автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка системы автоматизированного выбора слитка с учетом его весовых, геометрических и структурных характеристик

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИШ ИНСТИТУТ ЧЕРНО« МЕТАЛЛУРГИИ им. 3. Я Н2КРА' DBA

На правах рукописи

КУЛЕШОВ Николай Иванович

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫБОРА СЛИТКА С УЧЕТОМ ЕГО ВЕСОВЫХ, ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 05.16. 02 - "Металлургия чершге металлом"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени - кандидата технических наук

Днепропетровск - 1993

Работа выполнена в Севастопольском приборостроительном институте и Волгоградском иниэкерком центре "Азот".

Научный руководитель: доктор технических наук,

старкий научный сотрудник НУЛЬЕВ С. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук.

старший научный сотрудник ПОЛЯКОВ Е Ф.

кандидат технических наук» доцент СМИРНОВ А. а

Ведущее предприятие: Мариупольский концерн

II

'АЗОВМАШ".

1993 Г. В №

Защита состоится

Л,*ч

час. на за-

седании специализированного совета К. 141. 02.01 в Институте черной металлургии по адресу, 320050 г. Днепропетровск, пл. Стародубова, 1.

С диссертацией модно ознакомься в библиотеке Института черной металлургии. •

Автореферат разослан 1693 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических

наук

Г. а ЛЕВЧЕНКО.

Производство металлоемких каделмЯ для энергетической, судостроительной, машиностроительной отраслей сзяяако с получением пегого:-; не крупных стальных слитков. Наиболее часто ксподьауемые при этом кузнечные слктки имеют значительную по относительному объему прибыльную часть и отличаются меиду собой отношением 2ШО- • ты тела к среднему диаметру и конусностью граней.

Машиностроительный предприятия, икоювде соответствугвдй яърх литерной сс мае тки, позволяют^-:* получи, .ъ слитки развесом от 1 до 200т а выше, производят поковки селоой зирокой номенклатуры: кольца, итамповыэ кубики, плиты, вали, ротсра и др.

Однако при использовании только обычных прибыльных с.штков не учитываются специфические особенности поковок. Параметры литой заготовки обеспечивают получение плотной осевой зоны в теле и пало связаны с параметрами поковки. Выбор слитка для получения .конкретного изделия производится из ряда отливаемых на предприятии слиткоэ с учетом массы этого изделия. Повысить эффективность .производства возможно путем оптимизации параметров слитка применительно к конкретной поковке, с учетом не только ее массы но и геометрии.

Внедрение в производство слитков различных типов, с одной стороны - снижает отходи и трудоемкость за счет приближения формы слитка к форме поковки, с другой стороны - осложняет выбор слитка, поскольку при этом необходимо учитывать большое количество параметров.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Снизить расходный коэффициент металла и повысить качество готовых изделий за счет разработки автоматизированной системы, осуществляющей выбор литой заготовки на больного числа слитков разнообразной формы и обеспечиваюгц/эй минимальные отходы и трудозатраты.

В соответствии с этим задачами исследования являлись:

- формулировка критериев выбора слитка и условий обеспечения качества изделия;

- исследование влияния различных факторов на характер и распределение дефектов в слитках измененной геометрии путем проведения натурных и вычислительных экспериментов;

- получение закономерностей, позволяющих прогнозировать изменение размеров дефектной области при ковке, а значит гарантированно удалять ее в процессе получения готового изделия;

- исследование качества поковок, полученных из слитков изие

иенной геометрии}

- разработка алгоритма и программы выбора слитка по многим параметрам, аключая весовые, геометрические и структурные характеристики литой заготовки;

- внедрение результатов работы в производство.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

- сформулированы критерии оптимизации кузнечного слитка и условия обеспечения качества поковки;

- предложены механизмы формирования основных структурных зон слитка;

- выявлена связь между параметрами двухфазной, зоны и строением усадочной раковины в теле слитка;

- разработана математическая модель закова усадочной раковины В теле сдвоенного слитка;

' - разработан алгоритм выбора слитка произволь: )й геометрии для поковки с учетом его массы, формы и внутреннего строения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Результатом проведенных исследований явилось внедрение на ПО "Баррикады" автс зтизированной системы выбора кузнечного слитка. Это позволило повысить эффективность получения поковок различного класса, за счет замены традиционного слитка литыми заготовками, оптимальными по вгчу и конфигурации для кузнечных заготовок разнообразной формы.

Внедрение слитков иэменечной геометрии позволило снизить неоднородность механических свойств длинномерных поковок в 1,3. ..1,4 раза, расход металла на поковку на 8 7.. Годовой экономический эффект составил 233,6с тыс. руб.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЕ Материшш диссертации доложены на научно-технической конференции "Проблемы промышленной кристаллизации и компьютерное моделирование металлургических технологий" (Ижевск, 1988г.); межреспубликанской нау1. .о-технической конференции "Передовой опыт производства стали, ее даепёчной обработки, разливки в слитки и получения кузнечных" заготовок" (Водгог-рад,1089г.); 1-ой Всесоюзной н<_. чно-технической ксференции "Совершенствование металлургической технологии в машиностроении" (Волгоград,1080г.); 11-ой Всесоюзной конференции по проблемам слитка "Процессы равливкн, модифицированкк и кристаллизации стали и сплавов" (Волгоград,1990г. )г 2-ой Всесоюзной н^/чно-технической 'пнференции "Совершенствование металлургической технологии в ма-'остроении" (Волгоград,1991г.).

