, 6, 9] автором приводятся данные, полученные в результате исследования структурной, физической и химической неоднородности слитков и изделий полученных из них. В работах [1, 8, 11, 14] приведены результаты оптимизации параметров слитка, позволившие повысить качество получаемой из него продукции. В статье [7] автором проводится анализ материалов использующихся для утепления прибыльной части стального слитка. В работах [12, 13] автором предложены оптимальные геометрические параметры и технологические факторы слитка, обеспечивающие минимальное развитие дефектов осевой зоны. В статьях [3, 10] представлены результаты, полученные с помощью программы компьютерного моделирования, определяющие закономерности формирования дефектов усадочного происхождения в теле слитка, а так же влияние геометрических и технологических параметров на степень их развития.

Подписано в печать 20. Н .2009 г. Заказ № 797 . Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400131, г. Волгофад, ул. Советская, 35

Введение.

Глава 1. Анализ влияния усадочных процессов на качество стального слитка и проката получаемого из него.

1.1 Анализ процессов происходящих при усадке стали, их причины и последствия.

1.2 Физическая неоднородность стального слитка.

1.3 Влияние геометрических параметров изложницы на развитие дефектов усадочного происхождения.

1.4 Применение внешних воздействий для повышения качества слитка.

1.5 Роль прибыли в процессе формирования осевой зоны слитка.

1.6 Влияние усадочных явлений на качество крупносортового проката.

1.7 Усадочные дефекты, выявляемые ультразвуковым контролем.

Наиболее важной задачей, стоящей в настоящий момент перед предприятиями металлургического сектора, наряду с уменьшением себестоимости продукции и производством изделий, удовлетворяющих мировым стандартам качества, является освоение новых сегментов рынка. Анализ рынка металлопроката показал, что наиболее перспективным направлением развития предприятий этой отрасли является усложнение профиле - марочного сортамента выпускаемой продукции и, в частности, увеличение в ней доли сортового проката большого диаметра.

Вместе с тем, переход предприятия на новый вид продукции, как правило, сопровождается увеличением количества брака, что приводит к удорожанию производства и, как следствие, снижению его конкурентоспособности. Это связано с тем, что выбор слитка для получения t крупносортового проката производится из ряда отливаемых на предприятии, наиболее подходящих по массе и в большинстве случаев, не предназначенных для изготовления других типоразмеров данной продукции.

Однако при этом, зачастую, не учитывается тот факт, что с увеличением диаметра сортового проката снижается степень обжатия исходной заготовки -слитка. При достижении некоторого критического значения степени обжатия дефекты, неизбежно присутствующие в теле слитка (как правило, это дефекты усадочного происхождения, сконцентрированные по оси слитка), не устраняются в ходе обработки давлением, наследуются готовым изделием и выявляются в самом конце производственного цикла, при сдаточных испытаниях.

Наиболее часто используемые для производства сортового' проката слитки имеют прибыльную часть, ориентированную на компенсацию усадочных дефектов в кристаллизующемся слитке. Недостаточное количество исследований по анализу её тепловой работы на этапе проектирования слитка приводит к малоэффективному использованию металла прибыли, что, наряду со значительной величиной её относительного объема (13 - 18%), приводит к низким показателям выхода годного металла и, как следствие, к увеличению себестоимости продукции.

В связи с этим оптимизация параметров слитков для производства крупносортового проката, обеспечивающая снижение дефектов в готовой продукции, а так же максимально эффективное использование металла прибыльной части слитка, позволяющее увеличить выход годного с одновременным повышением однородности показателей свойств металлопроката, является актуальным направлением в области повышения качества отечественной металлопродукции и её конкурентоспособности.

