автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка, исследование и моделирование процесса газодинамического вытеснения расплава из литниково-питающей системы в отливку

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

ГТ6 од

1 з СЕН 230]

СЕЛПЗЬОРСТОВ ВАДИМ ЮРІЙОВИЧ

УДК 621.746.554:621.771.07-412:621.746.464

РОЗРОБКА, ДОСЛІДЖЕННЯ І МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ГАЗОДИНАМІЧНОГО ВИТИСНЕННЯ РОЗПЛАВУ ІЗ ЛИВНИКОВО - ЖИВЛІОЧОЇ СИСТЕМИ У виливок

05.16.04 - Ливарне виробництво

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

КИЇВ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі ливарного виробництва Національної металургійної академії України Міністерства. «світи і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Хричиков Валерій Євгенович,

Національна металургійна академія України, професор кафедри ливарного виробництва.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Бубликов Валентин Борисович,

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділом високоміцних і спеціальних чавунів;

- кандидат технічних наук, доцент Сиропоршнев Леонід Миколайович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інстшут”, доцент кафедри “Ливарне виробництво чорних та кольорових металів”.

Провідна установа: Запорізький державний технічний університет, кафедра

“Машини та технологія ливарного виробництва”

Захист відбудеться « 26 » червня 2000 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.002.12 при Національному технічному університеті України «КГП» за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37, НТУУ «КІЛ», ІФФ, корпус №9, ауд. 203, тел. 441-14-67.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України «КГП» з& адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37, НТУУ «КГП».

Автореферат розісланий «оЗі » /'?3^-£&^У2000 р.

Вчений секретар '

спеціалізованої вченої ради ^^

кандидат технічних наук, доцент Федоров Г.Є.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми. У зв'язку з гострим сировинним дефіцитом матеріалів та енергоносіїв, ісокою їхньою вартістю, проблема зменшення непродуктивних витрат металу, у тому числі на івниково-живлючу систему (ЛЖС) при виробництві виливків з чавуна та сталі залучає все білішу тгу технологів і дослідників. Тому існує потреба в нових технологічних рішеннях, що ібезпечують підвищенім виходу придатного литва при мінімальних витратах на їхнє вбудовування чинний технологічний процес.

Наукові основи вивчення ливгопсовьк систем були закладені у 30-х роках XX сторіччя, одапьші дослідження дозволили встановити основні закономірності, що були використані при шструюванні та розрахунку ЛЖС для всіх основних ливарних сплавів.

Одним з найбільш поширених типів ЛЖС, широко використовуваних у ливарному іробницгві, є сифонна система підводу металу. Такий підвод застосовують для одержати асивних виливків з високими службовими властивостями, для заливання більшої частини чавунних рокатних валків. При цьому на Дніпропетровському та Лутугинському заводах прокатних валків іорічно на ЛЖС витрачається 1200т високоякісного чавуну на суму — 4000000 гривень (у цінах за 598р.) з врахуванням вартості вороття, а витрати металу на ЛЖС злитків із спокійних марок сталі льки на ОАО «Дніпропетровський металургійний завод ім. Г.І. Петровського» складає 2685т на рік, [о у вартісному вираженні - більш ніж 770000 гривень.

Роботу виконано відповідно до Державної дослідної науково-технічної програми 0401 ержкомітету з науки і інтелектуальної власності України «Ресурсозберегаючі та екологічно чисті роцеси і технології в металургії та ливарному виробництві» (проект 04.03.02/003K-95).

Мета й завдання досліджень. Мета роботи - одержання науково обфунтованих результатів, (о забезпечують розробку нової технології газодинамічного витиснення рідкого металу з ивниково-живлючої системи у виливки і рішення актуальної задачі ливарного виробництва -иеншення непродуктивних витрат металу.

Для досягнення поставленої цілі необхідно вирішити такі задачі: визначити технологічні ожливості здійснення процесу газодинамічного витиснення розплаву з сифонної ЛЖС; встановити сновні засоби підвищення тиску в ЛЖС та визначити склад речовин, при нагріванні яких вділяється достатній обсяг газу для ефективного впливу на розплав; розробити конструкції устроїв, № забезпечують герметизацію ЛЖС від навколишнього середовища, введення газу і наступне итиснення розплаву у виливок; встановити термочасові режими реалізації нового процесу, що раховують різноманітні розміри сифонної ЛЖС, теплофізичні властивості матеріалу форми та плаву, а також тривалість заливання.

Наукова новизна результатів, отриманих особисто здобувачем. Виконані дослідження озволили одержати науково обгрунтовані результати, які забезпечили розробку нової технології егульованого газодинамічного витиспепня рідкого металу із сифонної ЛЖС у виливки. Відмінною

рисою запропонованих устроїв є герметизація ливникової системи від навколишнього середовища рахунок залитого сплаву, що примусово твердіє до утворення прошарку металу заданої товщини.

Розроблено фізичну і математичну моделі процесу затвердіння металу в системі стояк - устр для введення газу, що описують стан елементів зазначеної системи до заливання розплаву в ливар форму, під час заповнення форми металом та після введення металевого холодильника. Складен на основі отриманих розрахункових формул алгоритм дозволяє моделювати процес теплообмін; різноманітними варіантами конфігурації та розмірів холодильника, діаметра стояка, тривалої заливання, теплофізичних властивостей форми і розплаву.

Дослідження процесу нагрівання та наступного охолодження формувальної суміші стояка п заливанні чавунного прокатного валка дозволили встановити термочасові режими реалізації проце газодинамічного витиснення розплаву з ЛЖС. Побудовані ізотерми та ізохрони були використі при адаптації математичної моделі процесу затвердіння розплаву в ливниковій системі.