■ »

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовало 0 печатных рабо? к получено 1 авторское свидетельство на изобретение.

ОКЬЗМ РАБОТЫ Диссертационная работа состоит из введения, пнтк глав, вкзодоз, списка литературы (101 наименований). Основной текст содержит 205 страниц, в том числе Z 7 таблиц и 55 рисунков.

СОДЕР&ШИВ РАБОТЫ.

Анализ основных видов кузнечных заготовок, изготавливаемых на машиностроительных предприятиях покааызаег, что подавляющее большшстБО ( 60... 80 Z) наименований поко?ок - полые. Используемый з настоядое вреш для широкой номенклатуры поковок прибыльный слито;', имеет ряд значительных недостатков.

Во-первых, количество тнпораавесоз слиткоз ограничено парком литейной оснастки, увеличение которого экономически нецелесосб-раано из-за йовшения расходов материалов, потребности иметь дополнительные плошадк к т. д. С другой стороны узкая номенклатура слитков приводит для определенных поковок к снижению выхода годного з результате большого остатка металла.

Во-вторых, получение длинномерных поковок из нормальных прибыльных слитков ( Н/Д-2,0... 2,5) связано с больсой трудоомиостып коакк.

В-третыс:, данньга слктки ииете значительную по относительному объэну пркбшанув таста, удаляемую з отход. Использование подобной прибыли опраздако для получения поковок на силосные изделия. В случае изготовления деталей с осевым сверлением применение с лит,'юз с массивной прибылью нецелесообразно.

В-четвертых, прибыльные нормальные слитки не всегда оптимальны с точи! зрения качества металла. Их геометрические параметры подобраны таким образом, чтобы т.'.ет^> плотную осевую зону в теле. Однако при минимальной физической неоднородности металла в слитка имеется значительная химическая неоднородность.

Использование технологии получения удлиненных сдвоенных слитков, отливаемых в составную из двух полуформ изложницу, позволяет избежать ряда указанных недостатков, однако на два порядка увеличивает их номенклатуру. Сдвоенные слитки имеют в теле узкую усадочную раковину, разори и форма которой зависят от ряда факторов. Среди них - геометрия слитка и тип головной части, марин

стали, некоторые технологические условия разливки жидкого металла. В свою очередь от формы усадочной раковины зависят размеры годной для получения поковки части слитка. Таким образом, при выборе литой заготовки под конкретную поковку помимо массы необходимо учитывать ряд дополнительных параметров, описывающих внешнюю и внутреннюю геометрию слитка, а также ряд факторов, влияющих на формирование внутренней структуры слитка. К тому зга, исходя из необходимости получения качественной заготовки детали в процессе ковки и последующей механической обработки, следует учитывать трансформацию усадочных дефектов в заготовке.

При большом наборе слитков разнообразной геометрии и кассы становится актуальной задача.выбора оптимального слитка с учетом максимального выхода годного и наименьшей трудоемкости ковки. Исходя из этого выбраны параметры оптимизации и ограничения, позволяющие получить качественного поковку.

Слиток по эффективности изготовления из него поковки иожвт быть оценен с точки зрения расхода металла и трудозатрат на ковку. В первом случае в качества параметра оптимизации выбирается масса слитка (1). Проведенный анализ производственных норм времени на основную операцию ковки - протяжку показал, что время ковки прямо пропорционально .диамет$у исходной заготовки. Исходя из этого в качества условий, обеспэкващих снижение трудоемкости• ковки выбраны выражэния (2),(3)„ соствэтственно для гладких и ступенчатых слитков. а

тшЁ (V.; пчпЪ т;

г да - масса и диаметр слипса шш его части;

У\,<$» - объем к диаметр 1-ой отулени поковки.

Объединение условий 1,2 или 1,3 в цечевую функцию с весовыми коэффициентами, соотносящимися как затраты на ковку к производство металла в слитках,позволяет проводить оптимизацию по общэй эффективности слитка.

Ограничениями оптимизационной задачи по выбору слитка являются условия обеспечения качества металла ноковки:

; ; £-С««, 6л, М

где 5(лй»( - реальный и шшимаяьно допустимый уков на 1-ой ступени;

йп - диаметр осевой дефектной зоны в поковке;

- диаметр отверстия в изделии; &п, бая*- массы поковки и непригодной для ковки части слитка.

Наиболее сложной задачей на этапе выбора слитка для конкретной поковки является выполнение условия удаления дефектной воны поковки в отход. Для этого необходимо знать, во-первых, характер, • форму и размеры усадочных дефектоз в слитках различного типа и, во-вторых, прогнозировать их изменение при ковке.