Цель данной работы состояла в улучшении качества крупносортового проката за счет снижения количества дефектов, выявляемых ультразвуковым контролем, посредством оптимизации геометрических параметров слитка и технологических факторов.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи: выявлены значимые параметры и получена математическая зависимость, описывающая размер зоны осевой рыхлости исследуемых слитков; определены оптимальные параметры слитка для производства крупносортового проката, использование которого обеспечивает отсутствие дефектов УЗК в готовом изделии; изучены условия формирования осевой зоны слитков, предназначенных для производства крупносортового проката; исследованы качественные показатели металлопроката, изготовленного из традиционных и предлагаемых слитков, и проведен их сравнительный анализ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

В результате комплексного исследования сортового слитка и математического моделирования процесса формирования структурных зон впервые определены его геометрические параметры, позволяющие увеличить долю вертикальной составляющей процесса кристаллизации и обеспечивающие направленность продвижения фронта затвердевающего металла к тепловому центру слитка, что улучшает питание его центральных объемов металлическим расплавом прибыли;

Установлено влияние геометрии и способа утепления прибыльной надставки на скорость затвердевания металла прибыли, это позволило увеличить её тепловую работу, что, наряду с более эффективной компенсацией усадки затвердевающих объемов стали, обеспечивает снижение физической и химической неоднородности готовой продукции;

Получена математическая зависимость, позволяющая прогнозировать и управлять развитием дефектных зон в слитке, начиная с этапа его проектирования.

Практическая значимость работы заключается в том, что использование установленных закономерностей и выведенных зависимостей позволило разработать новый слиток, обеспечивающий минимально допустимый уровень развития усадочных пороков в теле слитка, и, как следствие, отсутствие брака по дефектам УЗК на сортовом прокате диаметром до 340мм. При этом оптимизация геометрии прибыльной части слитка, в совокупности с применением теплоизоляционных плит и утепляющей смеси, обеспечила увеличение тепловой- работы прибыли на 24,93%, что позволило снизить головную обрезь на 1,73% и увеличить химическую однородность готовой продукции по углероду и фосфору в 1,7 раза, а по сере - в 1,6 раза.

Внедрение на ЗАО ВМЗ «Красный октябрь» (г. Волгоград) теплоизоляционной смеси EXOLUPU 30-J-590/S и плит ПВК в качестве утепления прибыли слитков массой 7,0 т позволило снизить отбраковку сортового проката больших диаметров по дефектам, выявляемым УЗК, что дало экономический эффект 2210 руб./т.

Основные положения, выносимые на защиту: результаты моделирования влияния геометрических параметров и технологических факторов на развитие зоны осевой рыхлости в сортовом слитке; результаты термометрирования и сравнительный анализ теплового баланса прибыльных надставок слитков, предназначенных для производства сортового проката диаметром до 340мм; результаты исследования влияния геометрических параметров и технологических факторов слитка на качество сортового проката диаметром до 340мм.

Апробация работы осуществлялась на 2-х международных конференциях (Самара 2004г., Казань 2006г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2006, 2007 гг.).

Диссертационная работа выполнена в рамках проектов РФФИ № 07-0800511 «Изучение фундаментальных закономерностей формирования дефектов при кристаллизации сверх крупных металлических тел», Министерства образования РФ «Исследование фундаментальных процессов формирования структуры и свойств сверхкрупных металлоизделий в различных условиях кристаллизации больших масс металла» per. номер 2.1.2/283 и государственного контракта №02.525.11.5006 «Разработка технологии и комплекса универсального модульного оборудования для переработки металлосодержащих отходов с выделением товарных металлов».