Встановлено кінетику прогріву вогнетривкого припасу та температурне поле по його товщі при заливанні виливків спокійної сталі масою 28,6т, побудовані ізотерми та ізохрони, що мож; бути застосовані також для оцінки теплових умов роботи матеріалу стояка та для розробки нов видів вогнетривів. Визначено термочасові режими затвердіння металу в зазорі між центрові вогнетривкою трубкою і сталевою трубою-холодшшшком методом моделювання проці герметизації ливникової системи в лабораторних та промислових умовах.

Встановлено, що розрахункова тривалість герметизації системи стояк-устрій дои введен газу відповідає результатам експериментальних досліджень, а процес затвердіння розплаву внутрішній частині труби-холодильника не порушить процес введення газу в стояк.

Розроблено різноманітні варіанти конструкцій устроїв, що забезпечують герметизацію ЛЗ від навколишнього середовища, подачу газу і наступне витиснення розплаву у виливок. Встановл£ також можливість занурення устрою в рідку сталь у випадку влучення шлаку в стояк. Визнач« склад речовин, при нагріванні яких виділяється достатній обсяг газу для ефективного впливу розплав, виконано розрахунок їхньої кількості. Встановлено, що застосування суміші карбон; кальцію з вуглецем меньш технологічно у порівнянні з парафіном (твердим граничн вуглеводнем), основними перевагами якого є низька температура кипіння та гарантові розкладання його розрахункової кількості.

Встановлено, що конструкція устрою з регульованою подачею газу крім надійне формування затверділого прошарку в сифонній ЛЖС забезпечує усунення його можливих розри по розніманню центрових вогнетривких трубок за рахунок повернення рідкого металу в сто Наступне витиснення розплаву забезпечить живлення усадки осьової зони виливка, а так можливість проводити газоіштульсну обробку розплаву в ливарній формі, продування металу, кристализується, інертним газом або газом з модифікуючими порошками. Сполучення можливос економії металу на ливникової системі та газодинамічного впливу на розплав може б; використане для одержання двошарових високоякісних виробів у стаціонарних ливарних формах.

з

В результаті вивчення механізму термічного розкладання карбонатів кальцію різноманітних цовшц встаповлепо, що нестабільність роботи надливів під газовим тиском обумовлена, гамперед, використанням карбонато-вуглицевої суміші. Парафін, на відміну від СаСОз, зкяадається необоротно, що робить роботу стрижня газового тиску більш стабільною. Виведено зрахункові формули та побудовано графіки, що дозволяють визначити необхідну кількість рафінового заряду для надливів сталевих і чавунних виливків різноманітної маси при обхідному газовому тиску. Використання парафіну дозволяє знизити витрату заряду в 5-12 разів.

Практичне значення отриманих результатів. Результати виконаних досліджень явилися новою для розробки ефективної технології газодинамічного витиснення розплаву з ЛЖС у ливок, що забезпечує зменшення непродуктивних витрат металу. В умовах вальцеливарного цеху Ю «Дніпропетровський завод прокатних валків» застосування технології дозволить у середньому лцаджувати 175кг чавуну на кожному валку, а у конверторному цеху ОАО «Дніпропетровський талургійний завод ім. Г.І. Петровського» скорочення витрат металу на ЛЖС складе 4,2 кг на жній тонні відлитих злитків.

Використання парафіну в якості газообразуючої речовини для надливів під газовим тиском ливків із чавуну та сталі дозволить збільшити вихід придатного в середньому на 16%. Необхідна іькість парафіну при цьому в -13 разів менша, ніж суміші карбонату кальцію з вуглецем, що изить матеріалоємність стрижня газового тиску з тією ж вартістю заряду. Застосування парафіну зезпечить також стабільність роботи надливів під газовим тиском.

Особистий внесок здобувача. Автор приймав особисту участь у підготовці методик, конанні розрахунків та експериментів, їхньому проведенні, аналізі та опрацюванні спериментапьних даних. Узагальнення отриманих результатів, написати статей у співавторстві конувалося при особистій участі автора. Основні наукові і теоретичпі положення, подані в сертаційній роботі, розроблені автором особисто. Іспити розробленої автором технології ійснювалися при участі співробітників відповідних підприємств.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації повідомлені на 1 конгресі

4 міжнародних науково-технічних конференціях.

Публікапії. Матеріали дисертації опубліковані в 6 наукових працях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з введення, семи глав, сновків і 3 додатків, викладена на 111 сторінках машинописного тексту, містить 29 малюнків, 2 блиці та список літератури з 85 найменувань.

ЗМІСТРОБОТИ

У вступі до дисертації обгрунтована актуальність роботи, сформульовано ціль і задачі сліджень, відзначена наукова новизна отриманих результатів, їхнє практичне значення, положення результати, які винесені на захист.

Перший розділ оглядовий, він присвячений освітленню стану проблеми та вибору напрямку сліджень. Показано, що існує потреба в нових технологічних рішеннях, що забезпечують як

зменшення непродуктивних витрат металу, у тому числі на ЛЖС, так і умови одержання однорідного литого металу, однакового хімічного складу по висоті і перетину видатків у макро- та мікрообьємах за допомогою зовнішніх впливів на розплав. Описані основні методи цих впливів, їх переваги та недоліки. Встановлено, що найбільш простим і технологічним є використання процесії газодинамічного впливу на розплав у ливарній формі.

Аналіз експериментальних та теоретичних робіт показав, що незважаючи на достатньо численні дослідження, проведеш в цьому напрямку, замало інформації про технологічні пристрої для газодинамічного впливу на розплав у ливарній формі, їхні конструктивні особливості т. можливості застосування. Описано одне з перших устроїв, яке з'явилося в Японії, що забезпечу« витиснення рідкого металу із стояка у виливки та повторне використання стояка (рис. 1). У відомом} засобі розплав із стопорного ковша через розливний стакан і стояк заливають в ливарну форму Потім у простір між центровою та ковшем за допомогою гідравлічного приводу вводяті ущільнюючий устрій, що герметизує порожнину стояка.