Для изучения характера и расположения усадочных дефектов, а также химической и структурной неоднородности удлиненных ступенчатых слитков, исследовались два прибыльных слитка массой 4,07 т с верхней меньшей и верхней большей частью, отлитых, соответственно, из стали З8ХВЗИМ и 25.

Строение слитков изучалось по выявленной травлением макроструктуре продольных темшйтов. В удлиненном стг^енчатом слитке с меньшей нижней частью можно выделить шесть основных структурных зон: корковая зона; зона столбчатых кристаллов- зона равноосных кристаллов; конус из кристаллов; осевая зона; усадочная раковина. • В слитке с меньшей верхней частью, кроме вышеперечисленных вон, имеется вона лодприбылького моста, разделяющая усадочную раковину ' . на открытую, расположенную в прибыли, и эакригую ( вторичную ) в теле слитка

Основные дефекты слитка сосредоточены в осевой воно. Для слитка с мзныаей нижней частью можно выделить два типа дефектов осевой воны: У-образные- трещины; усадочная рак вина В слитке с > меньшей верхней чгстьв помимо указанных дефектоз в зоне лодприбылького моста выявлены продольные трещины, толщиной 0,2 мм. Трещины прерывистые, протяженностью 13...40 мм, и расположены в эоне диаметром 05 му.

Усадочная раковина в теле слитка с меньшей нижней частью открытая. В месте стыка тело-прибьш» намечается пережим, но вследс-твии большего диаметра слитка з подприбшшном горизонте, чем в слитке с меньшей верхней частью ( при одинаковых размерах прибыли) объема жидкого металла в прибыли нэ хватило до момента окончания' формирования моста На большем своем протяжении открытая усадоч- , ная раковина в теле слитка имеет постоянный диаметр. Стенки усадочной раковины неровные.

В о'литкэ о меньшей верхней частью вторичная усадочная раковина в <теле слитка изолирована от открытой ( первичной ) плотным мостом металла, предохраняющим стенки вторичной ., садочной раковин •

ны от окисления при нагреве под ковку.

Максимальный диаметр вторичная усадочная раковина имеет в месте сочленения верхней и нижней частей слитка. Металл прилегающий к усадочной раковине плотный без дефектов. Открытая усадочная раковина в слитке с меньшей верхней частью полностью локализована в прибыли.

Формирование усадочной раковины в теле слитка происходило в момент, когда металл в осевой зоне находился в двухфазном состоянии. Образование усадочной полости вызвано понижением уровня расплава вследствие восполнения усадки нижерасположенного твердо-жидкого участка. При этом обнажается поверхность бокового фронта и выявляется ere дендритное строение. Размер выступающих дендритов на стенке усадсчной раковины зависит от ширины участка питания, ограниченного гритцами выливаемости и границей питания.

Размеры неровностей стенки раковины у исследуемых слитков различны, что связано, поводимому, с различной шириной участка питания, размеры которого зависят от свойств расплава и в первую очередь от распределения выделившейся твердой фазы по сечению твердо-жидкой зона

При затвердевании юга» углеродистых сплавов значительное количество твердой фазы выделяется у температур- ликвидус, что приводит к уменьшению участка питания и смещению его к температуре ликвидус. Некоторые сплавы с черетектическим превращением затвердевают с выпадением большей чюти твердой фазы у температуры со-лвдус, что также приводит к сокращению размеров участка питания.

Нижняя часть усадочной |<аковины обоих слитков более рыхлая чем верхняя, что связано с увеличением размеров двухфазной области в большем по размерам сечении слитка и скоплением оседающих ■; ■•..•галлов, опускающимися с маточчым расплавом в.результате усадка

работе произведена оценка размеров выступающих частей ден-x*h + é(1¡-h) , W

где Я - высота выступающей части дендрита;

^ - - глубина мениска жидкого металла межлу дендритами; М - продольные размеры участка питания; £ - усадка.

Характер и расположение усадочных дефектов во многом опре„е-

ляется формой . ■"ела и типом головной части. Ш конфигурации тэда различаю? олитки с массивной нияией частью и массивной ненией частью. Чаше всего используйся прибыльные сдвоенные слитки, имеющие узкую усадочную раковину по всей высоте тела. Однако ь олре-деленных случаях могут оказаться эффективнее слитки беспр^бь:. ыи« и с захолозкенной верхней частью.

Для изучения характера распределения усадочных дефе»?ои в ступенчатых слитках различно! и , на исил^оЕались шесть имгш и различной формой тела и типом головной части. По окончании затвердевания и извлечения из излоэпшц слитки разрушались вдо.л оси с помощью взрыва, после чего изучались форма и относительны;; размеры усадочной раковины.

В слитках с меньшей верхней частью усад- мая раковина проникает в тело слитка на 55.,.(?2 %. Тип головной части сли'-ка не оказал заметного влияния на диаметр усадочной раковины в нижней части и протяяе. ;-;ость в теле. Изменение головной части повлияло только на форму и диаметр раковины в верхней части слитка на протяжении 0,15...0,20 общей высота Глубина проникновения усадочной раковины в тело в слитках с меньшей нижней частью значительно меньше и составляет 30 X от высоты тела слитка.

