автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Оптимизация тепловой работы кузнечных слитков для производства полых изделий с улучшенными технико-экономическими показателями

На правах рукописи

084606872

Колодкин Михаил Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ КУЗНЕЧНЫХ СЛИТКОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛЫХ ИЗДЕЛИЙ С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ

Специальность 05.16.02 «Металлургия чёрных, цветных и редких металлов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 5АПР20.0

004600872

Работа выполнена в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор

[Жульев Сергей Иванович|, доктор технических наук, профессор Дуб Владимир Семёнович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Куклев Александр Валентинович, кандидат технических наук Сафронов Александр Афанасьевич

Ведущая организация:

ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической технологии»

Защита состоится « 22 » апреля 2010 г. в 11 часов на заседанш диссертационного совета Д 217.042.01 при Открытом акционерном обществ! «Научно-производственное объединение по технологии машиностроени: (ЦНИИТМАШ)» по адресу 115088, Москва, ул.Шарикоподшипниковская, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке пр| ОАО НПО «ЦНИИТМАШ».

Автореферат разослан « 22 » марта 2010г.

Д 217.042.01., к.т.н.

Учёный секретарь диссертационного совета

Е.В.Макарычева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие машиностроительного комплекса ставит задачу повышения качества металла кованых изделий и эффективности технологии их производства. В решение проблемы повышения качества стальных слитков для производства поковок внесли крупный вклад ряд учёных: В.А.Ефимов, Б.Б.Гуляев, Н.И.Хворинов, Е.А.Казачков, С.Я.Скобло, Е.М.Китаев, В.С.Дуб, С.И.Жульев и др.

Качество кованой заготовки в значительной степени зависит от качества металла исходного кузнечного слитка, что в свою очередь определяется технологией выплавки и разливки стали, а также геометрическими параметрами слитка. Для повышения качества стали современные предприятия применяют внепечную обработку, модифицирование, разливку стали в вакууме, специальные меры воздействия на кристаллизующийся металл слитка. Разработке геометрических параметров слитков, учитывающих конечную форму кованого изделия уделяется недостаточное внимание, что снижает возможность повышения качества металла и эффективности производства поковок.

Наиболее распространённый тип кузнечного слитка, использующийся на предприятиях, производящих поковки различной конфигурации - прибыльный слиток нормальной длины (Н/0=1,6—2,5) с обратной конусностью, с утеплённой прибыльной надставкой и геометрическими параметрами, ориентированными на получение плотной осевой зоны. Выбор слитка производится из номенклатуры отливаемых на предприятии и определяется в основном массой изделия, средней величиной выхода годного и необходимой величиной укова металла.

Конструкция прибыльного слитка с параметрами, направленными на получение плотной осевой зоны не оптимальна для производства полых поковок. Это обусловлено тем, что часть металла прибыли слитка, восполняющего усадку металла в осевой зоне слитка при затвердевании, удаляется при последующей прошивке или высверливании осевой зоны заготовок. Кроме этого, прибыльная часть увеличивает массу слитка и время его затвердевания, повышая тем самым химическую неоднородность металла, что отрицательно сказывается на однородности распределения механических свойств металла изделий по длине и сечению.

Одним из наиболее оптимальных слитков для полых поковок в плане обеспечения качественных характеристик металла изделий и экономических показателей производства является слиток с захоложенной верхней частью. Для отливки подобного слитка вместо утеплённой прибыльной надставки используется массивная надставка меньшего объёма, изготовленная без футеровки (называемая надставкой-холодильником), назначение которой - обеспечить формирование в теле слитка при затвердевании относительно узкой усадочной раковины. В ходе последующей прошивки заготовки металл осевой части с усадочной раковиной удаляется. Слитки с захоложенной верхней частью характеризуются меньшей химической неоднородностью металла, по сравнению с металлом прибыльных слитков, что обеспечивает более равномерное распределение величин механических свойств металла изделий по их длине и сечению, а также более высоким выходом годного. В номенклатуре стальных заготовок, производимых предприятиями методом прессовой ковки доля заготовок, имеющих сквозные или глубокие осевые отверстия значительна и может составлять до 80%. Поэтому задача по оптимизации параметров кузнечных слитков для полых поковок, направленная на повышение химической однородности металла слитков и увеличение выхода годного является актуальной задачей в металлургическом производстве.

Цепь работы: исследование тепловой работы слитков массой от 2,07 до 17,2 тонны для выявления действенных факторов, позволяющих управлять расположением и формой усадочной раковины и кристаллической структурой с целью оптимизации технологии производства полых изделий.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- Выполнен сравнительный анализ кристаллического строения и химической неоднородности кузнечных прибыльных слитков обычной геометрии и слитков с захоложенной верхней частью;

- С помощью компьютерного моделирования затвердевания слитка исследовано влияние геометрических параметров слитка и технологических параметров разливки стали на развитие усадочной раковины в слитках с захоложенной верхней частью;

- Проведён сравнительный анализ расчётных результатов компьютерного моделирования развития усадочной раковины с экспериментальными, полученными путем исследования опытного слитка с захоложенной верхней частью;

- Разработан, опробован и внедрён в промышленное производство кузнечный слиток двенадцати развесов массой от 2,07 до 17,2 тонны с прямой конусностью с захоложенной верхней частью для производства полых изделий;

- Исследованы показатели механических свойств металла полых поковок, изготовленных из прибыльных слитков обычной геометрии и разработанных слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью.

Методы исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов оптической микроскопии и использованием компьютерных программ - определение параметров дендритной структуры металла и моделирование процесса кристаллизации слитка. Исследование химической неоднородности металла слитков производилось на фотоэлектрической установке ARL 3460 Metals Analyzer, спектральном анализаторе CS-200 и SPECTROLAB-M5.

Научная новизна:

1. С помощью компьютерного моделирования и экспериментального исследования процесса затвердевания опытно-промышленных слитков массой от 2,07 до 17,2 тонны рассмотрены факторы, определяющие размер, форму и расположение усадочной раковины и особенности кристаллического строения слитков в зависимости от геометрических и технологических параметров.

Установлено, что замена утепляющей прибыльной надставки массивной надставкой-холодильником:

- приводит к смещению теплового центра в центральную часть слитка;

- при использовании изложницы с отношением H/D = 1,6-1,8 усадочная раковина имеет высоту 32-61 % и максимальную ширину 24,5 % от тела слитка, при объёме захоложенной верхней части слитка 7-8,4 %;

- приводит к увеличению относительной ширины зоны столбчатых кристаллов на 30-85%;

- изменение обратной конусности слитка с захоложенной верхней частью на прямую при прочих равных условиях уменьшает максимальный относительный диаметр усадочной раковины в теле слитка в среднем на 3 %.

2. Выявлено распределение ликвирующих элементов в слитке массой 2,07 т с прямой конусностью с захоложенной верхней частью:

- установлено отсутствие положительной ликвации серы и фосфора в верхней части тела слитка по всему сечению;

- выявлено, что ликвация углерода, серы и фосфора металла по сечению слитка меньше ликвации углерода, серы и фосфора металла традиционного

прибыльного слитка массой 1,7 т соответственно в 3,3, в 1,2 и в 1,7 раза.

3. Установлено, что использование слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью для производства полых поковок, по сравнению с прибыльными слитками позволяет уменьшить дисперсию механических свойств металла по концам полых поковок в 1,1 - 1,4 раза, что обусловлено тем, что химическая неоднородность слитков с захоложенной верхней частью менее развита, чем прибыльных слитков.

Практическая ценность. Разработан и внедрён на ОАО «Буммаш» (г. Ижевск) слиток с прямой конусностью с захоложенной верхней частью двенадцати развесов массой от 2,07 т до 17,2 т для производства полых поковок, что позволило увеличить выход годного металла слитка в среднем на 7,2%. При этом, за счёт снижения химической неоднородности разработанного слитка достигнуто уменьшение дисперсии механических свойств металла по концам полых поковок в 1,1 -1,4 раза.