1 - розплав; 2 - стопорний ковш; 3 - розливний стакан; 4 - стояк; 5 - ливарна форма; 6 — гідравлічний привод; 7 — ущільнюючий устрій; 8 — балон з газом.

Рисунок 1 - Установка для витиснення розплаву із ливникової системи

У цю порожнину з балона подають під тиском газ, що витискує рідкий метал із стояка в рму. Після виймання виливка стояк знову може бути використаний дня чергового заливання.

Недоліком даного засобу є наявність легкоуразливої системи з'єднання стояка і ковша через Ільнюючий устрій, що має гумові прокладки. Крім того, конструкція достатньо складна та іміздка, що утрудняє її використання в чинному технологічному процесі. Проте принцип гиснення розплаву із стояка заслуговує на увагу. Через порожнину, що утворилася, у ЛЖС жливе введення газоподібних речовин та інших активних елементів, що впливають на метал швка, що кристализується.

Зроблено висновок про перспективність робіт з економії металу на сифонну ЛЖС, в області ІНІШНІХ впливів на розплав з метою підвищення його якості та необхідності проведення дальших досліджень, спрямованих на розробку нових ефективних технологій газодинамічного пиву на розплав.

У другому розділі обгрунтовано вибір методик та методів дослідження. Процеси затвердіння талу в стояку, нагрівання та охолодження вогнетривкої проводки і формувальної суміші мііджувалися за допомогою термоелектричного метода. Зварювання гарячих спаїв здійснювали відомих методиках.

При дослідженні затвердіння сталі у середині вогнетривкої трубки застосовували вольфрам-нієві (ВР) термопари, а в різноманітних точках по діаметру вогнетривкої трубки - хромель-юмелеві (ХА). Розігрів і охолодження чавуна та формувальної суміші стояка досліджували за помогою ХА термопар в інтервалі температур 0-1370°С. Гарячі спаї термопар у розплаві сшцали за допомогою термозахисного блока, що складається з кварцової трубки з подовженим конечником та завальцованої сталевої тонкостінної трубки з нержавіючої сталі. Розроблена нструкдія виключала ушкодження термопари при усадці виливка.

Холодні спаї термоелекгродів кріпили до вхідних клем багатокрапкового потенциометра типу ЛІ-4. Контроль температури у печах та ковші здійснювали термопарами занурення типу ВР та ПП. рування приладів робили потенциометром ПП-63 з класом точності 0,05 та згідно результатів готовляли градуювальну лінійку. Оцінено помилку виміру для ХА та ВР термопар.

Результати запису термо-з. д.с. робили для кожної термопари окремо з інтервалом часу від 8 24 секунд. Наступне опрацювання експериментальних кривих охолодження здійснювали будовою кінетичної діаграми затвердіння та ізотерм. Побудову температурного поля робили по афінній методиці, уточнення - методом послідовного наближення вже від ізохрони темпера-рного поля до ізотерм кінетичної діаграми затвердіння.

Дослідження в умовах ОАО "Дніпропетровський завод прокатних валків" та ОАО [ніпропетровський металургійний завод ім. Г.І. Петровського" проводили з використанням варної оснастки вальцеливарного (ВЛЦ) і киснево-конверторного (ККЦ) цехів. Виміри температур ККЦ робили на спокійних марках сталі.

Роботу устроїв для газодинамічного впливу на розплав оцінювали методом виливання через

б

різноманітні проміжки часу в лабораторії кафедри ливарного виробництва НМетАУ в індукційі печі типу МГП-52. Чає від початку заливання до занурення випробуваної конструкції устрок виливок, а також до випуску рідкого залишку, фіксували секундоміром. Контроль хімічного екю сталі здійснювали стандартними хімічними та спектральними методами.

Дослідження мікроструктури проводили на оптичному металомікроскопі МИМ-8М г збільшеннях 12-500. Шліфи досліджували до та після травлення.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням роботи устроїв, забезпечую-!, витиснення розплаву із стояка. Подано розроблені схеми варіантів роботи різноманітті конструкцій устроїв для витиснення розплаву з ЛЖС, що засновані на ефекті самогерметиза металу у системі. Розроблено конструкції з регульованого подачею газу (рис. 2) та введенн фіксованої кількості речовини, при нагріванні якої виділяється газ.

I - веншль подачі газу; 2 - манометр; 3 - випускний вентиль; 4 - основна частина; 5 - сполучна мус 6 - опорна струбцина; 7 - заливальна лійка; 8 - змінна частина; 9 - кільцева насічка; 10 - холодилы

II - торцева вставка-пробка; 12 - вогнетривка проводка; 13 - розплав; 14 - корпус центрової.

Рисунок 2 - Устрій з регульованою подачею газу

На відміну від розробленої в Японії конструкції, запропоновані устрої вводять безпосередньо і ливникової системи після закінчення заливання. Частини устроїв, що занурюються в розплав, рметизують ливникову систему, забезпечуючи за допомогою холодильника спеціальної інструкції прискорене затвердіння дзеркала металу в стояку та у зазорі між холодильником і ігнетривом.

Одночасно формується прошарок металу на внутрішній поверхні вогнетривкої проводки або ірмувальиої суміші ЛЖС, який герметизує систему стояк-устрій для введення газу від навколиш-.ого середовища. Через визначений проміжок часу система стояк-устрій для введеипя газу ганяється цілком герметичною. Після цього для витиснення розплаву з ливникової системи через істину устрою, що занурюється, подається газ.