.Существенные различия в форме раковины наблюдается в верхней части слитков. У бесприбыльных слитков максимальный диаметр раковины у верхнего торца тела н равен диаметру слитка Применение холодильника сужает усадочную раковину в верхней части тела до 40 % за счет усиленного теплоотвода к массивному холодильнику. Наименьше развитие поперзчних размеров раковины наблюдается у прибыльных слитков.

Шлученные результаты исследования характера и формы усадеч-ныя дефектов в различных типах слитков показывают, что максимальное использование тела возможно при ковке прибыльных слитков. У бесприбыльных"» слитков с холодилышком верхняя часть с усадочной раковиной недопустимо большого диаметра удаляется в отход, отделить эту часть кояео если -ься определенной величиной относительного диаметра ракоь ¿еле. На рисунке 1 показано для кавдого типа слитка местоположение сечения, ниже которого диаметр усадочной раковины не превыг 86 X от диаметра слитка. Расстояние о® верха тела предстевле.. а процентах к общей высот«. Таким.' обравом, если считать, »сто часть слитка, лежащая выше указанного сеяния, не используется при ковке, то мозкно видеть эффективность

Расположение и размеры усадочных дефектов в ступенчатых слитках дзаэных типов

использования тела каждого типа слитка.

В работа исследованно распределение углерода,сери, фосфора в сдвознньк прибыльных ступенчатых слитках массой 4,07т.

54эталл слитка с массивной нижней частью достаточно однороден. Ликвация углерода по всей высоте не превышала 0,03 %, сери 0,005 Z и фосфора 0,004 X. В донной части содержание указанных элементов никэ плавочного, в прибыльной - выше. Большее развитие ликвация получило в слитке с массивной верхней частью, особенно а подпркбыльком горизонте. В этом месте содержание углерода выке плавочного на 0,08. серы на 0,01 и фосфора на 0,009 процентов.

Сравнение распределения углерода по сечению з нормальной прибыльном слитке и в удлиненном сдвоенном показало, что ликвацнл углерода а сдвоенном слкткэ кэньсе. При увеличении массы слитков разница в химической неоднородности между удлиненным и норелльни! слитками увеличивается.

Исследование ликвации по сечении слитков различного типа показало, что форма слитка не оказала заметного влияния на ликвации углерода. Максимальное содержание углерода соответствует .максимальному развитию усадочных дефектов.

В результате проведения ¡.гаталлографичеокого анализа установлено, что в целом распределение неметаллических включений в объеме слитка подчиняется оЗычным закономерностям. Верхняя зона слитка л больтй стспепн обогащена сульфидами, низ - кислородными вкаи,,*»гимик. Отмотается увеличение содержания сульфидоп з лгшрм-ленич от крпя к центру си:тка. 0:хидная (¡сза распродолкотсн но сечэпшэ слитка скачкообразно. В осевой эоне сродного горизонта наблюдается максимальное содержание как сульфидов, так и оксидов. Следует отметить повьшенное содержание включений в середина слитка Максимальное сбш,эе содержание неметаллических включений приходится на осевую зону в верхней половике слитка и соответствует зона максимального развития усадочных дефектов а теле слитка '

Исследование макроструктуры стальных слитгсоз показывает, ото характерной особенностью их строения является значительная физическая неоднородность осевой 8оны, вызванная усадочными процессами.

В удлиненных сдвоенных слитках не удается избавиться от усадочной раковины в теле, поскольку, с одной стороны, относительно матай объем прибыли не может компенсировать усадку, с другой, о носительно небольшой поперечный размер слитка приводит к раннему

образованию моста, отделяющему прибыльную часть от основных объемов слитка, вследствие чего образуется вторичная усадочная раковина.

Для гарантированного удаления осевой боны в процессе получения готового изделия необходимо прогнозировать размеры усадочной раковины в теле слитка. Последние зависят от множества параметров, определяющих теплофизнческие свойства сплава, технологические условия разливки, условия теплообмена слитка с окрунающэй средой. Исследование влияния большого числа параметров на развитие усадки возможно при математическом моделировании затвердевания слитка и проведении вычислительных экспериментов по развиыа моделям на ЭВМ.

При исследовании характера» распределения а размеров усадочных дефектов основными ¡¡¡юцессаш, представляющими интерес является тепловой и дилатациоккый.

Результатом решения тепловой задачи является распределение темперетуры по сечению слетка для определенного момента времени. Шсле каждого расчетного та?а находятся коля дефектов усадочного происхождения в затвердевшей металле. Ш окончании расчета характеристикой усадки является величина относительной доли "пустоты*® в элементе объема ( увле расчетной сетки ).

Адаптация модели проводилась с целью установления качественного и количественного соответствия выходных рассчетных данных реальному распределению и величине усадочных дефектов в исследуемых ( опытных ) слитках.

В части адаптации модели для получения достоверных результатов расчета удлиненных сдвоенних слиткоз в расчетном пода пористости выделялись три характерные боны; раковины, рыхлости, пористости. Первая соответствует полос?:: ратази;ы в- теле реальных слитков, вторая - неровностям стенок ракоаины, третья - кольцевой зоне пористого металла вокруг равдшш. Параметры указанных зон измерялись в опытных слитках и по полученным данным определялся процент пористости Р расчетного поля, соответствующий характеру усадочных дефектов в реальных слитках.