Конструкция слитка спроектирована с учётом использования существующего на предприятии парка изложниц прибыльных слитков, что позволило минимизировать затраты на изготовление литейной оснастки. Замена футерованной прибыльной надставки надставкой-холодильником обеспечило экономию теплоизоляционных материалов и снижение трудоёмкости подготовки питейной оснастки. Уменьшение массы слитков позволило повысить пропускную способность разливочного пролёта за счёт сокращения времени затвердевания слитков и снизить расход газа на нагрев слитков перед ковкой.

Экономический эффект при изготовлении опытно-промышленной партии полых поковок из слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью на ОАО «Буммаш» составил 1,867 млн.руб.

Апробация работы осуществлялась на VIII Конгрессе «Кузнец-2008» (Рязань 2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложений. Диссертация изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 46 рисунков, 20 таблиц. Список использованных источников включает 120 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко раскрыты сущность и актуальность рассматриваемых научно-технических проблем. Изложены: структура работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе приведены сведения об основные типах кузнечных слитков, применяемых для производства поковок. Описано влияние геометрии и технологических параметров отливки слитков на степень развития дефектов. Рассмотрены дефекты и процессы формирования физической, структурной и химической неоднородности металла слитка.

Для производства поковок применяются следующие основные типы кузнечных слитков: прибыльные, малоприбыльные и бесприбыльные. При этом по геометрическому параметру НЮ, величина которого определяется как отношение высоты тела слитка к его среднему диаметру, слитки можно классифицировать на укороченные (НЮ = 0,8-1,5), нормальной длины (НЮ = 1,6-2,5) и удлинённые (НЮ > 2,5). Конусность слитка ктс считается прямой, если тело слитка уширено к низу, конусность обратная, если тело слитка уширено к верху. Величина конусности ктс (на обе стороны) определяется отношением разницы линейных размеров верхнего и нижнего диаметров тела слитка к его высоте, выраженным в процентах.

Кристаллизация стального слитка всегда сопряжена с формированием физической и химической неоднородности металла. Основными факторами, влияющими на степень их развития, являются химический состав, определяющий интервал затвердевания стали, геометрические параметры слитка, технология утепления прибыльной части слитка, температура и скорость разливки стали. Различают два типа химической неоднородности: дендритную и зональную. К дендритной относят: неоднородности в пределах дендрита (внутридендритная) и между соседними дендритами (междендритная). Зональная неоднородность - это скопление примесей углерода, серы, фосфора и других легирующих элементов в определенных зонах слитка. К ней относят области отрицательной, положительной и внецентренной ликвации. Химическая неоднородность слитков может наследоваться поковками, что снижает уровень и стабильность распределения механических свойств металла. К дефектам стального слитка, обусловленным явлением усадки, относятся усадочная раковина и осевые трещины. Последние подразделяются на вертикальные, V-образные и дугообразные.

Одной из существенных проблем для предприятий является тот факт, что из слитков производятся сплошные и полые поковки. Прибыльные кузнечные слитки укороченные и нормальной длины имеют геометрические параметры, направленные на получение плотной макроструктуры металла, что экономически не эффективно для производства полых поковок вследствие повышенной кузнечной обрези. Кроме этого, мероприятия направленные на уменьшение усадочных дефектов (например снижение H/D) способствуют развитию ликвационной неоднородности.

Прибыльные удлинённые слитки, по сравнению с прибыльными укороченными и нормальной длины по своим технико-экономическим показателям более эффективны для производства полых поковок вследствие меньшего объёма прибыльной части и менее развитой химической неоднородности. Но при этом, удлинённые кузнечные слитки имеют развитую осевую рыхлость и не применяются для производства сплошных поковок ответственного назначения.

Применение малоприбыльных и бесприбыльных слитков не позволяет существенно повысить выход годного металла и уменьшить ликвационную неоднородность по сравнению с прибыльными слитками.

Проблема выбора литейной оснастки для отливки оптимального с точки зрения качества и экономики слитка тем острее, чем больший диапазон развесов слитков производится на предприятии. Решать эту проблему только с помощью изготовления специализированных парков изложниц для слитков, из которых изготавливаются сплошные или полые поковки не вполне эффективно. Вышеперечисленные проблемы явились одной из предпосылок для разработки новых конструкций слитков для полых поковок - слитки с захоложенной верхней частью и двухконусные удлинённые слитки.

На рисунке 1 показано продольное осевое сечение собранной литейной оснастки и слитков различных типов.

Слиток с захоложенной верхней частью (рис.1, д) является одним из наиболее оптимальных слитков для производства полых поковок в плане обеспечения качественных характеристик металла изделий и экономических показателей производства. Затвердевание металла слитка с захоложенной верхней частью происходит быстрее, чем затвердевание прибыльного слитка вследствие замены утепляющей надставки надставкой-холодильником, что снижает химическую неоднородность металла. Объём захоложенной верхней части меньше объёма прибыльной части, удаляемых при ковке в отход, что позволяет увеличить выход годного металла слитка. Положительной чертой технологии является возможность использовать один парк изложниц для отливки

слитков с сосредоточенной вдоль оси усадочной раковиной для производства полых поковок, так и слитков для сплошных поковок при использовании утеплённой прибыльной надставки.

а б в г д

а - прибыльный слиток; б - малоприбыльный слиток; в - бесприбыльный слиток; г - удлинённый двухконусный слиток; д - слиток с захоложенной верхней частью.

Рисунок 1. Продольное осевое сечение собранной литейной оснастки и слитков различных типов.

Во второй главе приведены сведения о материале исследований - слитке с захоложенной верхней частью и двух прибыльных слитков. Рассмотрена методика исследования химической и структурной неоднородности металла слитков. Описан программный комплекс Crystal, с помощью которого проектировался слиток с захоложенной верхней частью с заданными параметрами усадочной раковины. Изложены материалы по методике исследования влияния геометрических и технологических параметров на размеры усадочной раковины в слитках с захоложенной верхней частью. Приведена методика исследования металла поковок, откованных из прибыльных слитков и слитков с захоложенной верхней частью, на основании которой была выполнена сравнительная оценка равномерности распределения механических свойств по концам поковок.

В третьей и четвёртой главах приведены результаты исследования макроструктуры и химической неоднородности металла прибыльного слитка нормальной длины и слитка с захоложенной верхней частью.

Исследование кристаллического строения прибыльного слитка производилось на слитке массой 4,5 т стали 35. Химическую неоднородность металла прибыльного слитка оценивали с помощью проб, отобранных от слитка массой 1,7 т стали 38ХНЭМФА.

Исследование кристаллического строения и химической неоднородности металла слитка с захоложенной верхней частью производилось на слитке с прямой конусностью массой 2,07 т стали 5ХНМФ, отлитого в изложницу с надставкой-холодильником.

Химический состав металла прибыльных слитков и с захоложенной верхней частью приведён в таблице 1. Геометрические параметры слитков и технологические параметры их отливки приведены в таблице 2.

Таблица 1. Химический состав ковшевых проб опытных слитков

Тип слитка Масса слитка, т С, % Мп, % я, % Б, % Р, % Сг, % N1, % Мо, % V, %

Прибыльный 1,7 0,37 0,36 0,30 0,016 0,011 1,41 3,17 0,42 0,13

Прибыльный 4,5 0,41 0,52 0,39 0,015 0,017 0,11 0,15 - -

С захоложенной верхней частью * 2,07 0,53 0,73 0,35 0,005 0,019 1,06 1,52 0,48 0,09

'слиток с прямой конусностью

Таблица 2. Геометрические и технологические параметры слитков

Тип слитка Шел, т НЮ кТс* % % Тразл! °с Ттела, мин Тпр| мин

Прибыльный 1,7 1,99 1,5 18,3 1570 1,65 1,25

Прибыльный 4,5 2,16 1,5 16,7 1570 2,70 1,30

С захоложенной верхней частью 2,07 1,8 10 8,4 1562 2,17 0,43

'значения конусности на обе стороны

Исследование прибыльного слитка массой 4,5 т выявило структурную неоднородность, типичную для прибыльных слитков спокойной стали, выражающуюся в наличие корковой зоны, зоны столбчатых кристаллов, зоны крупных различно ориентированных кристаллов, конуса осаждения, зоны осевой рыхлости и усадочной раковины, рис.2. Результаты исследования ликвационной неоднородности по углероду, сере и фосфору прибыльного слитка массой 1,7 т показали, что в нижней части слитка наблюдается зона отрицательная ликвации, степень ликвации элементов в которой составила (-8,1% [С], -6,3% [Б], -9,1%[Р]). При переходе к верхним горизонтам слитка степень химической неоднородности принимает положительный характер. В подприбыльной области степень ликвации элементов составила (+10,8%[С], +18,8%[3], +18%[Р]), рис.3.