Выводы

1. Впервые разработана новая геометрия слитка, позволяющая увеличить долю вертикальной составляющей процесса кристаллизации, что обеспечивает получение слитка с улучшенными характеристиками осевой зоны;

2. На основе проведённых исследований и результатов математического моделирования были установлены факторы (H/D; Кшл; Vnp; Кпр; AT; Х2), определяющие величину зоны осевой рыхлости, и определены параметры слитка, обеспечивающие её минимальное развитие;

3. Разработан слиток новой геометрии, в котором скорость продвижения горизонтального фронта кристаллизации снижена в 1,3 раза, что обеспечивает направленность продвижения фронта затвердевающего металла к тепловому центру слитка, и улучшенное питание его центральных объемов металлическим расплавом прибыли;

4. По результатам промышленных исследований установлено, что использование новой геометрии прибыльной надставки, теплоизолирующей смеси EXOLUPU 30-J-590/S и футеровочных плит ПВК увеличило тепловую работу прибыли на 24,93 %, это обеспечило эффективное восполнение усадки осевых объемов слитка, за счет металла прибыли вплоть до полного их затвердевания;

5. Применение теплоизолирующей смеси в сочетании с футеровочными плитами позволило добиться перемещения теплового центра слитка в подприбыльную область, что обеспечило снижение химической неоднородности сортового проката по углероду и фосфору в - 1,7 раза, а по сере в - 1,6 раза;

6. Внедрение на ЗАО «ВМЗ «Красный Октябрь» теплоизоляционной смеси EXOLUPU 30-J-590/S и плит ПВК в качестве утепления прибыли слитков массой 7,0 т, предназначенных для производства сортового проката диаметром

122 более 300 мм, обеспечило снижение брака готовой продукции по дефектам, выявляемым ультразвуковым контролем, что дало годовой экономический эффект в размере 2210 руб./т.

1. Korneev D.I., Fejgin O.O. Model physical mechanisms of high-energy action on a metal melt. // Coll. Scien. Works UAS. 2000. - Nol. - P. 52 - 53.

2. S. P. Manjhi; N. Ramachandran ; R. N. Nalla ; M. K. Bajpai; P. K. Tripathi Mathematical Model for Predicting Solidification and Cooling of Steel Inside Molds and in Air //Heat Transfer Engineering, Volume 18, Issue 4 1997 , pages 57-68.

3. Yu. A. Samoilovich, V. I. TimoshpoPskii, I. A. Trusova POSSIBILITY OF FORMING AN INGOT WITH A CONVEX CRYSTALLIZATION FRONT // Inzhenerno-Fizicheskii Zhurnal Vol. 74, No. 1, pp. 134-138, January-February, 2001.

4. Дюдкин Д.А., Крупман Л.И., Максименко Д.М. Усадочные раковины в стальных слитках и заготовках. М., Металлургия, 1983. 136 с.

5. П.Абрамов О.В., Добаткин В.И., Казанцев В.Ф. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов. М.: Наука. 1986. 278с.

6. Агеев Н.Д., Половко В.К. Исследование и рационализация стального слитка развесом 1200 и 4500 кг. ВНИТОМ, 1940.

7. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М., Металлургия. 1969. 160 с.

8. Амельянчик А.В., Дуб B.C., Макаров И.И. // ИФЖ. №4. - 1974. - С. 22 -26.

9. Ахназарова C.JL, Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии: Учеб. пособие для хим.-техн. спец. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1985. 327 с.

10. Багмутов В.П., Захаров И.Н. Моделирование градиентных структурных состояний в стальном слитке в ходе застывания // Известия вузов. Черная металлургия. №10. - 2003. - С.52-56.

11. Бакуменко С.П., Гуляев Б.Б., Верховцев Э.В. Снижение отходов стального слитка. М., Металлургия, 1967. 220 с.

12. Балакин Ю.А. Влияние внешних воздействий на основные параметры кристаллизации металлов. // Металлы. 2002 г. - №6.

13. Балакин Ю.А., Гладков М.И. Влияние внешних воздействий на основные параметры кристаллизации металлов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия.-2002г.-№11.

14. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливок. Чистые металлы и однофазные сплавы. М., Машностроение, 1965. 256 с.

15. БараЖ.-Б. Основные понятия математической статистики. М., Мир, 1974. 280 с.

16. Белова Л.П., Андреева В.И., Шкляев С.Э, Шлякман Б.М. Разработка и исследование термомеханических режимов деформации крупных слитков из стали 05Х18АН10. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2004 г. - №1.