"крупненно на развитие усадки в слитке при затвердевании влияют теплофкзическиз свойства сплава, технологические условия разливки и условия теплообмена слитка с окруиаюцэй средой.

Изучение влияния химического состава стали на размеры дефек-* области в теле слитка проводилось путем математического ы-

деяировакия г отвердевания прибыльного ступенчатого слитка с массивной нижней часть» массой 4,07 т. Расчет проводился для различных марок сталей.

Для углеродистых марок сталей получены линейные зависимости относительного диаметра усадочных дефектов от содержания углерода (рис. г ). При отсутствии углерода в расплаве все прямые стремятся к предельному значению диаметра раковины порядка 25% от соответствующего размера слитка. Для малоуглеродистых сталэй большее выделение гвэрдой фазы происходит ближе к температуре ликвидус, двухфазная область■получает меньшее развитие. Пэ окончании затвердевания етенки усадочной раковины относительно ровные, с выступающими дендритами металла, ' величина которых не превышает 6.. .10 мм. Для высскоугдеродистых сталей выделение твердой фазы белее разномерно распределено з интервале затве; ;евания, имеющем акачмгвяькоз развитие, что приводит к образован".") усадочной раковины, заполненной друзами металла и представляю^ о собой сплошную зону усадочной рыхлости. Заков таких дефектов затруднителен.

Изменение температурного резшш отливки незначительно влияет • ка размеры дефектной области в сдвоенных слитках. Увеличение перегрева способствует образованию моста плотного металла под прибылью.

Путем математического моделирования затвердевания слитка исследовалось влияние па относительные размеры зон усадочных дефект тез а рьэличзпа сочснкях слитга следующих фага^ров: отношения высот!.' ептга ч сродному диаметру; отноиения тсси верхней част» елнт1С). к ••пссо нп.тзюл части; относительной высоты прибыли ( рис. 3).

Увеличение Н/Д слитка начиная с некоторого значения, определяемого точкой пересечения кривой 1 с горизонтальной осью координат, приводит к возрастанию величины диаметра раковины в подпри-быльком горизонте. Затвердевание слитков с Н/Д меньше указанного значения происходит с образованием подприбыльного моста. При этом металла в прибыли достаточно для питания усадки до момента смыкания фронтов затвердевания в верхнем сечении слитка

Увеличение отношения масс верхней и нижней частей слитка приводит к сдвигу кривой 1 вправо, что эквивалентно уменьшению диаметра раковины под прибылью для заданного значени'- Н/Д слитка.

Для слитков с малым относительным объемом п; :были диаметр раковины в подприбшьном горизонте при всех значениях Н/Д слитка

J

Влияние химического состаг а на поперечные размеры усадочной раковины :• теле слитка

V!

а о

и

о ее

30

20

10

л

ф

05

о

Ъ

ф р.

О

с

л

г

Е-

X

о

30

20

10

плотный.металл пористость

рыхлость

раковина

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Содержание углерода б процентах

Рис. Я

а - максимальные размеры дефектных вон в среднем сечении,

б - максимальные размеры дефектных зон в подпри-бьи.^ном сечении.

' Влияние формы слитка и отношения Н/Д на размеры зон усадочных дефектов

<и к ь

и о ь ы

Iв §

о

9

о >»

ё о

га &

ш

в а

3,0 4,0 5,0 6,а. 7,0

Отношение высоты слитка к среднему диаметру Рис.3.

Отношение массы верхней част слитка к нижней: а) 0,73 б) 1,0 вУ 1,37.

Кривая I- диаметр раковины в поцприбылыюм сечении

2- диаметр раковины в среднем сечении

3- диаметр пористости в среднем сечении.

больше диаметра раковины в среднем оечении тела. При достаточной объеме прибыли при значениях И/Д елктка меньше определенной величины образуется мост под прибылью, а в средних горизонтах тела, соответствующих максимальным размерам поперечного сечения - усадочная рыхлость.

Поскольку диаметр дефектной ионы в подприбьшы.-м сечении слитка может достигать значительной величины, определялись условия, позволяющие снилать значена поперечных размеров раковины в указанной сечении.

• Геометрические параметры литейной оснастки не в равной степени влияют на формирование усадочных дефектов. Предварительные расчеты показали, что размеры раковины практически не зависят от Форш нижней части слитка. Нгл?,ольшее влияние на усадку оказывает размеры и объем прибыли, кото/ае в свою очередь зависят от величины верхнего диаметра слитгл.

-Формирование усадочной раковины происходит в условиях дефицита питающего металла прибили, ввиду малого относительного объе-0 иа последней. Наиболее благоприятными условиями компенсации усадки будут такие, при которых жидкого металла прибыли достаточно для формирования подприбыльного моста Образующийся небольшой по относительному объему остаток жидкого металла в теле слитка затвердевает с образованием узкой усадочной раковины. Напротив, малый объем прибыли приводит к большому диаметру усадочной полости в верхней части слитка.