У запропонованому процесі необхідна послідовність та обмеженість у часі операцій: від рметизації устрою та ливникової системи від навколишнього середовища за допомогою холодиль-пса, до моменту введення газу і наступного повного затвердіння живильників (розведень).

Проведено моделювання процесу герметизації ливникової системи в лабораторних та юмислових умовах з використанням у якості холодильника сталевої труби з зовнішнім діаметром імм і товщиною стінки ~5мм у стояку діаметром 100мм. Результати експериментів показали, що іивалість затвердіння металу в зазорі між центровою вогнетривкою трубкою та трубою-їлодильником складає 10-15с.

Проведено експериментальні термографічні дослідження затвердіння металу в зазорі між іубою-холодильником та центровою вогнетривкою трубкою, а також у середині труби- холо-шьника в умовах ККЦ ОАО "Дніпропетровський металургійний завод ім. Г.І. Петровського". ;тановлено, що загальна тривалість затвердіння сталі (100% твердої фази) у зазорі складає <1 хв., а середині труби-холодильника ~5 хв. (рис. 3). Останнє вказує на те, що при використанні нової хнології затвердіння стали у внутрішній частині труби-холодильника не порушить процес ідходження газу в стояк.

Встановлено, що аналітичним методом визначити момент затвердіння розплаву в зазорі між жодильшгком та вогнетривом досить складно, тому що перед введенням холодильника в стояк :рез нього проходить декілька тонн рідкого металу. У зв'язку з цим проведені експериментальні ¡слідження процесу нагрівання вогнетривів центрової з внутрішнім діаметром 100 мм при диванні сталевих злитків (рис. 4) і формувальної суміші стояка з внутрішнім діаметром 65 мм при ливанні чавунних прокатних валків (рис. 5).

Побудовані ізотерми та ізохрони використовували при адаптації математичної моделі юцесу затвердіння розплаву в ЛЖС. Отримані експериметальні дані можуть бути застосовані ікож для оцінки теплових умов роботи матеріалу стояка та для розробки нових видів вогнетривів.

Нестабільність температури заливання розплаву, а також зміна розмірів стояка і отодильника, хімічного складу сплаву, основних теплофізичних властивостей його та ливарної ор.ми можуть бути враховані тільки при математичному моделюванні затвердіння розплаву в систе-

1 - металева форма стояка; 2 - вогнетривка трубка;

З * труба-холодилышк; 4 - розплав.

Рисунок 3 - Експериментальні криві №№ 1 - 6 затвердіння стали в стояку з трубою-холодилі

ником (а), температурне поле (б) на 1, 3, 5 хвилинах та схема установки термопар №№ 1 - 6 (в

мі стояк-устрій для введення газу.

У четвертому розділі приведено опис розробленої моделі процесу затвердіння розплав) стояку з циліндричнім холодильником.

Розроблено два варіанти фізичної моделі процесу затвердіння металу в системі стояк - уст] для введення газу. Модель описує стан елементів зазначеної системи до заливання сплаву в ливарі форму, під час заповнення форми металом, а також минущі в ній процеси після введення металеве холодильника.

Процес теплообміну описували з застосуванням методу ентапьпій, з огляду на фаз перетворення. Подано рівняння теплопровідності, граничні та початкові умови для форми, сумі холодильника, розплаву в зазорі між холодильником і вогнетривкою проводкою, внутрішнії прошарку розплаву.

^ Розділ виконано під науковим керівництвом д-ра техн. наук Соценко О.В.

ГЄРП опоры

Рисунок 4 - Експериментальні криві 1-6 нагрівання га охолодження (а) центрової вогнетривкої трубки при заливанні спокійної сталі, температурне поле на 1,2, 5,10,15, ЗО, 50 хв. (б), ізотерми 120°С, 150°С, 300°С, 500°С, 800°С, 1300°С по товщині стінки вогнетриву (в) та схема (г) встановлення термопар №№ 1-6

Рисунок 5 - Експериментальні криві нагрівання та охолодження (а) формувальної суміші стояка (№№ 2 - 6) і чавуна (№ 1), температурне поле (б), ізотерми (в) по товщині форми та схема встановлення термопар у стояку прокатного валка

и

Поставлену задачу вирішували з використанням методу кінцевих різниць. Отримано рахункові формули, що дозволяють моделювати процес теплообміну, змінюючи значення деяких ювних вихідних параметрів. За допомогою розробленої моделі досліджували процес затвердіння ¡плаву з різноманітними варіантами конфігурації та розмірів холодильника, діаметра стояка, шофізичних властивостей металу та форми.

Складено алгоритм розрахунку процесу затвердіння виливка, що реалізований у виді лрами, написаної на мові Фортран. Для адаптації моделі використовували дані яіериментальних досліджень процесу нагрівання форми та кристалізації металу в стояку, виконані ■лаві 3. Як показали розрахунки, затвердіння сталі в зазорі між вогнетривкою проводкою та Д5ою - холодильником проходить протягом приблизно 10с, що практично відповідає результатам :периментальних досліджень.

При практичному використанні цих даних часовий інтервал від моменту введення устрою в >як до подачі газу може складати 12 - 20 с. Проте необгрунтоване збільшення паузи між анченням введення устрою в стояк і подачею газу призведе до затвердіння живильника >зведень), що виключить можливість витиснення розплаву у виливок.

У п’ятому розділі зроблено оцінку фізичних та технологічних властивостей речовин, що іезпечують виділення газу при розкладанні, приведені результати досліджень по удосконаленню яструкцій устроїв і технологічного процесу їхньої роботи. Виконано розрахунки по визначенню іькості та складу речовин, при нагріванні яких виділяється достатній обсяг газу для витиснення зплаву із стояка. Проведено експериментальні дослідження кінетики ізотермічного розкладання рбонатів кальцію різноманітних родовищ при температурі 1450°С. Встановлено, що застосування чіші карбонату кальцію з вуглецем менш технологично та ефективно в порівнянні з парафіном (ердим граничним вуглеводнем), реакція термічного розкладання якого не залежить від тиску.