17. Блантер М.Е. Методика исследования металлов и обработки опытных данных. М., Металлургиздат, 1952. 444 с.

18. Бобров Б.Ю., Карпов А.С., Изосимов А.В. Совершенствование технологии утепления прибыли. // Литейщик России. — 2004 г. №7.

19. Богородский А.П. Выплавка стали для крупных машин. Свердловск.: Средне-Уральское книжное издательство, 1969. С. 114 - 121.

20. Бровман М.Я. Исследование начальной стадии кристаллизации стали. // Сталь. 2005 г. - № 10. С. 51 - 54.

21. Бровман М.Я. О возможности уменьшения пористости при обработке металлов давлением // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия.-2001 г.-№5.

22. Вейник А.И. Теория затвердевания отливки. М.: ГНТИМСЛ, 1960. 436 с.

23. Вейник А.И. Теплообмен между слитком и изложницей. М.: Металлургиздат, 1959. 360 с.

24. Винарский М.С., Лурье М.В. Планирование эксперимента в технологических исследованиях. Киев, Техшка, 1975.

25. Власов Н.Н. Король В.В., Радя B.C. Справочник по разливке черных металлов. М., Металлургия, 1981. 240 с.

26. Вопросы теории и практики разливки стали в изложницы. Тематический сборник научных трудов. М., Металлургия, 1988. 56 с.

27. Воробьев Н.И., Токовой O.K., Мокринский А.В., Зорин А.И. Влияние содержания водорода в металле на качество крупных поковок // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия -2003г.-№3.

28. Воронин Ю.Ф., Лосев А.Г., Матохина А.В., Куликов Д.Ю. Управление процессов снижения усадочных дефектов отливок. // Литейщик России. — 2004 г.-№12.

29. Воскобойников В.Г., Еднерал Ф.П., Кудрин В.А., Якушев A.M. Общая металлургия. М., Металлургия, 1967. 424 с.

30. Гуляев Б.Б. Затвердевание и неоднородность стали. Москва, Ленинград, ГНТИЛЧЦМ, 1950. 228 с.

31. Горский В.Г., Адлер Ю.П., Талалай A.M. Планирование промышленных экспериментов (модели динамики). М., Металлургия, 1978. 112 с.

32. Гречко А.В., Нестеренко Р.Д., Кудинов Ю.А. Практика физического моделирования на металлургическом заводе. М., Металлургия, 1976. 224с.

33. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977. 648 с.

34. Гуляев Б.Б. Затвердевание и неоднородность стали. Москва, Ленинград,1. ГНТИЛЧЦМ, 1950. 228 с.

35. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. М., Мир, 1981. 520 с.

36. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Пер. с англ. Ю. П. Адлера, В.Г. Горского. М.: Статистика, 1973. 392 с.

37. Дуб B.C., Макарычева Е.В., Макаров И.И. Крупный слиток настоящее и будущее //Электрометаллургия, 1999. №5. С. 22-30.

38. Ефимов В.А., Осипов В.П., Гребенюк В.П. Пути усовершенствования разливки стали. М.: Металлургиздат, 1963. 184 с.

39. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали. М., Металлургия, 1976. 552 с.

40. Ефимов В.А. Стальной слиток. Под ред. Доброхотова Н.М. М.: ГНТИЛЧЦМ, 1961.356 с.

41. Ефимов В.А. Теоретические основы разливки стали. Изд-во АН УССР, 1961. 180 с.

42. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов. М.: Металлургия, 1995. 272с.

43. Ефимычев Ю.Е. и др. Регрессионный анализ качества сталей и сплавов. М., Металлургия, 1976. 242 с.

44. Жульев С.И. Исследование процесса затвердевания осевой зоны крупного слитка спокойной стали. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1978. 161 с.