Наибольшее влияние на размеры усадочной раковины в теле сдвоенного прибыльного слитка оказывает соотношение объемов прибыли и тела, а такдэ высота прибыли. Размеры прибыда зависят от верхнего диаметра слитка, определяемого его обшрй геометрией. По результатам экспериментов получена регрессионная зависимость диаметра раковины в верхнем сечении тела слитка от содержания углерода в стали, а тагавэ относительного объема и высоты прйб:ш» зараженных черев безразмерные параметры слитка. Данная зависимость позволяет определять условия образования подприбыльного моста и максимальные размеры раковины в сдвоенных слитках по педшгэтрам литейной оьодстки; используемой на предприятии.

Для беей^чбыдьных сдвоенных слитков научалось влияние геометрии слитка на изложение сечения (расстояние от верхнего торца) , ню» которого диаметр раморшш не превышает заданного, что необходимо гда определения годной для ковки части слитка. IIa ука-

ванный размер влияет относительный объем верхней чаоти сдвоенного слитка, а такла условия теплообмена с окружающей средой. Путем интенсификации теплоотдачи от верхней половины слитка достигается сужение усадочной раковины, а значит увеличение годной длл ковки части слитка,

Одним из способов управления развитием усадочных дефектов в слитках является организация переменного по высоте теплоотвода от поверхности слитка При этом наиболее предпочтительной является технология, обеспечивающая создание более интенсивного теплоотво-да, так как сокращается время затвердевания слитка, а следовательно и химическая неоднородность. В производственных условиях интенсификация теплоотвода осуществлялась за счет раннего снятия верхней полуформы при отливке удлиненного сдвоенного слитка

В опытном слитке максимальный диаметр усадочной раковины в годной части (ниже 1/7 высоты) уменьшился на 30 L Таким образом, слиток с дифференцированным теплоотводом может J-ыть использован для изделий с более узким осевым каналом.

Качество металла поковок определяется особенностями горячей пластической деформации. При этом весьма важную роль играет ка- ' чество исходного металла и степень деформации, обеспечивающая, уровень механических свойств поковки.

В процессе ковки удлиненных сдвоенных слитков происходит уменьшение размеров осевой зоны усадочных дефектов. Однако полного заваривания усадочной раковины, имеющей развитую поверхность, ' достичь не удается.- Размеры о.йтаточной дефектной области по оси поковки определяются начальным распределением усадочных пороков в слитке и величиной укова.

Исследование структуры сдвоенных слитков позволило выделить точечные дефекты, в виде пористости, зону рыхлости и собственно полость раковины. Замкнутые поры, имеющие небольшие относительные размеры заковываются и свариваются при ковке. Дня этого достаточны величины укова порядка 2,0...2,5. Шлость раковины, свободная от твердого металла также интенсивно уменьшается в размерах в . процессе ковки. 1Ьд; ¡шрование ковки свинцивых заготовок с осевым отверстием показало, что относительное изменение диаметра полости равно относительному изменению диаметра заготовки в четвертой степени (б). В наименьшей степени изменяются размеры зоны рыхлости, вследствие малой доли пустоты и развитой окисленной поверхности. В принятой модели вакова дефектной облает:• (выражения 6,7)v .

даиивя вока умоныпаетоя в процеоое ковки пропорционально укову.

^ п.

где - диаметры исходной и конечной заготовок;

с1р0,<Ар ~ диаметры усадочной полости до и после прокова;

I1а<> с1п - диаметры воны рыхлости в исходной и конечной ааго^ товках.

Для исследования закова усадочных дефектов при ковке были отлиты пять сдвоенных прибыльных слитков массой 9,98 т из стали 38Х2К2МА.

Влияние величины укева на свойства металла изучали на четырех ступенчатых поковках, которые были откованы из верхней половины слитка с таким расчетом, чтобы в каждом из 4-х сечений были одни и те я® величины учовов: 2,6; 4,0; 6,0; 9,6. Пятый слиток предназначался для изучении геометрических параметров усадочной раковины, для чего был разрушен вдоль оси при помощи взрыва.

Исследование макроструктуры дисков, вырезанных из ступенчатых поковок, а также излома дисков показало, что при всех степенях укова в рассматриваемых сечениях слитка имеются следы дефектов усадочного происхоадения, что свидетельстгует о недостаточной проработке металла центральной зоны слитка.

йлсовки, полученные из слоенных сдитгов отличаются' большой однородностью прочностных характеристик металла, как по сечению, так и по длине ваготовки. Однородность механических характеристик поковок позволяет значительно >простить процесс их термообработки за счет исключения необходимости нагрева концов ваготовки на равную температуру.

Проведенные исследования и полученные результаты позволили сформулировать основные рекомендации „о применению сдвоенных слитков и разработке технологии ковки ив этих- "слитков. Верхняя часть слитка (со стороны прибыли) для производства деталей сплошного сечения непригодна из-за невозможности закова дефектов усадочного происхождения. Для получения поковок высокого качества с обеспрчением требуемого уровня механических свойств минимальную величину укова по сечению основного тела поковки следует назначать не менее 2,4.