В структуре слитка массой 2,07 т с захоложенной верхней частью (рис.4) обращает на себя внимание широко развитая зона столбчатых кристаллов, по сравнению с прибыльным слитком, средняя относительная ширина которой составляет 44%, при 16 % у прибыльного слитка массой 4,5 т. Наличие широко развитой зоны столбчатых кристаллов свидетельствует о том, что в слитке с захоложенной верхней частью доля металла, затвердевающего в условиях интенсивного теплоотвода, что способствует снижению протекания ликвационных процессов больше, чем в прибыльном слитке нормальной геометрии.

1 - корковая зона; 2 - зона столбчатых кристаллов; 3 - зона конуса осаждения; 4 - зона различно ориентированных дендритов; 5 - зона осевой рыхлости; 6 - усадочная раковина.

Рисунок 2. Структурные зоны прибыльного слитка массой 4,5 т

Рисунок 3. Распределение химических элементов по сечению прибыльного слитка стали 38ХНЗМФА массой 1,7 т

Ширина, мм

1 - корковая зона; 2 - зона столбчатых кристаллов;3 - зона различно ориентированных дендритов; 4 - конус осаждения; 5 - зона осевой рыхлости; 6 - усадочная раковина.

Рисунок 4. Структурные зоны слитка стали 5ХНМФ массой 2,07 т с прямой конусностью с захоложенной верхней частью

5ХНМФ массой 2,07 т с прямой конусностью с захоложенной верхней часть

Таблица 3. Степени ликвации элементов металла слитков

Параметр Прибыльный слиток массой 1,7т Слиток с захоложенной верхней частью массой 2,07 т

Положительная ликвация (%): - углерода - серы - фосфора +10,8 +18,8 +18,0 +1,9 0 0

Отрицательная ликвация (%): - углерода - серы - фосфора -8,1 -6,3 -9,1 -3,8 -20 -15,8

Суммарная ликвация (%): - углерода - серы - фосфора 18,9 25,1 27,1 5,7 20 15,8

Результаты расчёта степени ликвационной неоднородности по углероду, сере и фосфору слитка с захоложенной верхней частью массой 2,07 т выявили, рис.5: в нижней части слитка наблюдается зона отрицательной ликвации, степень ликвации в которой составила (- 3,8 % [С], - 20 %[S], -15,8 %[Р]). На верхнем горизонте слитка степень ликвации составила (+1,9%[С], 0%[S], 0%[Р]).

Суммарная ликвация углерода, серы и фосфора металла слитка с захоложенной верхней частью массой 2,07 т меньше суммарной ликвации углерода, серы и фосфора металла прибыльного слитка массой 1,7 т соответственно в 3,3, в 1,2 и в 1,7 раза, таблица 3. Эти факты позволяют говорить о том, что слитки с захоложенной верхней частью химически более однородны, чем прибыльные слитки нормальной геометрии.

В пятой главе рассмотрены результаты исследования влияния

геометрических и технологических параметров на развитие усадочной раковины в слитках с захоложенной верхней частью, что было учтено при проектировании промышленных слитков. Приведены параметры, которые задавались при разработке слитков с захоложенной верхней частью, показаны результаты проектирования промышленных слитков в соответствии с поставленными целями. Выполнено сравнение расчётных и экспериментальных параметров усадочной раковины, полученных с помощью компьютерного моделирования затвердевания металла слитка и исследования опытного слитка с захоложенной верхней частью. Показаны результаты отливки промышленной партии разработанных слитков и исследования качества металла поковок, изготовленных из разработанных слитков.

Исследовалось влияние на размер усадочной раковины относительного объёма захоложенной верхней части Vnp, конусности изложницы на обе стороны Кизл, параметра H/D тела слитка, соотношения диаметров надставки и изложницы в месте их сочленения d/D, величины перегрева расплава над температурой ликвидус ДТ, отношения массы металла головной части слитка к массе надставки-холодильника m/M; массы слитка Мсл; прямой и обратной конусности изложницы.

28 26 <24 22 20

\

N \

\ \

N

9

10

27

g;2$ О

24 23

\

\ \

\ V

1

3 4 6 _ 6 Ю 14 18 Vnp,o/o H/D Масса слитка, m

a б в

■ - слиток с обратной конусностью; • - слиток с прямой конусностью Рисунок 6. Влияние геометрических и технологических параметров на развитие усадочной раковины в слитках с захоложенной верхней частью

Установлено, что наибольшее влияние на относительный диаметр усадочной раковины в теле слитка оказывают величина объёма захоложенной верхней части Vnp и параметр H/D, рис.6 (а,б).

Эффективным способом воздействия на диаметр усадочной раковины в теле слитка является замена обратной конусности стенок изложницы на прямую путём установки изложницы большим сечением в низ (рис.6,в). Компьютерным моделированием затвердевания металла слитков установлено, что при отливке слитков с обратной и прямой конусностью одинаковой массы, в литейную оснастку с равными геометрическими параметрами, диаметр усадочной раковины в слитках уширенных к низу (с прямой конусностью) меньше, чем в слитках уширенных к верху (с обратной конусностью). Средняя величина максимального относительного диаметра усадочной раковины Dyp% в слитках с прямой конусностью составила 23 %, в слитках с обратной конусностью той же массы -26 %. Этот технологический приём, позволяющий получить в слитке более узкую усадочную раковину, при одинаковых параметрах питейной оснастки, был использован при разработке промышленных слитков с захоложенной верхней частью.

1

I

ч

I3

ш

шш

Рисунок 7. Схема сборки оснастки и результаты моделирования расположения усадочной раковины в слитках с захоложенной верхней частью с обратной (а) и прямой (б) конусностью

Слитки с захоложенной верхней частью были спроектированы для существующего на предприятии парка изложниц с целью минимизации дорогостоящей литейной оснастки. Изложницы имеют параметр H/D = 1,6 - 1,8, конусность на обе стороны = 10 %, всего парк изложниц включает двенадцать типоразмеров и предназначен для отливки слитков массой от 2,2 до 19,0 тонн верховым способом.

Параметры надставки-холодильника должны обеспечить формирование в теле слитка усадочной раковины с диаметром, при котором металл осевой зоны с усадочными дефектами будет гарантировано удалён в отходы при последующей прошивке заготовок в процессе ковки или высверления. Показано, что максимально допустимый диаметр усадочной раковины в теле слитка может рассчитываться из следующего выражения:

п _ Dotb

УР Т~ (1)

где Dyp - максимальный относительный диаметр усадочной раковины в теле слитка, %; Dotb - относительный диаметр отверстия в поковке, %; к - коэффициент запаса.

Коэффициент запаса к показывает, во сколько раз относительный диаметр дефектной осевой зоны поковки должен быть меньше, чем осевой канал в готовом изделии для предотвращения возможного смещение следов дефектной зоны в процессе ковки от геометрической оси изделия.

Зависимость (1) позволяет рассчитать максимальнодопустимый относительный диаметр усадочной раковины в теле слитка (Dyp) с захоложенной верхней частью, при котором металл с усадочной раковиной будет удалён в отход, зная максимальный относительный диаметр осевого отверстия (D0tb) в заготовках, которые производятся из данного слитка. Анализом выпускаемой на предприятии номенклатуры полых поковок и используя зависимость (1), была установлена величина максимально допустимого относительного диаметра усадочной раковины в слитках с захоложенной верхней частью - 25 %. Для двенадцати типоразмеров изложниц было спроектировано шесть надставок-холодильников, одна надставка на два ближних развеса слитка.