45. Жульев С.И. Оптимизация процессов производства кузнечных слитков для поковок ответственного назначения с использованием САПР-технологий.

46. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Волгоград, 1991.372 с.

47. Жульев С.И., Зюбан Н.А. Влияние параметров изготовления крупных кузнечных слитков на формирование оптимальной структуры осевой зоны // Металлург, 2001. №12. С. 38-39.

48. Жульев С.И., Зюбан Н.А. Производство и проблемы качества кузнечного слитка: Монография / ВолгГТУ. Волгоград, 2003. - 168с.

49. Жульев С.И., Чекалин С.Н., Титов К.Е. Осевые трещины в крупном стальном слитке марки 38ХНЗМФА массой 24,2 тонны. // Вестник Уральского государственного технического университета — УПИ. Фундаментальные проблемы металлургии. 2002. - №5. - С. 12-14.

50. Иодко Э.А., Шкляр B.C. Моделирование тепловых процессов в металлургии. М.: Металлургия, 1967. 168с.

51. Исследования процессов производства сортового проката с заданными показателями качества /В. А. Трусов //Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2005. - №2 (40). - С.140-147.

52. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М, Металлургия, 1975.

53. Китаев Е.М. Затвердевание стальных слитков. М., Металлургия, 1982. 168 с.

54. Колодкин В.М., Жульев С.И., Долгов О.В., Антонов А.С. САПР технологии производства кузнечного слитка//Кристаллизация и компьютерные модели: Труды конф./Удм. ун-т, Ижевск, 1991, 156с

55. Колосов М.И., Кульбацкий А.П. Разливка стали. М., Металлургиздат, 1957.

56. Колосов М.И., Строганов М.И., Смирнов Ю.Д., Охримович Б.П. Качество слитка спокойной стали. М.: Металлургия, 1973. - 408 с.

57. Колпишон Э.Ю., Новицкий В.К., Соболев В.В., Соболев Ю.В. Изготовление двухсоттонного кузнечного слитка роторной стали // Оптимизация металлургических процессов. М.: Металлургия, 1972. - С. 50 — 52.

58. Коновалов B.C. К вопросу о механизме тепловой работе прибыли стального слитка. // Проблемы стального слитка: Труды IV конференции по слитку. М.: Металлургия, 1969. С. 437 - 441.

59. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей. Под ред. Кальнера В.Д. М.: Машиностроение. 1984. 384 с.

60. Кукса А.В. Чугунные сталеразливочные изложницы. М.: Металлургия, 1989. 278 с.

61. Кульбовский И.К., Тупатилов Е.А., Петраков О.В., Попов Е.В. Разработка системы управления качеством массивных отливок с применением компьютерного моделирования. // Литейщик России. — 2004 г. №4.

62. Кривандин В.А., Филимонов Ю.П. Теория и конструкции металлургических печей. М.: Металлургия. 1986. 479 с.

63. Крохалев А.В., Шевкун Г.П. Методы организации экспериментов в металловедении. Учебное пособие. Волгоград, изд-во ВолгПИ, 1990. 72 с.

64. Линчевский Б.В. Техника металлургического эксперимента. Учебн. пособие для ВУЗов. М., Металлургия, 1992. 240 с.

65. Литовский Е.Я., Пучкелевич Н.А. Теплофизические свойства огнеупоров. Справочное изд. М.: Металлургия, 1982. 152 с.

66. Металлургия стали. Под ред. В.И. Явойского, Ю.В. Кряковского. М., Металлургия, 1983. 584 с.

67. Металлургия стали. Под ред. В.И. Явойского, Г.Н. Ойкса. М., Металлургия, 1973. 816 с.

68. Методика математического планирования эксперимента для оптимизации состава сплавов и совершенствования металлургической технологии. РМИМ 106-72. Руководящий материал. М., 1972. 142 с.

69. Микульчик А.В. Химическая неоднородность в слитках спокойной стали. // Проблемы стального слитка: Труды V конференции по слитку. М.: Металлургия, 1974. С. 543 - 545.