Расширение номенклатуры и типов кузнечных слитков приводит к необходимости в процессе выбора слитка для поковки учитывать ле-

только его массу, но также форму и внутреннее строение.

Разработанный алгоритм позволяет осуществлять выбор слитка оптимального по сеоим весовым и геометрическим параметрам применительно к поковкам различного типа.

Типы слитков различаются по своему применению и имеют боль-. тую или меньшую универсальность. Наиболее широко используются нормальные прибыльные слитки, которые пригодны для- изготовления различных видов поковок. Выбор такого слитка производится из условия соответствия массы слитка массе поковки.

Использование бесприбыльных слитков, отливаемых как в обычную, так и составную изложницу, а также прибыльных сдвоенных слитков ограничено только поковками для -полых изделий. При выборе слитка необходимо учитывать условия удаления в отход дефектной части слитка и его диаметр, который должен быть больше величины, определяемой минимально допустимым уковои. 1—бор ступенчатых слитков производится для поковок с более чем о.-гай ступенью. При этом проверяется возможность компоновки ступеней локовки по ступеням слитка.

Таким образом, наличие определенных характерных признаков у ' поковки определяет алгоритм выбора слитка, который включает:

1) выбор слитка для поковки без отверстия;

2) выбор гладкого слитка для поковки с отверстием;

3) выбор ступенчатого слитка для ступенчатой поковки с отверстием.

Выбранный слиток отвечает следующим условиям: минимальной массе и трудоемкости ковки» ограничениям по величине отходов, мл-нинимально допустимому укову» .удаляемоети в отход.дефектной осевой зоны.

Разработка системы, позволяющей автоматизировать проектирование всего цикла металлургического производства от получения слитка до поковки, осуществлена на ПО "Баррикады". Данная система в качестве подсистем включает моделирование кристаллизации слит--ка, автоматизированное проектирование поковки, выбор оптимального слитка, проектирован*"* технологии ковки.

Результатом освоения разработанной системы было внедрение на ПО "Баррикад: 1 ряда технологий получения поковок из слитков измененной геометрии.

Для ковки полых заготовок был выбран бесприбшгь'п-Я сдвоенный слиток. При этом количество поковок, получаемых из нового слитка,

как правило, вдвое превышало чкс-ло поковок, откованных из традиционного прибыльного слитка, что сокращает трудоемкость и время ковки.

Для ковки сплошных заготовок, <ш которых наготавливается полые изделия, как правило, выбирается прибыльный сдвоенный слиток. Цри этом возможны две схемы ковкк из одного слитка, предварительно разрубленного, изготавливают две поковки; из одного слитка изготавливают одну длинномерную поковку.

Ступенчатый слиток выбира5зя для ковки длинномерных заготовок, имеющих различный диаметр <х> концам. К таким изделиям относятся валы, водила, дорны, д.:йдвудные трубы и т.д. Необходимые требованиям к использованию ступенчатого слитка для изготовлении заготовок является наличие в г>-й сквозной или глухой полости. При проектировании ковки ванты-4 выбирается слиток с узкой шш широкой верхней частью тела, (.ответственно тому - в узкой шш широкой части заготовки имеется отверстие. Если отверстие или полость большого диаметра, слиток отливается бесприбыльным.

Механические свойства поковок удовлетворяют требованиям действующей нормативно-технической документации как по пластическим,, так и по прочностным характеристикам.

ВЫВОДЫ

1. Предложены критерии, позволяйте оптимизировать процесс _ изготовления поковки из слитков различной конфигурации ке только по массе получаемых при атом отходов, но и трудоемкости ковки. Условия обеспечения качества поковки сформулированы с учетом массы- выбираемого слитка, его формы и внутреннего строения, что особенно важно при использовании технологии получения сдвоенных слитков, отливаемых е составную из двух полуформ изяониицу.

2. В результате экспериментального исследования ядакззнах сдвоенных ступентатых слитков предложены механизмы образования основных структурных зон, исследованы их параметры; Установлено, что наибольшее влияние геометрия слитка оказывает на строение осевой зоны, характер и распределение усадочных дефектов. В зоне усадки выделена грм характерных участка: полости раковины, рыхлости и точечной 'ЕсДжстост

Выявлена связь параметрами двухфазной зоны и строением усадочной раковины в тел^ сдвоенного слитка. Закон выделения

твердой Ф&8Ы в интервале затвердевания и связанные с ним размеры и расположение участка питания в двухфазной области определяют распределение усадочных дефектов по сечению слитка.

3. Установлено, что химическая неоднородность слитка уменьшается с увеличением отношения высоты к приведенному диаметру. Вследствие большей скорости затвердевания удлиненного слитка меньшее развитие получает положительная ликвация. С увеличением массы слитка разница в химической неоднородности удлиненного и нормального слитка возрастает. Для крупных слитов удлиненной формы химическая неоднородность снижается в 1,4 раза.