Розрахунки показали, що, наприклад, для витиснення сталі із стояка висотою 2,9 м у виливок рафіну необхідно 6,3 г, а суміші карбонату кальцію з вуглецем у 13 разів більше - 80 г. Тому ;тосування парафіну забезпечить також зниження матеріалоємності устрою для введення газу за хунок зменшення обсягу контейнера з газообразуючою речовиною.

Подано варіанти конструкцій устроїв, що забезпечують витиснення розплаву з сифонної вникової системи. Описано схему їхньої роботи при використанні різноманітних видів лодильників. Зроблено оцінку можливості занурення устрою в рідку сталь у випадку влучення таку в стояк.

Проведено експлуатаційні іспити розроблених устроїв у вальцеливарному цеху ОАО (ніпропетровський завод прокатних валків» та киснево-конверторному цеху ОАО [ніпропетровський металургійний завод ім. Г.І. Петровського". Встановлено, що ефективність зодипамічного впливу на розплав залежить, насамперед, від надійності герметизації системи від »колишнього середовища за рахунок організації процесу затвердіння сталі на внутрішній поверхні гнетрива, центрових вогнетривких трубках та дзеркала металу в стояку. У якості холодильника

чавунна дріб виявилася менш ефективною в порівнянні зі сталевими дисками. Застосуванні контейнера-холодильника з газообразуючою речовиною забезпечує прискореие затвердіти верхньо' частини ливникової системи. Проте, у випадку прориву газу по розніманню центрових вогнетривкш трубок, відсутня можливість відновити втрачену системою герметичність під час роботи устрою.

Промислові іспити конструкції устрою з регульованою подачею газу показали, що крід надійності формування затверділого прошарку в сифонній ливниковій системі, забезпечуєтьсі усунення можливих розривів герметизуючого металевого прошарку по розніманню центровій вогнетривких трубок за рахунок повернення рідкого металу в стояк. Після затвердіння новогі прошарку металу та повної герметизації ливникової системи від навколишнього середовища знов; здійснюється витиснення розплаву у виливок.

Дослідження макроструктури проб, відібраних від стояків злитків дослідного т порівняльного піддонів, залитих з одного ковша, показали відсутність принципових відмінностей якості металу. Аналіз макро- та мікроструктури проб, відібраних від головної та донної обріз дослідних і порівняльного злитків, показав ідентичність основних досліджуваних параметрі! Можливість підживлення осьової зони дослідних злитків розплавом, витиснутим із стоякг підтверджує наявність у головній частині обрізі контрольного злитка усадочної шпаристості.

Розроблена технологія регульованого витиснення рідкого металу з сифонної ливникове системи дозволяє також проводити газоімпульсну обробку розплаву в ливарній формі, продуванн виливків інертним газом або газом з модифікуючими порошками. Сполучення можливосте економії металу на ливниковій системі, живлення усадки та газодинамічного впливу на рідкий мета та метал, що кристалізується, може бути використане для одержання двошарових високоякісни виробів у стаціонарних ливарних формах.

У шостому розділі приведений порівняльний аналіз, вибір та розрахунок необхідної кількос1 газообразуючої речовини для надливів під газовим тиском при одержанні сталевих і чавунни виливків. Застосування надливів під газовим тиском дозволяє збільшити вихід придатного до 7! 87%, та у деяких випадках до 95%, замість 50 - 60% - при звичайному засобі лиття з металі статичними надаивами.

Крім того, застосування тиску підвищує механічні властивості металу виливків. Показано, п нестабільність роботи надливів під газовим тиском обумовлена, насамперед, використання карбонату кальцію (мело-графітового заряду). У виливках з малою товщиною стінок і, відповідн низькою тривалістю затвердіння, часто не відбувається повної дисоціації розрахункової кількос газообразуючої речовини та не створюється необхідного тиску газу.

У якості газообразуючої речовини запропонований парафін - суміш твердих граничні вуглеводнів з молекулярною масою 300-500, що цілком переходив у газову фазу при біль низькою, ніж СаСОз, температурі. Крім того, реакції розкладання граничного вуглеводню необоротними, що робить роботу надливів під газовим тиском більш стабільною. Виведеї розрахункові формули та побудовано графіки, що дозволяють визначити необхідну кількіс

ірафінового заряду для ііадливів сталевих та чавунних виливків різноманітної маси при :обхциому газовому тиску. Приведені розрахунки показали, що при використанні парафіну в сості газообразуючої речовини його витрати в 5-12 разів менші, ніж мело-графітової суміші.

У сьомому розділі приведено розрахунок потенційного економічного ефекту використання їхнології газодинамічного витиснення розплаву з сифонної ливникової системи в сталеві злитки та івунні прокатні валки, а також застосування парафіну у надливах під газовим тиском.

При виробництві чавунних прокатних валків на ОАО «Дніпропетровський завод прокатних шків» (ДЗПВ) і «Лутуганський завод прокатних валків» (ЛЗГГВ) застосовують сифонну ливникову істему з діаметром стояка 0,09м. При середній вартості тонни валків V групи виконання СШХН 3500 гривень (у цінах за 1998р.) та висоті стояка 4,5 м, економія на кожному відлитому важу □рівнює ~ 606 грн. При річному виробництві 6000 прокатних валків на ДЗПВ і ЛЗПВ, економія кладе ~ 3630000 гривень.