Результаты компьютерного моделирования затвердевания слитков с обратной и прямой конусностью показали, что наиболее оптимальным вариантом является технология отливки слитков, уширенных к низу, средний относительный диаметр усадочной раковины которых составил 23%, максимальный относительный диаметр усадочной раковины составил 24,2 %. В слитках, уширенными к верху, средний относительный диаметр усадочной раковины составил 25%, максимальный относительный диаметр усадочной раковины составил 26,8 %.

Объём захоложенной части слитка, необходимый для формирования усадочной раковины с максимальным относительным диаметром не более 25 % составил 7,0 - 8,4 %. Экономия металла за счёт уменьшения объёма головной части слитка, по сравнению с прибыльными слитками, отливаемыми в те же изложницы, составила от 5,9 до 13,4 %. Массы прибыльных слитков и спроектированных слитков с захоложенной верхней частью, отливаемых в одинаковые изложницы, а так же их параметры представлены в таблице 4.

Таблица 4. Параметры спроектированных уширенных к низу слитков с захоложенной верхней частью__

Масса прибыльного слитка ,т Масса слитка с захоложенной верхней частью, т НЮ к*, % Масса захоложенной верхней части, % Максимальный диаметр усадочной раковины в теле слитка 0¥р. *'%

2,2 2,07 1,82 10 8,4 22,9

3,3 3,0 1,82 10 7,0 22,6

4,5 4,1 1,69 10 7,5 23,7

5,5 5,1 1,69 10 7,2 21,7

6,5 6,0 1,65 11 7,9 22,1

8,6 7,8 1,60 9 7,0 22,8

10,5 9,6 1,61 10 7,6 23,8

11,8 10,8 1,62 10 7,6 21,8

13,2 12,0 1,62 10 7,8 23,2

14,7 13,5 1,62 10 7,8 22,9

16,8 15,3 1,62 10 7,4 24,2

19,0 17,2 1,58 10 7,4 22,3

* - конусность тепа слитка на обе стороны; ** - максимальный диаметр усадочной раковины приведён для слитка с захоложенной верхней частью.

С целью выявления влияния замены утеплённой прибыльной надставки надставкой-холодильником на кристаллизации металла слитков, с помощью компьютерного моделирования было определено время полного затвердевания прибыльных слитков и спроектированных слитков с захоложенной верхней частью, отливаемых в одинаковые изложницы. Результаты расчёта свидетельствуют о том, что спроектированные слитки с захоложенной верхней частью затвердевают на 14 - 35 % быстрее, чем прибыльные слитки, что объясняется, во-первых, уменьшением массы слитков, и во-вторых, ускоренным затвердеванием металла в надставке-холодильнике, по сравнению с металлом в футерованной прибыльной надставке.

На рисунке 8 показан ход кристаллизации металла прибыльного слитка массой 2,2 т и слитка с прямой конусностью с захоложенной верхней частью массой 2,07 т, отлитых в одинаковые изложницы. В слитке с футерованной надставкой последние затвердевающие объёмы металла и тепловой центр находятся в прибыльной части слитка. В слитке с захоложенной верхней частью последние затвердевающие объёмы металла и тепловой центр находятся в центральной части тела слитка, что было подтверждено термометрированием наружной поверхности литейной оснастки при затвердевании слитка, рис.9. Максимальной температуры изложница достигает в точке 2, это означает, что тепловой центр слитка находится на одном горизонте с рассматриваемой точкой.

Ускоренное затвердевание слитков с захоложенной верхней частью, а также изменение расположения теплового центра способствуют снижению химической неоднородности металла по высоте слитков. Наибольшая ликвация углерода в металле слитка массой 2,07 т с захоложенной верхней частью выявлена в осевой центральной зоне тела слитка, в которой затвердевают последние объёмы жидкого металла и которая удаляется при прошивке заготовок, рис.10.

25 мину? 70 млн 90 мин

Ж - жидкая фаза; Т - твёрдая фаза. Рисунок 8. Продвижение фронта кристаллизации в прибыльном слитке (слева) и в слитке с захоложенной верхней частью (справа)

температуре, грйуш

Рисунок 9. Изменение температуры поверхности изложницы при затвердевании слитка с захоложенной верхней частью массой 2,07 т

Рисунок 10. Распределение углерода по высоте и сечению слитка с захоложенной верхней частью массой 2,07 т

С целью проверки достоверности результатов компьютерного моделирования развития усадочной раковины, из опытного слитка стали 5ХНМФ с прямой конусностью с захоложенной верхней частью массой 2,07 т (рис 11) была вырезана осевая плита. Сталь слитка была выплавлена в 25-тонной электродуговой печи ДСП-25 с внепечной обработкой и вакуумиоованием на установке печь-ковш по технологии с окислением углерода, осадочным раскислением и рафинированием под высокоосновным шлаком. Глубокое раскисление стали производилось алюминием. Сравнительные фактические и расчетные размеры усадочной раковины в опытном слитке представлены в таблице 5 и на рис.12.

Рисунок 11. Опытный слиток стали 5ХНМФ с прямой конусностью с захоложенной верхней частью массой 2,07 т

Р 600

О 300 600

Ширина, мм

а

Рисунок 12. Расположение усадочной определённое по осевой плите (а) и слитка (6)

б

раковины в опытном слитке, моделированием затвердевания

Таблица 5. Размеры усадочной раковины в опытном слитке с захоложенной верхней частью массой 2,07 т__

Параметр Расчётная величина Фактическая величина

Максимальный диаметр усадочной раковины в теле слитка DV.P.. мм (%) 126 (22,9) 135 (24,5)

Протяжённость усадочной раковины в теле слитка Ну р., мм (%) 611 (61,6) 604 (61)

После заливки металла, теплоизоляция верхней поверхности головной захоложенной части слитка не производилась, чтобы образовавшийся мост металла предохранял стенки усадочной раковины от окисления в процессе нагрева слитка для ковки. Сравнение размеров усадочной раковины в опытном слитке, определённых экспериментом и моделированием затвердевания, показало близкое соответствие результатов, что послужило основанием для изготовления спроектированных надставок-холодильников для всего парка изложниц и внедрения слитка с прямой конусностью с захоложенной верхней частью для изготовления полых изделий в промышленное производство.

Для апробирования разработанных слитков для производства полых заготовок в условиях массового промышленного производства, на предприятии ОАО «Буммаш» было отлито 110 слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью массой от 2,07 до 12,06 тонн. Из отлитых слитков с захоложенной верхней частью были откованы полые поковки - кольца, диски с

отверстием, цилиндры, трубы. В таблице 6 представлены показатели производства полых поковок из слитков с захоложенной верхней частью, а также показатели производства тех же полых поковок в случае, если бы поковки изготавливались из прибыльных слитков, отлитых в аналогичные изложницы.

Таблица 6. Показатели производства полых поковок из слитков

с захоложенной верхней частью и прибыльных слитков

Масса откованных полых поковок, т Масса слитков с захоложенной верхней частью, т Масса прибыльных слитков, т Выход годного металла, %

слиток с захоложенной верхней частью прибыльный слиток

564 788 876 71,6 64,4

Применение слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью вместо прибыльных слитков для изготовления полых поковок дало повышение выхода годного металла слитка в среднем на 7,2 %. Замена утеплённой прибыльной надставки надставкой-холодильником обеспечило экономию теплоизоляционных материалов и снизило трудоёмкость подготовки литейной оснастки. Уменьшение массы слитков позволило повысить пропускную способность разливочного пролёта за счёт сокращения времени затвердевания слитков и снизить расход газа на нагрев слитков перед ковкой.

Для сопоставления уровня и характера изменения механических свойств металла полых поковок, изготовленных из слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью и прибыльных слитков, было отлито двенадцать слитков: шесть слитков массой 5,1 т каждый отлито с использованием надставки-холодильника и шесть слитков массой 5,5 т каждый - с утепляющей прибыльной надставкой. Слитки разных типов отливались в одинаковые изложницы, из металла одной плавки стали 09Г2С, ГОСТ 19281-89. Выплавка стали 09Г2С производилась по типовой технологии предприятия в электродуговой печи ДСП-25 с внепечной обработкой на установке печь-ковш. Из каждого слитка было отковано по одной поковке одинакового размера типа «труба», номинальной массой 3,67 т каждая. Металл поковок был подвергнут термообработке - нормализации с отпуском для получения величин механических свойств на уровне КП245, ГОСТ 8479-70. Эскиз поковки представлен на рис.13. Кольца для отбора образцов металла на испытания механических свойств вырезались от каждого конца поковки, что соответствует головной и донной частям слитка.