70. Недопекин Ф.В., Редько Г.А., Пугачева В.В. Моделирование процессов кристаллизации в бинарных сплавах с учетом влияния конвекции. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. — 2004 г. №9.

71. Нехендзи Ю.А. Стальное литьё. М.: Металлургиздат, 1948.

72. Новик Ф.С. Математические методы планирования экспериментов в металловедении. М., Металлургия, 1972.

73. Новик Ф.С., Арсов А.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методом планирования эксперимента. М., Машиностроение, 1980. 300 с.

74. Нурадинов А.С., Ефимов В.А., Эльдарханов А.С. Влияние температурных полей в затвердевающей отливке на формирование её структуры. // Сталь. — 2002 г. №2. С. 26-28.

75. Ойкс Г.Н. Вопросы кристаллизации слитка стали. // Сталь. 1952. - №7. -С.735-741.

76. Ольховик Е.О., Десницкая JI.B. Прогнозирование структуры в слитках. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. — 2004 г. — №11.

77. Оно А. Затвердевание металлов. М., Металлургия, 1980. 152с.

78. Патент на полезную модель 84759, РФ, МПК В 22 D 7/06/ Изложница для стального слитка / Мозговой А.В., Зюбан Н.А., Руцкий Д.В., Фёдоров Д.Н., Кнохин В.Г. Опубл. 20.07.2009. Бюл. №20.

79. Пилюшенко B.JL, Смирнов А.Н., Петтик Ю.В. Эффективность вибромеханического воздействия на жидкий и затвердевающий металл. // Черная металлургия. Бюл. института «Черметинформация». М.: 1990. Вып. 1. С 18-29.

80. Писаренко И.М., Ефимов В.А., Алферов К.С., Блащук Н.М. и др. Пути повышения ыхода годного спокойной стали // Проблемы стального слитка: Труды IV конференции по слитку. М.: Металлургия, 1969. С. 423 - 425.

81. Писаренко И.М., Ефимов В.А., Марковский Е.А., Алферов К.С., и др.

82. Исследование методом радиоактивных индикаторов кинетики затвердеванияслитков с различным утеплением прибыли // Проблемы стального слитка:

83. Труды IV конференции по слитку. М.: Металлургия, 1969. С. 139 - 143.I

84. Пустыльник Е.Н. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М., Наука, 1968. 288 с.

85. Родионова Н.Н., Павлова Н.Г., Прабарщук А.В. Улучшение качества поковок из 12т слитков. // Сталь. 2002 г. - №1. С. 28-29.

86. Румшиский JI.3., Смирнов С.Н. Методы обработки результатов эксперимента. Конспект лекций для аспирантов. Москва, 1973. 162 с.

87. Рыжиков А.А., Рощин М.И., Фокин В.И. и др. Совершенствование технологии стального литья. -М.: Машиностроение, 1977. 144 с.

88. Самойлович Ю.А. Кристаллизация, слитка в электромагнитном поле. М.: Металлургия, 1986. 168с.

89. Сергеев В.И. Разработка слитка новой конфигурации для полых длинномерных изделий ответственного назначения. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. М.: 1990. 214с.

90. Скворцов А.А., Акименко А.Д., Ульянов В.А. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и заготовок. М.: Металлургия, 1991.217 с.

91. Скобло С.Я., Казачков Е.А. Разливка стали и формирование слитка.: Труды ^конференции по слитку. М.: Металлургия, 1966. С. 112 129.

92. Скобло С .Я., Казачков Е.А. Слитки для крупных поковок. М., Металлургия, 1973. 248 с.

93. Скобло С .Я; Направленность и характер затвердевания слитков различной конфигурации // Сталь №3. - 1962. - С.219 - 223.

94. Скребцов A.M., Дан Л.А., Килочкин В.Б. Формирование структуры и конуса осаждения слитка или отливки при внешнем воздействии на поверхность расплава: // Металл и литье Украины. 1994. №7-8.