Використання нової технології в умовах ККЦ ОАО “Металургійний завод ім. Г.І. [етровського” забезпечує витиснення рідкого металу із стояка в злиток за рахунок створення адлишкового тиску газу. Розплав із стояка та живильника переміщуеться у виливницю. Нова гхнологія дозволяє витиснути метал із стояка діаметром 0,1 м на висоту 2,5 м у злитки. При ічному обсязі виробництва злитків - 500000 т, економія по ККЦ складе ~ 665000 гривень.

В приведепих розрахунках не врахована економія металу від витиснення розплаву з сивильників, можливе поліпшення якості металу при підвищенні його однорідності та щільності в сьовій зоні виливків за рахунок розплаву що витискується, а також зниження трудомісткості озбирання відходів металу стояків.

При річному виробництві 20 тис. т сталевих виливків використання парафіну в якості азообразуючої речовини для надливів під газовим тиском дозволить збільшити вихід придатного в ередньому на 16% та одержати економічний ефект у сумі ~ 2,36 млн. грн.

Таким чином, сумарний потенційний економічний ефект від використання технології азодинамічного витиснення розплаву у виливок складе ~ 6,65 млн. гривень.

ЗАГАЛЬНІВИСНОВКИ

1. Виконані дослідження дозволили одержати науково обгрунтовані результати, що абезпечили розробку нової технології регульованого газодинамічного витиснення рідкого металу із ифонної ливникової системи у виливки. Це відкриває перспективи не тільки рішення актуальної адачі ливарного виробництва - зменшення непродуктивних витрат металу, але і можливості іаступного газодинамічного впливу через ЛЖС на рідкий метал, та метал що кристализується, з іетою підвищення його якості.

2. Встановлено термочасові режими реалізації нового процесу, що враховують різноманітні юзміри сифонної ЛЖС, теплофізичні властивості матеріалу форми і сплаву, а також тривалість аливання. Відмінною рисою запропонованих устроїв є герметизація ливникової системи від

навколишнього середовища за рахунок залитого ставу, що примусово твердіє до утворені прошарку металу заданої товщини.

3. Розроблено фізичну та математичну моделі процесу затвердіння металу в системі стояк устрій для введення газу, що описують стан елементів зазначеної системи до заливання розплаву ливарну форму, під час заповнення форми металом та після введення металевого холодильник Поставлену задачу вирішували з використанням методу кінцевих різниць. Складений на осно отриманих розрахункових формул алгоритм дозволяє моделювати процес теплообміну в системі різноманітними варіантами конфігурації та розмірів холодильника, діаметра стояка, тривалос заливання, теплофізичних властивостей форми і розплаву.

Для адаптації моделі використовували дані експериментальних досліджень процес нагрівання форми та кристалізації металу в стояку.

4. Експериментально досліджуваний процес нагрівання та наступного охолоджеш формувальної суміші стояка з внутрішнім діаметром 65 мм при заливанні чавунного прокатної валка виконання СПХН масою 1080 кг, з бочкою діаметром 330 мм і висотою 1000 мм. Отримаї термокінетичні криві показали, що при технологічній розробці конструкції нового устрою основин вплив на затвердіння розплаву в стояку буде робити форма та маса холодильника.

5. Встановлено термочасові режими затвердіння металу в зазорі між центровою вогнетривко: трубкою та трубою-холодильником методом моделювання процесу герметизації ливникової систем в лабораторних та промислових умовах з використанням у якості холодильника сталевої труби зовнішнім діаметром 76 мм і товщиною стінки ~5 мм у стояку діаметром 100 мм.

6. Експериментально досліджуваний процес нагрівання та наступного охолодження вогнетрі вів центрової з внутрішнім діаметром 100 мм при запиванні злитків спокійної сталі масою 28,6 т і чотиримісному піддоні. Встановлено кінетику прогріву вогнетривкого припасу та температурне поі по його товщині. Побудовані ізотерми та ізохрони були використані при адаптації математичн моделі процесу затвердіння розплаву в ЛЖС. Отримані зкепериметальні дані можуть буї застосовані також для оцінки теплових умов роботи матеріалу стояка та для розробки нових вид вогнетривів.

7. Встановлено, що при використанні нової технології затвердіння сталі у внутрішній части труби-холодильника не порушить процес надходження газу в стояк. Експерименталь термографічні дослідження затвердіння металу в зазорі між трубою-холодильником та центрово вогнетривкою трубкою, а також усередині труби-холодильника показали, що загальна триваліс затвердіння сталі (100% твердої фази) у середині труби-холодильника складає 5 хвилин.

8. Розроблено різноманітні варіанти конструкцій устроїв, що забезпечують герметизаці ЛЖС від навколишнього середовища, введення газу та наступне витиснення розплаву у вюшве Встановлено також можливість занурення устрою в рідку сталь у випадку влучення шлаку в стоя Визначено склад речовин, при нагріванні яких виділяється достатній обсяг газу для ефективно впливу на розплав та виконаний розрахунок їхньої кількості. Вивчено кінетику термічно

озкладапня карбонатів кальцію різноманітних родовищ. Встановлено, що застосування суміші арбонату кальцію з вуглецем менш технологічно в порівнянні з парафіном (твердим граничним углеводнем), основними перевагами якого є низька температура кипіння та гарантоване юзкладання його розрахункової кількості. Для витиснення сталі з стояка висотою 2,9 м у виливки іасою 28,6 т парафіну необхідно в 13 разів менше, ніж суміші карбонату кальцію з вуглецем.

9. В результаті промислових іспитів встановлено, що конструкція устрою з регульованою юдачею газу крім надійності формування затверділого прошарку в сифонної ЛЖС забезпечує ’суненпя можливих розривів герметизуючого металевого прошарку по розніманню центрових ¡огнетривких трубок за рахунок повернення рідкого металу в стояк. Наступне витиснення розплаву абезпечить живлення усадки осьової зони виливка, а також можливість проводити газоімпульсну ібробку розплаву в ливарній формі, продування метану, що кристалізується, інертним газом або азом з порошками, що модифікують. Сполучення можливостей економії металу на ливниковій ¡истемі та газодинамічного впливу на розплав може бути використане для одержання двошарових іисокоякісних виробів у стаціонарних ливарних формах.