'///////////// СЧ В 1 " +1 ш

У////////////у

2020.126

Рисунок 13. Эскиз поковок, изготовленных из слитков с захоложенной верхней частью и прибыльных слитков

Для сопоставления уровня механических свойств, сравнивались усреднённые значения механических свойств металла поковок, изготовленных из слитков с захоложенной верхней частью и прибыльных слитков. Равномерность распределения механических свойств металла по концам поковок оценивалась по коэффициенту равномерности \Л/:

Мтах-Мтт . ш% Мер

где \Л/ - коэффициент равномерности механических свойств, %;

Мтах - максимальное значение данной механической характеристики; Мгтпп - минимальное значение данной механической характеристики; Мср - среднее значение данной механической характеристики.

Таблица 7. Механические свойства поковок, изготовленных из слитков с захоложенной верхней частью и прибыльных слитков_

Тип слитка Параметр сравнения Механические свойства

О02. МПа Об, МПа б, % Ф, % кси+2°, Дж/см2 НВ

С захоложенной верхней частью Среднее значение 292 494 31 62 128 158

Разница между минимальным и максимальным значением 41 42 7 17 71 16

Коэффициент равномерности \Л/, % 14 8,5 22,6 27,4 55,5 10,1

Прибыльный Среднее значение 297 500 29 59 126 164

Разница между минимальным и максимальным значением 57 55 8,4 20 78 23

Коэффициент равномерности \Л/,% 19,2 11 29 33,9 61,9 14

Изменение дисперсии механических свойств, раз 1,4 1,3 1,3 1,24 1,1 1,4

Анализ представленных в таблице 7 данных показал, что прочностные и пластические свойства, а также величина ударной вязкости металла полых поковок практически находятся на одном уровне, применительно для условий промышленного производства и удовлетворяют требованиям ГОСТа. При этом,

металл полых поковок прибыльных слитков обладает несколько большим значением прочностных свойств, но меньшим значением пластических свойств, что объясняется большей ликвацией углерода по высоте и сечению прибыльных слитков, по сравнению со слитками с захоложенной верхней частью.

Значение коэффициента равномерности распределения механических свойств металла по концам поковок, откованных из слитков с захоложенной верхней частью в 1,1 - 1,4 раза меньше, чем поковок, откованных из прибыльных слитков. Это обусловлено более равномерным распределением ликвирующих элементов по высоте слитков с захоложенной верхней частью.

Загрязнённость металла поковок, изготовленных из прибыльных слитков и слитков с захоложенной верхней частью, в обоих случаях не превышает 2 балла, по ГОСТ 1778-70.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведённых исследований тепловой работы кузнечных слитков установлен ряд действенных факторов, с помощью которых можно управлять расположением и формой усадочной раковины и кристаллическим строением слитка. К таким факторам относятся:

- замена утепляющей прибыльной надставки массивной надставкой-холодильником, которая захолаживает верхнюю часть слитка, что позволяет формировать сосредоточенную вдоль оси слитка усадочную раковину, а также увеличить относительную ширину зоны столбчатых кристаллов на 30-85% , по сравнению с прибыльными слитками;

- изменение обратной конусности слитка на прямую путём установки изложницы на поддон большим сечением в низ, в результате чего, при прочих равных условиях уменьшается максимальный относительный диаметр усадочной раковины в теле слитка с захоложенной верхней частью в среднем на 3 %.

2. Исследование опытно-промышленных слитков массой от 2,07 до 17,2 тонны позволило установить ряд преимуществ и особенностей затвердевания слитка с захоложенной верхней частью по сравнению с прибыльным слитком нормальной геометрии:

- металл слитка с захоложенной верхней частью химически более однороден, что обусловлено его ускоренным затвердеванием в результате замены прибыльной надставки надставкой-холодильником. В слитке с захоложенной верхней частью массой 2,07 т установлено отсутствие положительной ликвации серы и фосфора в верхней части тела слитка по всему сечению. Суммарная ликвация углерода, серы и фосфора меньше аналогичной ликвации элементов в прибыльном слитке массой 1,7 т соответственно в 3,3, 1,2 и 1,7 раза.

- в слитке с захоложенной верхней частью последние затвердевающие объёмы металла и тепловой центр находятся в центральной части тела слитка, что обуславливает наибольшую ликвацию углерода в осевой центральной зоне тела слитка, которая удаляется при прошивке заготовок;

- объём верхней захоложенной части слитка, необходимый для формирования вытянутой вдоль оси усадочной раковины, меньше объёма прибыльной части слитков, что позволяет при производстве полых поковок повысить выход годного.

3. Разработаны и внедрены кузнечные слитки с прямой конусностью с захоложенной верхней частью двенадцати развесов массой от 2,07 до 17,2 тонны для изготовления полых изделий.

4. При изготовлении полых поковок из спроектированных слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью достигнуто уменьшение дисперсии

механических свойств металла по концам полых поковок в 1,1 - 1,4 раза, по сравнению с металлом аналогичных поковок, откованных из прибыльных слитков.

5. Внедрение на ОАО «Буммаш» слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью для производства полых поковок позволило повысить выход годного металла в среднем на 7,2 % за счёт снижения головной обрези. Экономический эффект на опытно-промышленной партии составил 1,867 млн.руб.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

1. Выбор рациональной схемы отливки кузнечного слитка для производства полых поковок / М.В.Колодкин., С.И.Жульев., В.С.Дуб., А.Н.Ромашкин.,

A.Н.Мальгинов // Электрометаллургия.-2009.-№8. -С.26-29.

2. Проектирование кузнечных слитков для определённых типов поковок на ОАО «Буммаш» / М.В.Колодкин // «состояние, проблемы и перспективы развития обработки материалов давлением»: Сб.докладов и материалов VIII Конгресса «Кузнец-2008»., Рязань, 13-16 мая 2008г./ОАО «Тяжпрессмаш». - Рязань, 2008.-С.274-277.

3. Оптимизация производства поковок за счёт разработки геометрии бесприбыльных кузнечных слитков / М.В.Колодкин., Д.В.Руцкий., |С.И.Жульёв| // Изв.ВолгГТУ.Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып.2: межвуз.сб.науч.ст./ ответ. Ред.Трыков Ю.П.; ВолгГТУ. -2008. -№10(48). -С.162-164.

4. Слиток для полых поковок / М.В.Колодкин., О.А.Комолова., А.Н.Мальгинов // Вестник Донецкого Национального Университета. Сер.А-Естественные науки. Часть 1./ ДонНУ. -2009. -№1. -С.263-265.

5. Проектирование кузнечных слитков на ОАО «Буммаш» / С.И.Жульев., М.В.Колодкин // Вестник Удмуртского Университета. Вып 1. Физика. Химия / УдГУ. -2008. -С. 101-106.

6. Проектирование технологии производства кузнечного слитка /

B.М.Колодкин., В.С.Княжин., М.В.Колодкин II Вестник Удмуртского Университета. Вып 1. Физика.Химия / УдГУ. -2008. -С.120-128.

7. Разработка специальной технологии производства кованых труб как фактор повышения уровня экологической безопасности / М.В.Колодкин // Безопасность критичных инфраструктур и территорий : материалы III Всероссийской научно-технической конференции, Екатеринбург, 9-14 ноября 2009г. -С.218-219.

8.Экологическая составляющая современных металлургических технологий на примере ОАО «Буммаш» / М.В.Колодкин // Экологическая безопасность : Сб.статей / Ижевск: Издательский дом «Удмуртский Университет». -2004. -С.201-202.

9. Экономический аспект безопасности в техносфере на примере производства поковок / М.В.Колодкин // Безопасность в техносфере : материалы Всероссийской конференции, выпуск 4, Ижевск, 2008 / Институт исследования природных и техногенных катастроф УдГУ. -Ижевск. -2008. -С. 150-158.