4. Показано влияние геометрии удлиненного сдвоенного слитка на отличное от нормального прибыльного сдитка распределение неметаллических включений. В сдвоенных слитках максимальное содержание неметаллических включений приходится на среднюю по высоте часть в месте максимального развития физической 'еоднородности.

5. Величина и расположение максимального уиаметра усадочной раковины в теле сдвоенного слитка зависит от тип и. размеров головной части и определяют годную для ковки часть слитка. Максимальное использование тела литой заготовки достигается при ковке • прибыльных сдвоенных слитков. В бесприбыльных слитгах величина части тела, в которой усадочная раковина имеет недопустимо большой диаметр, не превышает 16 X от общей высоты.

6. Математическая модель затвердевания слитка, разработанная на основе квазиравновесной теории двухфазной зоны, адаптирована для расчета усадочных дефектов в сдвоенных ели ках. Настройка модели осуществлялась по результатам натурных экспериментов.

7. По результатам моделирования установлено, что с уменьшением скорости затвердевания и снижением связанного с ней темпа выделения вердой фазы в объеме слитка повышается вероятность образования подприбыльного моста, предотвращающего от значительного окисления вторичную усадочную раковину в прибыльных сдвоенных слитках.

3. Установлено, что относительные размеры усадочной раковины в прибыльных слитках зависят прежде всего от параметров слитка, определяющих относительный объем прибыли. В прибыльных слитках, отливаемых в литейную оснастку для нормальных слитков, максимальный относительный диаметр усадочной дефектной зоны в теле не превышает 25 X.

Ускоренное затвердевание верхней части слитка -ри организа-

ции дифференцированного теплоотвода по высоте сдвоенного слитка, осуществляемого путем раннего снятия верхней излоиницы, уменьшает поперечные размеры усадочной раковилы.

0. Разработана математическая модель закова усадочной раковины, позволявшая прогнозировать изменение размеров дефектной зоны слитка при ковке.

10. Разработаны алгоритм и автоматизированная система выбора кузнечного слитка с учетом его формы к внутреннего строения для поковок различного класса.

Освоение автоматизированной системы позволило внедрить в " производство технологии получения поковок различного класса из слитков измененной геометрии. Производством освоены новые типы литых заготовок, что дало возможность при парке изложниц в 45 единиц увеличить число слитксг. до нескольких тысяч без увеличения количества литейной оснастки. Это обеспечило выбор оптимального ' по весу и конфигурации слитка для кузнечных заготовок любой формы.

Внедрение сдвоенных слитков позволило снизить неоднородость механических свойств длинномерных поковок в 1,3..ЛА раза, расход металла на поковку на 8 X. Годовой экономический эффект .составил 233,63 тыс. руб.

Основное содержание работы и результаты исследований отраме-ны в следующих публикациях:

1. Кулешов ЕИ. , Марыльцев А.П., ЗКульев С;И. Применение информационно-поисковой системы для' выбора кузнечного слитка. // Кристаллизация. Теория и эксперимент. Мэивуз. сбор. науч. трудов. -Ижевск. -1987, с. 57-63.

2. Жульев С. И.. Кулешов Е И.. Сергеев Е И. Алгоритм выбора слитка" и рационального размещения поковш. //Проблемы промышленной кристаллизации и компьютерное моделирование металлургических технологий. Тезисы докладов. -Ижевск. -1988,с. 23-25.

. 3. ЗКульев С.И.. Кулешов ЕЙ., Сергеев Ей. и др. Производственный опыт использования расчёта кристаллизации стальных слитков. // Передовой опыт производства стали, ее внепечной обработки, разливки в слитки и получения кузнечных заготовок. Тезисы докладов. - Волгоград.-1089,с. 9-10.

4. Кулеыов ЕЙ.', Иакало А.Е , Жульев С.И., и др. Испольвова-ние зависимостей закова усадочных дефектов при автоматизированном

выборе слитка. // Передовой опыт производства стали, ее внепечной обработки, раз/чвки в слитки и получения кузнечных заготовок. Тезисы докладов. - Волгоград. -1939,с. 18-19.

5. Жульев С. И., Кулешов Е И., Сергеев Е И. Автоматиз'.фован-ный выбор слитка для поковок.// Передовой опыт. - 1939.- N 1, с. 30-32.

6. Пакало А. Е , Жульев С. И., Кулешов Е И. Концепту?льная модель САПР технологии ковки на АКК.// Совершенствование •металлургической технологии в машиностроении. Тезисы докладов. -Волгоград.-1990, с. 156-160.

7. Сергеев В. И. •, Жульев С. И., Кулешов Я. И. Исследование сдвоенных ступенчатых слитков. // Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов. Сбор. науч. трудов. Часть 2. -Волгоград. - 1990,с. 139-141.

8. . Пакало А. Е , Жульев С. Л , Кулешов Е И. и др. Концептуальная модель подсистемы выбора слитка в САПР -веки поковок. // Совершенствование металлургической технологии : машностроении. Тезисы докладов. - Волгоград. - 1991, с. 139-142.

9. Жульев С. И., Кулешов Е И., Петунии А. К1 и др. А. С. 1586849 (СССР) Кузнечный слиток. Бюллетень .N ,с. .

№