10. Дослідження макроструктури проб, відібраних від стояків дослідного та порівняльного ііддонів, залитих з одного ковша, показали відсутність принципових відмінностей у якості металу. Аналіз макро- і мікроструктури проб, відібраних від головної та донної обрізі дослідних та юрівняльного злитків, виявив ідентичність основних досліджуваних параметрів. Можливість іідживлення осьової зони дослідних злитків розплавом, витиснутим із стояка, підтверджує наявність г головній частині обрізі контрольного злитка усадочної шпаристості.

11. В результаті вивчення основних засобів підвищення тиску в порожнині надливів виливків іа допомогою газообразуючих речовин встановлено, що нестабільність роботи надливів під газовим тиском обумовлена, насамперед, використанням карбопату кальцію (мело-графітового заряду). Зстановлено, що при використанні парафіну його витрати в 5-12 разів менші, ніж мело-графітової :уміші. Реакції розкладання граничного вуглеводню є необоротними, що робить роботу прибутку гід газовим тиском більш стабільною. Виведено розрахункові формули та побудовано графіки, що дозволяють визначити необхідну кількість парафінового заряду для надливів сталевих та чавунних шливків різноманітної маси при необхідному газовому тиску.

12. Використання розробленого процесу при виробництві б тис. прокатних валків на ДЗПВ і ПЗПВ дозволить заощадити 3,6 млн. гривень (у цінах за 1998р.). Застосування нової технології в /мовах ККЦ ОАО “Металургійний завод ім. Г.І. Петровського” забезпечує витиснення розплаву із ;тояка в злитки і, при обсязі впровадження 500 тис. т, дозволить заощаджувати 665 тис. гривень. У іриведених розрахунках не облічена економія металу за рахунок витиснення розплаву з кивильників, можливе поліпшення якості металу при підвищенні його однорідності та щільності в зсьовій зоні виливків за рахунок розплаву, що витискується, а також зниження трудомісткості зозбирання відходів металу стояків. Використання парафіну в якості газообразуючої речовини для

надошвів під газовим тиском дозволить збільшити вихід придатного в середньому на 16% тг одержати економічний ефект у сумі 2,36 млн. грн.

Таким чином, сумарний потенційний економічний ефект від використання технолог газодинамічного витиснення розплаву у виливок складе 6,65 млн. гривень (у цінах за 1998р.).

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Селиверстов В.Ю. Технология вытеснения расплава из стояка в отливку // Теория и практика м< таллургии. - 1999. - № 4. - С. 12-13.

2. Хрычиков В.Е., Селиверстов В.Ю., Гришин А.М. Технологические особенности применен* прибылей под газовым давлением // Теория и практика металлургии. -1999. - № 5. - С. 38 - 39.

3. Хрычиков В.Е., Селиверстов ВІО., Семенова Т.В., Бутенко И.Г. Экспериментальное исследов; ние процесса затвердевания стали в центровой с цилиндрическим холодильником // Процессы литья . - 2000. - X» 1. - С. 18 - 20.

4. Хрычиков В.Е., Селиверстов В.Ю., Решетняк С.И., Макаренко Л.Л. Моделирование процесса з; твердевания металла в системе центровая-устройство для ввода газа // Вісті академії інженерні наук України. - 1997. - C. 65-70.

5. Хрычиков B.E., Селиверстов В.Ю., Семенова Т.В., Резун Bi. Экспериментальное исследоваш процесса нагрева огнеупора в центровой при заливке спокойной стали // Вісті академ інженерних наук України. - 1998.-С. 187-191.

праці, що додатково відображають наукові результати дисертації

6. Хрычиков В.Е., Селиверстов В.Ю., Матвеева М.О., Семенова Т.В., Семенов Д.И. Снижение ра хода металла на литниковую систему при производстве крупных отливок // Труды междуна конф. «Теория и практика решений экологических проблем в горнодобывающей и металлургич ской промышленности». - Днепропетровск: ГМетАУ. -1995. - С. 52 - 53.

АНОТАЦІЯ

Сепівьорстов ВІО. Розробка, дослідження і моделювання процесу газодинамиічно витиснення розплаву із ливниково-живлючої системи у виливок. - Рукопис.

Дисертація на здобутіянаукового ступеня кандидата технічних паук за спеціальністю 05.16.1

- Ливарне виробництво. - Національний технічний університет України “КШ”, Київ, 2000р.

Дисертація присвячена дослідженню і розробці технології регульованого газодинамічно витиснення рідкого металу із сифонної ливниково-живлючої системи у виливки. Встановлеї термочасові режими реалізації процесу, що враховують різноманітні розміри сифонної ЛЖ теплофізичні властивості матеріалу форми і сплаву, а також тривалість заливання. Відмінною рисс запропонованих устроїв є герметизація ливникової системи від навколишнього середовища рахунок залитого сплаву, що примусово твердіє до утворення прошарку металу заданої товщин Розроблено фізична і математична моделі процесу затвердіння металу в системі стояк - устрій д введення газу. Встановлено термочасові режими затвердіння металу в зазорі між центрове

іетривкою трубкою і трубою-холодильником. Розроблено різноманітні варіанти конструкцій зоїв, що забезпечують герметизацію ЛЖС від навколишнього середовища, введення газу і гупне витиснення розплаву. Визначено склад речовин, при нагріванні яких виділяється достатній іг газу для ефективного впливу на розплав та розроблені вівдповідні розрахункові формули.