10. Экологически целесообразная технология производства кованых труб/ М.В.Колодкин II Безопасность в техносфере, выпуск 5 : Сб.статей / Ижевск: Издательский дом «Удмуртский Университет». -2009. -С. 192-197.

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

В работах [1,6] автором, на основе результатов исследования физической и химической неоднородности стальных слитков спокойной стали различной геометрии, предложена оптимальная геометрия слитка для производства полых поковок. В статьях [3,4] представлены результаты, полученные автором с помощью компьютерного моделирования затвердевания слитка, определяющие закономерности формирования усадочной раковины в теле слитка с захоложенной верхней частью.

В работах [2,5,7,8,9,10] автором приводятся результаты проектирования геометрических параметров слитков и технологии отливки, позволившие повысить выход годного металла слитка и качество металла поковок.

Подписанов в печать 10.03.2010 г. Заказ № 54. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная.Печать офсетная.

Типография ОАО «Буммаш». 426050, г.Ижевск, ул.Боткинское Шоссе, 170

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КУЗНЕЧНЫХ СЛИТКОВ, ЗАТВЕРДЕВАНИЕ СЛИТКА И ЕГО ДЕФЕКТЫ.

1.1 Основные типы слитков для производства поковок.

1.2 Влияние геометрии и технологических параметров отливки слитков на степень развития дефектов.

1.3 Затвердевание стального слитка.

1.3.1 Затвердевание металла с зоной двухфазного состояния.

1.3.2 Теория объёмной кристаллизации.

1.3.3 Теория последовательной кристаллизации.

1.3.4 Теория объёмно-последовательной кристаллизации.

1.3.5 Теория квазиравновесной двухфазной зоны и ее применение к решению задачи затвердевания стального слитка.

1.4 Строение слитка.

1.5 Химическая неоднородность металла слитка.

1.6 Дефекты усадочного происхождения.

Развитие машиностроительного комплекса обуславливает необходимость повышения качества металла поковок и эффективности технологии его производства.

Качество и уровень механических свойств металла кованой заготовки в значительной степени зависят от качества металла исходного кузнечного слитка, что в свою очередь определяется технологией выплавки и разливки стали, а также геометрическими параметрами слитка.

Для повышения качества стали современные предприятия применяют внепечную обработку и вакуумирование, модифицирование стали, разливку стали в вакууме, специальные меры воздействия на кристаллизующийся металл слитка.

Разработке геометрических параметров слитка, учитывающих конечную конфигурацию кованого изделия, уделяется недостаточное внимание, что ограничивает возможности снижения неоднородности металла слитка и повышения эффективности производства поковок за счёт уменьшения величины кузнечной обрези.

Наиболее распространённый тип кузнечного слитка, использующийся на предприятиях, производящих поковки различной конфигурации - прибыльный слиток нормальной длины (H/D = 1,6-2,5) с обратной конусностью, с утепляющей прибыльной надставкой и геометрическими параметрами, ориентированными на получение плотной осевой зоны. Выбор слитка производится из номенклатуры отливаемых на предприятии и определяется в основном массой изделия, средней величиной выхода годного металла слитка и необходимой величиной укова металла.

Производство полых поковок из прибыльных слитков с плотной осевой зоной ограничивает эффективность производства полых изделий, так как металл осевой зоны заготовок удаляется при прошивке или сверлении. Кроме того, увеличение массы слитка повышает химическую неоднородность металла, что отрицательно сказывается на однородности распределения механических свойств металла изделий по длине и сечению.

Повысить качество металла полых поковок и эффективность их производства за счёт снижения величины кузнечной обрези возможно путём изменения параметров исходного слитка.

Одним из наиболее оптимальных слитков для полых поковок в плане обеспечения качественных характеристик металла изделий и экономических показателей производства является слиток с захоложенной верхней частью. Для отливки подобного слитка вместо утеплённой прибыльной надставки используется массивная надставка меньшего объёма, изготовленная без футеровки (называемая надставкой-холодильником), назначение которой — обеспечить формирование в теле слитка при затвердевании относительно узкой усадочной раковины. В ходе последующей прошивки или сверления заготовки металл осевой части с усадочной раковиной удаляется. Слитки с захоложенной верхней частью характеризуются повышенной химической однородностью металла, по сравнению с металлом прибыльных слитков, что обеспечивает более равномерное распределение величин механических свойств металла изделий по их длине и сечению, а также более высоким выходом годного.

В номенклатуре стальных заготовок, производимых предприятиями методом прессовой ковки доля заготовок, имеющих сквозные или глубокие осевые отверстия значительна и может составлять до 80%. Поэтому задача по оптимизации параметров кузнечных слитков для полых поковок, направленная на повышение химической однородности металла слитков и увеличение выхода годного является актуальной задачей в металлургическом производстве.

Цель настоящей работы состояла в исследовании тепловой работы слитков массой от 2,07 до 17,2 тонны для выявления действенных факторов, позволяющих управлять расположением и формой усадочной раковины и кристаллической структурой с целью оптимизации технологии производства полых изделий.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- Выполнен сравнительный анализ кристаллического строения и химической неоднородности кузнечных прибыльных слитков нормальной геометрии и слитков с захоложенной верхней частью;

- С помощью компьютерного моделирования затвердевания слитка исследовано влияние геометрических параметров слитка и технологических параметров разливки стали на развитие усадочной раковины в слитках с захоложенной верхней частью;

- Проведён сравнительный анализ расчётных результатов компьютерного моделирования развития усадочной раковины с экспериментальными, полученными путем исследования опытного слитка с захоложенной верхней частью;

- Разработан, опробован и внедрён в промышленное производство кузнечный слиток двенадцати развесов массой от 2,07 до 17,2 тонны с прямой конусностью с захоложенной верхней частью для производства полых изделий;

- Исследованы показатели механических свойств металла полых поковок, изготовленных из прибыльных слитков нормальной геометрии и разработанных слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. С помощью компьютерного моделирования и экспериментального исследования процесса затвердевания опытно-промышленных слитков массой от 2,07 до 17,2 тонны рассмотрены факторы, определяющие размер, форму и расположение усадочной раковины и особенности кристаллического строения слитков в зависимости от геометрических и технологических параметров.

Установлено, что замена утепляющей прибыльной надставки массивной надставкой-холодильником:

- приводит к смещению теплового центра в центральную часть слитка;

- при использовании изложницы с отношением H/D = 1,6-1,8 усадочная раковина имеет высоту 32-61 % и максимальную ширину 24,5 % от тела слитка, при объёме захоложенной верхней части слитка 7-8,4 %;

-приводит к увеличению относительной ширины зоны столбчатых кристаллов на 30-85%;

- изменение обратной конусности слитка с захоложенной верхней частью на прямую при прочих равных условиях уменьшает максимальный относительный диаметр усадочной раковины в теле слитка в среднем на 3 %.

2. Выявлено распределение ликвирующих элементов в слитке массой 2,07 т с прямой конусностью с захоложенной верхней частью:

- установлено отсутствие положительной ликвации серы и фосфора в верхней части тела слитка по всему сечению;

- выявлено, что ликвация углерода, серы и фосфора металла по сечению слитка меньше ликвации углерода, серы и фосфора металла традиционного прибыльного слитка массой 1,7 т соответственно в 3,3, в 1,2 и в 1,7 раза.

3. Установлено, что использование слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью для производства полых поковок, по сравнению с прибыльными слитками позволяет уменьшить дисперсию механических свойств металла по концам полых поковок в 1,1 - 1,4 раза, что обусловлено тем, что химическая неоднородность слитков с захоложенной верхней частью менее развита, чем прибыльных слитков.

Практическая ценность работы заключается в следующем. Разработан и внедрён на ОАО «Буммаш» (г. Ижевск) слиток с прямой конусностью с захоложенной верхней частью двенадцати развесов массой от 2,07 т до 17,2 т для производства полых поковок, что позволило увеличить выход годного металла слитка в среднем на 7,2%. При этом, за счёт снижения химической неоднородности разработанного слитка достигнуто уменьшение дисперсии механических свойств металла по концам полых поковок в 1,1 - 1,4 раза.