95. Скребцов A.M. Конвекция и кристаллизация металлического расплава в слитках и непрерывнолитых заготовках. М., Металлургия, 1993.144 с.

96. Смирнов А.Н., Пилюшенко В. Л., Минаев А. А. Процессы непрерывной разливки. Донецк: Дон НТУ, 2002. 536с.

97. Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Момот С.В. Амитан В.Н. Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях. Донецк. 2002. 170с.

98. Смирнов Н.А. Современные методы анализа и контроля продуктов производства. М.: Металлургия, 1985. 256с.

99. Сталеплавильное производство /Справочник, Том Г/ под. ред. A.M. Самарина, М.: Металлургия 1964 с. 527

100. Тагеев В.М., Гуляев Б.Б. Затвердевание стального слитка. М.: Металлург, № 8, 1939.

101. Тарковский М.Я. Прокатка на блюминге. М.: Металлургиздат. 1963. 389 с.

102. Тимофеев Г.И. Механика сплавов при кристаллизации слитков и отливок. М.: Металлургия, 1977. 160 с.

103. Трубин К.Г., Ойкс Г.Н. Металлургия стали. Мартеновский процесс. М.: Металлургия, 1970. 621 с.

104. Филатов С.К, Хасин Г.А., Черемных Б.А. и др. Электрошлоковая подпитка слитков электростали. // Проблемы стального слитка: Труды IV конференции по слитку. М.: Металлургия, 1969. С. 418 - 423.

105. Фоменко А.П. Разработка и исследование малоприбыльного слитка с прямой конусностью стенок для производства сортового проката. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Волгоград. 2007. 138с.

106. Фоменко; А.П., Руцкий Д.В:, Шамрей В.А. Увеличение выхода годного металла на заводе «Красный октябрь» // Научные сообщения КДН: бюл. / Волгогр. клуб докторов наук. Волгоград, 2004. - №13. — С.20 — 24.

107. Хворинов Н.И. Затвердевание отливок. М.: 1955.

108. Хворинов Н.И. Кристаллизация и неоднородность стали. Пер. с чешек. Жукова А.А. М., ГНТИ машиностроительной литературы, 1958. 392 с.

109. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента. М., Мир, 1967.406 с.

110. Цацулина И.Е., Физические закономерности и способы повышения эффективности процессов направленной кристаллизации суперсплавов. // Технология машиностроения. — 2002 г. №6.

111. Швыдкий B.C., Спирин Н.А., Ладыгичев М.Г., Ярошенко Ю.Г., Гордон Я.М. Элементы теории систем и численные методы моделирования процессов тепломассопереноса. М.: Интермет Инжиниринг, 1999. 520 с.

112. Шиндовский Э., ПЬорц О. Статистические методы управления качеством. М., Мир, 1976.

113. Шкляр B.C., Дюдкин Д.А. Влияние электрического поля на кристаллизацию // Процессы литья. М. 1993. С. 52-54.

114. Шмрга Л. Затвердевание и кристаллизация стальных слитков. Пер. с чешек, под ред. Кашина В.И. М., Металлургия, 1985. 248 с.

115. Штейнберг С.С. Слиток стали. Свердловск: УралОГИЗ, 1933. 56 с.

116. Чалмерс Б. Теория затвердевания. Перев. с англ. под ред. д.т.н. Приданцева М.В. М., Металлургия, 1968. 288 с.

117. Чиченев Н.А. Автоматизация экспериментальных исследований (организация эксперимента). Под ред. П.И. Полухина: Учебное пособие для ВУЗов. М.: Металлургия, 1983. 256 с.

118. Якобше Р.Я., Носоченко О.В., Баранова В.Н. Эффективность газоимпульсного перемешивания стали в процессе формирования слитка. // Процессы литья. 1992. №3. С. 42-47.