Ключові слова: ливннково-живлюча система, ЛЖС, розплав, газодинамічне витиснення, вили, надлив, устрій, технологія, газообразуюча речовина, дослідження, температурне поле, кінетика іердіння, математична модель.

АННОТАЦИЯ

Селиверстов В.Ю. Разработка, исследование и моделирование процесса газодинамического еснения расплава из литниково-питающей системы в отливку. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности .6.04 - Литейное производство. - Национальный технический университет Украины “КПИ”, ®, 2000 г.

Диссертация посвещена исследованию и разработке технологии регулируемого газодинамикою вытеснения жидкого металла из сифонной литниково-питающей системы в отливки и слит-Установлены термовременные режимы реализации процесса, учитывающие различные размеры онной ЛПС, теплофизические свойства материала формы и сплава, а также продолжительность тки.

Отличительной особенностью предлагаемых устройств является герметизация литниковой гемы от окружающей среды за счет залитого става, который принудительно затвердевает до азования слоя металла заданной толщины. Разработаны физическая и математическая модели цесса затвердевания металла в системе стояк - устройство для ввода газа. Модели описывают со-яние элементов указанной системы до заливки расплава в литейную форму, во время заполнения >мы металлом и после введения металлического холодильника.

Поставленную задачу решали с использованием метода конечных разностей. Составленный зенове полученных расчетных формул алгоритм позволяет моделировать процесс теплообмена в теме с различными вариантами конфигурации и размеров холодильника, диаметра стояка, про-жительности заливки, теплофизических свойств формы и расплава. Для адаптации модели ис-ъзовали данные экспериментальных исследований процесса нагрева формы и кристаллизации алла в стояке.

Установлены термовременные режимы затвердевания металла в зазоре между внутренней по-хностыо формовочной смеси литейпой формы стояка или центровой огнеупорной трубкой и тру-нхолодильником.

Экспериментально установлена кинетика прогрева формовочной смеси литейной формы яка и огнеупорного припаса, температурное поле по их толщине при заливке прокатных валков и ов спокойной стали массой 28,бт. Построены изотермы и изохроны, которые могут быть при-

менены также для оценки тепловых условий работы материала стояка и для разработки новых виде огнеупоров.

Разработаны различные варианты конструкций устройств, обеспечивающих герметизаци ЛПС от окружающей среды, ввод газа и последующее вытеснение расплава. Установлено, что koi струкция устройства с регулируемой подачей газа кроме надежности формирования затвердевшег слоя в сифонной ЛПС обеспечивает возможность "залечивания" образующихся несплошностей г разъему центровых огнеупорных трубок за счет возврата жидкого металла в стояк в процессе работ устройства.

Вытеснение расплава из стояка улучшит питание усадки осевой зоны отливки или слигк обеспечит возможность последующего проведения газоимпульсной обработки металла в литейнс форме, продувку кристаллизующегося сплава инертным газом или газом с модифицирующими га рошками.

Установлен состав веществ, при нагреве которых выделяется достаточный объем газа для эс фективного воздействия на расплав, выведены расчетные формулы для определения их количеств Анализ макро- и микроструктуры проб, отобранных от головной и донной обрези опытных и сра нительного слитков, выявил идентичность основных исследуемых параметров. Возможность по, питки осевой зоны опытных слитков расплавом, вытесненным из стояка, подтверждает наличие головной части обрези контрольного слитка усадочной пористости.

Изучение основных способов повышения давления в полости прибылей отливок с помощи газообразующих веществ показал, что нестабильность работы прибылей под газовым давление1 обусловлена, прежде всего, использованием карбоната кальция (мело-графитового заряда). В от ливках с малой толщиной стенок, а также при установке нескольких прибылей, часто не происходи полного разложения расчетного количества газообразующего вещества.

Установлено, что при использовании парафина в качестве газообразующего вещества при быль под газовым давлением работает более стабильно, при этом его расход в 5-12 раз меньше, че; мело-графитовой смеси при той же стоимости заряда. Выведены расчетные формулы и построен] графики, которые позволяют определить необходимое количество парафинового заряда для прибь лей стальных и чугунных отливок различной массы при требуемом газовом давлении.

Ключевые слова: литнихово-пигающая система, ЛПС, расплав, газодинамическое вытесн ние, отливка, прибыль, устройство, технология, газообразующее вещество, исследование, темпер турное поле, кинетика затвердевания, математическая модель.

SUMMARY

Seliverstov V Ju. Development, investigation and modeling of the process for gas dynamic replace ment of melt from gate system in casting. - Manuskript.

The thesis on compétition of a degree of the candidate of sciences. Speciality 05.16.04 - Found manufacture. - National technikal university of Ukraine, Kyiv, 2000.

The thesis is devotet to the research and development of technology for adjustable gas dynamic re-acement of liquid metal out of siphon gate in castings and ingots. Termotemporal conditions of the proc-s realization in response to various dimentions of siphon gate, heat physical properties of form and alloy aterial and duration of pouring have been established. The distinctive feature of the offered devises is the aling of gate system from the environment at the expense of filled alloy that hardens under duress before rmation of the metal layer of a given thickness.

Physical and mathematical models of the metal hardening process in the sprue device system for gas put were developed. To adapt the model, data of experimental investigations of the process of form heat-g and metal crystallization in the sprue were used. Termotemporal conditions of metal hardening in the >ening between the central refractory pipe and the pipe cooler have been established.

Different variants of design devices ensuring sealing of gate from the environment, gas input and bsequent replacement of metal were developed.

That will improve shrinkage feeding of an axial zone for cast, ensure the opportunity to carry out gas lpuls treatment of metal in the foundry form, blowing of ciystallining alloy with inert gas or gas with odifyng powders.

Key words: gate system, melt, gas dynamic replacement, casting, device, technology, gas forming bstance, research, temperature field, kinetics of hardening, mathematical model.