Конструкция слитка спроектирована с учётом использования существующего на предприятии парка изложниц прибыльных слитков, что позволило минимизировать затраты на изготовление литейной оснастки. Замена футерованной прибыльной надставки надставкой-холодильником обеспечило экономию теплоизоляционных материалов и снижение трудоёмкости подготовки литейной оснастки. Уменьшение массы слитков позволило повысить пропускную способность разливочного пролёта за счёт сокращения времени затвердевания слитков и снизить расход газа на нагрев слитков перед ковкой.

Экономический эффект при изготовлении опытно-промышленной партии полых поковок из слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью на ОАО «Буммаш» составил 1,867 млн.руб.

выводы

1. На основании проведённых исследований тепловой работы кузнечных слитков установлен ряд действенных факторов, с помощью которых можно управлять расположением и формой усадочной раковины и кристаллическим строением слитка. К таким факторам относятся:

- замена утепляющей прибыльной надставки массивной надставкой-холодильником, которая захолаживает верхнюю часть слитка, что позволяет формировать сосредоточенную вдоль оси слитка усадочную раковину, а также увеличить относительную ширину зоны столбчатых кристаллов на 30-85% , по сравнению с прибыльными слитками;

- изменение обратной конусности слитка на прямую путём установки изложницы на поддон большим сечением в низ, в результате чего, при прочих равных условиях уменьшается максимальный относительный диаметр усадочной раковины в теле слитка с захоложенной верхней частью в среднем на 3 %.

2. Исследование опытно-промышленных слитков массой от 2,07 до 17,2 тонны позволило установить ряд преимуществ и особенностей затвердевания слитка с захоложенной верхней частью по сравнению с прибыльным слитком нормальной геометрии:

- металл слитка с захоложенной верхней частью химически более однороден, что обусловлено его ускоренным затвердеванием в результате замены прибыльной надставки надставкой-холодильником. В слитке с захоложенной верхней частью массой 2,07 т установлено отсутствие положительной ликвации серы и фосфора в верхней части тела слитка по всему сечению. Суммарная ликвация углерода, серы и фосфора меньше аналогичной ликвации элементов в прибыльном слитке массой 1,7 т соответственно в 3,3, 1,2 и 1,7 раза.

- в слитке с захоложенной верхней частью последние затвердевающие объёмы металла и тепловой центр находятся в центральной части тела слитка, что обуславливает наибольшую ликвацию углерода в осевой центральной зоне тела слитка, которая удаляется при прошивке заготовок;

- объём верхней захоложенной части слитка, необходимый для формирования вытянутой вдоль оси усадочной раковины, меньше объёма прибыльной части слитков, что позволяет при производстве полых поковок повысить выход годного.

3. Разработаны и внедрены кузнечные слитки с прямой конусностью с захоложенной верхней частью двенадцати развесов массой от 2,07 до 17,2 тонны для изготовления полых изделий.

4. При изготовлении полых поковок из спроектированных слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью достигнуто уменьшение дисперсии механических свойств металла по концам полых поковок в 1,1 - 1,4 раза, по сравнению с металлом аналогичных поковок, откованных из прибыльных слитков.

5. Внедрение на ОАО «Буммаш» слитков с прямой конусностью с захоложенной верхней частью для производства полых поковок позволило повысить выход годного металла в среднем на 7,2 % за счёт снижения головной обрези. Экономический эффект на опытно-промышленной партии составил 1,867 млн.руб.

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

2. Кулешов Н.И. Разработка системы автоматизированного выбора слитка с учётом его весовых, геометрических и структурных характеристик. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Днепропетровск, 1993. 187 с.

3. Слитки удлиненные для прессовых поковок. Выбор и рекомендации по применению. Руководящий технический материал. РТМ 3 - 617 - 74.1975. 26 с.

4. Жульев С.И. Оптимизация процессов производства кузнечных слитков для поковок ответственного назначения с использованием САПР-технологий. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Волгоград, 1991. 372 с.

5. Баптизминский В.И. Повышение выхода годного металла в сталеплавильном производстве / В.И. Баптизманский, B.C. Коновалов, Е.И. Исаев. Киев, Техшка, 1984. 132 с.

6. Тамман Г. Металловедение. Химия и физика металлов и сплавов. Пер. с нем. ОНТИ. М.-Л., 1935. - 439 с.

7. Штейнберг С.С. Металловедение. Свердловск: Металлургиздат, 1961.-598 с.

8. Вайнгард У. Введение в физику кристаллизации металлов. Пер. с англ. -М.: Мир, 1967.-171 с.

9. Самойлович Ю.А. Формирование слитка. М.: Металлургия, 1977. - 160 с.

10. Гуляев Б.Б. Затвердевание и неоднородность стали. М: Металлургиздат, 1950.-228 с.

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

12. Журавлёв В.А. Затвердевание и кристаллизация сплавов с гетеропереходами. М- Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическаядинамика»,Институт компьютерных исследований,2006.-560с.

13. Гуляев Б.Б. О возможности "дождя" кристаллов при затвердевании стальных слитков. // Сталь. 1951. - №10. - С. 928-929.

14. Скороходов Н.Е. О гипотезе "дождя" кристаллов. // Сталь. 1952. -№9. -С. 824-828.

15. Тагеев В.М. Гипотеза о "дожде" кристаллов в затвердевающих слитках и отливках. // Сталь. 1952. -№1. - С. 59-68.

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

17. Голиков И.Н., Козлов Ф.В. К вопросу о "дождевой" кристаллизации стали. // Сталь. 1952. - №7. - С. 626-630.

18. Чернов Д.К. Краткий обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и собственные исследования по тому же предмету. // Чернов Д.К. и наука о металлах: сб. трудов Д.К. Чернова. М.: Металлургиздат, 1950. - С. 63-109.

19. Иванцов Г.П. К вопросу о возможности "дождя кристаллов" в стальном слитке. // Сталь. 1952. -№10. - С. 922-931.

20. Иванцов Г.П. «Диффузионное» переохлаждение при кристаллизации бинарного сплава. // ДАН СССР. 1951. - Т.81. - № 2. - С. 179-183.

21. Иванцов Г.П. Теплообмен между слитком и изложницей. М.: Металлургиздат, 1951. - 40 с.

22. Бочвар A.A. Металловедение. М.: Металлургиздат, 1956. - 258 с.

23. Данилов В.И., Неймарк В.Е. О наличии зародышей кристаллизации выше точки плавления и строение жидкостей. // Журнал экспериментально-технической физики. 1938. - № 10. - С. 34-43.

24. Флеминге М. Процессы затвердевания: перевод с англ. М.: «Мир», 1977. -423 с.

25. Труды Д.К.Чернова. Под редакцией Н.Т.Гудцова. М., Металлургиздат, 1950. 564 с. сил.

26. Курдюмов A.B., Пикунов М.В., Бахтиаров P.A. Плавка и затвердевание сплавов цветных металлов. -М.: Металлургия, 1968. -228с.

27. Манохин А.И. Получение однородной стали. М.: Металлургия, 1978. -223 с.

28. Гуляев Б.Б. Литейные процессы. M.-JL: Машгиз, 1960. - 416 с.

29. Тагеев В.М., Дудкин В.А. Исследование кристаллизации слитков и отливок с применением радиоактивных изотопов (меченых атомов). // Труды научно-технического общества чёрной металлургии. М.: Металлургиздат, 1955. Т. 5. Ч. 2. - С. 19-36.

30. Тагеев В.М. Неоднородность строения стальных слитков и отливок. // Стальной слиток. -М: Металлургиздат, 1952. С. 40-66.

31. Тагеев В.М., Смирнов Ю.Д. // Металлургия и металловедение: Сб. трудов научно-технической конференции по применению изотопов и ядерных излучений. Изд. АН СССР, 1958.

32. Строганов А.И., Колосов М.И. Производство качественной стали в мартеновских печах. М: Металлургиздат, 1961.

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

34. Гудцов Н.Т. К вопросу об улучшении строения стального слитка. // Труды научно-технического общества чёрной металлургии. М.: Металлургиздат, 1955. Т. 5.4. 11.

35. Гудцов Н.Т. Основные вопросы изучения стального слитка. // Стальной слиток. М.: Металлургиздат, 1952. - С. 11-20.

36. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали. М.: Металлургия, 1976.-552 с.

37. Дуб B.C. Исследование внецентренной ликвации и разработка методов подавления её развития в крупных слитках. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. М.: ЦНИИТМАШ, 1980, т.1, 2.

38. Гаев Н.С. Дефекты строения стали. М.: Металлургия, 1947. - 232с.

39. Н. Andrew, Eight Report on the Heterogeneity of steel Ingots a. Steel Inst. (Special report № 25, p.25)

40. Металлургия стали В.И. Явойский, Г.Н. Ойкс, М.: Металлургия 1973 с. 815

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

42. Тасиро Тоити, Тодороки Тору и др. Механизм образования макроликваций в крупных слитках и отливках. Перевод с японского № 7751

43. Чалмерс Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия, 1968. - 300 с.

44. Тагеев В.М. Гипотеза о "дожде" кристаллов в затвердевающих слитках и отливках. // Сталь. 1952. - №1. С. 59-68.

45. Тагеев В.М., Дудкин В.А. Исследование кристаллизации слитков и отливок с применением радиоактивных изотопов (меченых атомов). // Труды научно-технического общества чёрной металлургии. М.: Металлургиздат, 1955. Т. 5. Ч. 2.-С. 19-36.

46. Тагеев В.М. Неоднородность строения стальных слитков и отливок. // Стальной слиток. М: Металлургиздат, 1952. - С. 40-66.

47. Каракула М.В. Зависимость характера кристаллизации крупного слитка от продолжительности заливки. // ЦНИИТМАШ. 1974. - № 156.

48. Хворинов Н.И. Кристаллизация и неоднородность стали. М.: Металлургия, 1958. - 390 с.

49. Гуляев Б.Б. Затвердевание и неоднородность стали. М: Металлургиздат, 1950.-228 с.

50. Скобло С .Я., Донцов П.М. Механизм образования конуса осаждения в слитке.//Сталь. 1951,-№6.-С. 535-543.

51. Скобло С.Я., Казачков Е.А. Разливка стали и формирование слитка. // Проблемы стального слитка: Труды I конференции по слитку. М.: Металлургия, 1966. - С. 112-129.

52. Тагеев В.М., Смирнов Ю.Д. // Металлургия и металловедение: Сб. трудов научно-технической конференции по применению изотопов и ядерных излучений. Изд. АН СССР, 1958.

53. Борисов В.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка. М.: Металлургия, 1987. - 224 с.

54. Поковки из крупных слитков. Отчет. Japan steel works. - 1970 - с. 134

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

56. Жульев С.И., Зюбан H.A. Производство и проблемы качества кузнечного слитка: Монография / ВолгГТУ. Волгоград, 2003. - 168с.

57. Вейник А.И. Теплообмен между слитком и изложницей. М.: Металлургиздат, 1959. 358 с.

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

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

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

61. Камнев П.В. Совершенствование ковки крупных поковок. Л.: Машиностроение, 1975. 342 с.

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

63. Совершенствование технологии разливки стали в изложницы. Тематический сборник научных трудов. М.: Металлургия, 1986. 72 с.

64. Константинов Л.С., Трухов А.П. Напряжения, деформации и трещины в отливках. М.: Машиностроение, 1981. 199 с.

65. Лапотышкин Н.М., Лейтес A.B. Трещины в стальных слитках. М.: Металлургия, 1969. 112 с.

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

67. Кузьмин Б.А., Самохоцкий А.И. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. Учеб. для мех. и машиностроит. техникумов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1984. 256 с.

68. Проблемы стального слитка. Сборник №5. Институт проблем литья АН УССР. М., Металлургия, 1974. 139 с.

69. Непрерывная разливка стали. Тематический отраслевой сборник №2. М., Металлургия, 1974. 208 с.

70. Лебедев В.Н., Коровин В.М., Варакин П.И. Крупные поковки для валов турбогенераторов. М., Машиностроение, 1968. 120 с.

71. Соколов Л.Н. //Кузнечно-штамповое производство, 1967. №3. С. 12-15.

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

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

74. Повышение эффективности разливки стали в изложницы. Тематический сборник научных трудов. М., Металлургия, 1987. 88 с.

75. Попов А.Д. Расчет прибылей для отливок. М., МАШГИЗ, 1957. 56с.

76. Копелиович Д.Д. Прогнозирование параметров зоны внецентренной ликвации в стальных слитках. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: ЦНИИТМАШ, 1990, 222 с.

77. Проблемы стального слитка. Сборник №5. Институт проблем литья АН УССР. М., Металлургия, 1974. 322 с.

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

79. Разливка стали. Под общ. ред. В.И. Баптизманского. Киев-Донецк, Вища школа, Головное изд-во, 1977. 200 с.

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

81. 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.

82. Weinberg F., Rugh R. Solidification off high-carbon steel ingots. — "Solidificat.,Sheffield, 1977, London, 1979, p.334-339.

83. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. M., Металлургия. 1969. 160 с.

84. Руцкий Д.В. Исследование химической неоднородности кузнечных слитков для крупногабаритных заготовок тяжёлого машиностроения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Волгоград, 2006. 140 с.

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

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

87. Шиндовский Э., Шюрц О. Статистические методы управления качеством. М., Мир, 1976.

88. Богачев И.Н., Вайнштейн А.А., Волков С.Д. Введение в статистическое металловедение. М., Металлургия, 1972, 216с.

89. Бара Ж.Б. Основные понятия математической статистики. М., Мир, 1974. 280 с.

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

91. Винарский М.С., Лурье M.B. Планирование эксперимента в технологических исследованиях. Киев, Техшка, 1975.

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

93. Пустыльник E.H. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М., Наука, 1968. 288 с.

94. Чиченев H.A. Автоматизация экспериментальных исследований (организация эксперимента). Под ред. П.И. Полухина: Учебное пособие для ВУЗов. -М.: Металлургия, 1983. 256 с.

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

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

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

98. Крохалев A.B., Шевкун Г.П. Методы организации экспериментов в металловедении. Учебное пособие. Волгоград, изд-во ВолгПИ, 1990. 72 с.

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

100. Румшиский Л.З., Смирнов С.Н. Методы обработки результатов эксперимента. Конспект лекций для аспирантов. Москва, 1973. 162 с.

101. Вейник А.И. Теплообмен между слитком и изложницей. М., Металлургия 1959.357 с.

102. HTTP://WWW.ISTC.RU INTERNATIONAL SCIENCE & TECHNOLOGY CENTER. Study and Development of the Process of Steel Modification in Ingots. 1

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

104. Жульев С.И., Зюбан H.A. Влияние параметров изготовления крупных кузнечных слитков на формирование оптимальной структуры осевой зоны //

105. Металлург, 2001. №12. С. 38-39.

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

107. Yu. A. Samoilovich, V. I. Timoshpol'skii, I. A. Trusova POSSIBILITY OF FORMING AN INGOT WITH A CONVEX CRYSTALLIZATION FRONT // Inzhenerno-Fizicheskii Zhurnal Vol. 74, No. 1, pp. 134-138, January1. February, 2001.

108. Голубцов В.А. Повышение степени химической однородности крупных слитков высокоуглеродистой стали // Сталь. 2000 г. - №12.

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

110. 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.

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

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

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

114. Антонищенков Ю.М. Ковка полых заготовок // Сталь, 2002. №9. С. 72-74.

115. Белевитин В.А. Влияние технологии выплавки и внепечной обработки на качество кованых трубных заготовок . // Сталь. 2000 г. - №3. С. 22-25.

116. Воронин Ю.Ф., Лосев А.Г., Матохина А.В., Куликов Д.Ю. Управление процессов снижения усадочных дефектов отливок.//Литейщик России2004 г. №12.

117. Фёдоров Д.Н. Исследование усадочных дефектов в удлинённых сдвоенных бесприбыльных слитках и их использование для производства крупных полых поковок. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Волгоград, 2005. 171 с.