автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка технологии повышения качества слитков и отливок пульсационным перемешиванием их жидкой фазы при затвердевании

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УССР

ДОНЕЦКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи (,

/ ПИЛЬГУК Сергей Владимирович /¡л

7 /К;/

/ /'

с

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СЛИТКОВ И ОТЛИВОК ПУЛЬСАЦИОННЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ ИХ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ИРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ

Специальность 05.16.02 — «Металлургия черных металлов»

Л

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ДОНЕЦК - «991

Работа" шгголнена в Донецком ордена Трудового Красной Знамени политехническом институте.

Научные руководители: доктор технических наук профессор Пилюшенко В. Л.; кандидат технических наук, доцен-Троянский А. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Дуб В. С.; кандидат технических наук Остапенко В. П

Ведущее предприятие: ПО «Баррикады» (г. Волго град).

Защита состоится ........... 1991 г. в ауд. 351;

рованного совета Д 0G8.20.01 в Донецком ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте.

Адрес: 340000, г. Донецк, ул. Артема, 58.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донецкого политехнического института.

пятого учебного корпуса в

часов на заседании опециализи

Автореферат разослан «.../■£?...»

1991 г.

Ученый секретарь специализированного совет кандидат технических нщ

ООщяя характеристика работа

Р.'ФШ- Развитие современного меиштсгроения ичч г > пути укрупнения агрегатов, их отдельных узлов и детаТ'П. Д.т 1Готовления таких деталей необходима отливки большой массы, крупные сверхкрупные слитки. При этом простое перенесение изустных апологических решений в новие условия не гзрантирут получение «делий с зядзтшки служебными свойства!.™.

Тенденция развития современного процесса получения качественного •эльного литья и слитков направлены на широкое приплетшие методов ¡аличных воздействий, позволяющих ослабить или предотвратите-»гативнче проявлетшя, связанны" с увеличением массы получаемых далий. При этом наибольшее развитие имеют метода воздействия на «вердевзющий металл. Однако, многообразные существующие метода зздействия не позволяют эффективно их использовать на стадии тевердевания металла, то есть той стадии получения заготовки, во мня которой формируется основная часть дефектов, влиякщих на зойства готового изделия (неисправимых в дальнейшем). Поэтому эзработка эффективных, методов воздействия на затвердевающий расплав зляется актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение.

. Разработка и исследование способа повышения ачестЕз металла слитков и отливок путем перемешивания зтвердеващяго расплава пульсирующей затопленной струей.

Ндцчпая__хсбиэна. На основании результатов экспериментов на

ЗЗИЧ9СКОЙ модели предложен механизм влияния иульсируицей этоплвнной струи на процесса формирования структура слитков и гливок. Представлена математическая модель для определения спектра эбс.венных колебаний в многоприбыльных отливках для системы трибыль - прибыль", позволяющая рассчитывать основные эхнологические параметры пульсанионной обработки и, в частности, эгтоты вынуждающего воздействия. Разработан и реализован в рошшлешшх условиях метод пульсационного перемешивангч перемешивания пульсирующей затопленной струей) жидкой фазы атвердеващего металла слитков и отливок. Разработана технология мучения отливок с уменьшенными прибыльными частями, включающая ульсэционное перемешивание расплава.

способ обработки прибылей крупных стальных отливок пульсирующей атопленной струей;

механизм влияния пульсирующей «атопленной -труп на процесс армирования структуры слитков а отливок;

таоритичаские основы определения частоты собственных колебани в систанах с несколькими степенями свобода, позволяющие рассчитыват рабочие параметра пудьсациониой обработки прибылей многолрибыльны отливок;

осносц промышленной технологии получения крупных стальнн отливок с использованием метода пульсационшго перемешивания;

конструкции устройств для пульсационной обработки сталъны: отливок и слитков.

Предложен способ реализации технологи получения крупных отливок с уменьшенными прибыльными частями < использованием пульсационнога перемешивания жидкой фаз! затвердевающего металла. Новая технология внедрена в сталелитейнм цахе завода "Энэргомашспецсталь" (г.Краматорск), что позволил! сократить высоту прибыльных частей отливок и среднем на 10-15%. Эт« соответствует снижению расхода металла на 36-54 кг/г стали. Использование этой технологии дало экономический аффект в размере 33,4 тис. руб. при объема обработанного металла 1в49 т.

Разработанная технология может бить использована в любоь сталеплавильном или литейном цехе, производящем крупные кузнечные слитки или стальные отливки с открытыми прибылями, не требует значительных: затрат и дефицитных материалов, нэ нарушает обычногс технологического цикла разливки металла.

^Ф^ЗУЩ-ШШЗУ- Материалы диссертации доложены и обсуждены н£ X Всесоюзной конференции по проблемам стального слитка (Мариуполь, 1Э87г.), Всесоюзной научно-технической конференции молодых металлургов-исследователей (Донецк, 1987г.), зональном семинаре "Современное оборудование и технология шавки, внепечной обработки и заливки чугуна" (Пенза, 1987г.), отраслевой молодежной научно-технической кон^ревдм "Научно-технический прогресс в производстве ферросплавов и электростали" (Челябинск, ,1988г.), республиканском семинаре "Прохрвссиаше способы плавки литейных сплавов" (Киев, 1989!.), межреспубликанской конференции по вопросам производства стали, ее внепечной обработки и разливки в слитки" (Волгоград, 1989г.), 1-й Всесоюзной научно-технической конференции ,"Совершенствование металлургической технологии в машиностроении" (Волгоград, 1989г.), XI Всесоюзной конференции по проблемам слитка (Волгоград, 1990г.).

Пцбдишуии. Основное содержание диссертации отражено в 17 печатных работах.

ййШёЛ^ЯШ' Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, спинка литературы (124 наименования), 3 приложений, Работа излсжнна

197 страницах, включая 38 pncyimoB и 15 таблиц. *

0Ш?ваз_2да6п посвяшеня анализу современного сосгогптя иробл^«! вншвнмя качества и выхода годного металла при производств" крупных алышх отливок и кугнечннх слитков. Отмечено, чгэ пвразсглпю •льшинствз дефектов в металле связано с разгитп°и кочврютшг токов п процессе заттрдевзния.

Анализ технологических режимов полумиля кругпшх отлигчс и знечных слитков показывает, что в настоящем время оиклч'ыэ хнологические парамотрн разливки стабилизировались на оптииплышх ачениях. Дальнейший поиск рациоиалышх рыюшов раздапкн ярлпотсл ¡лоэффективним, носит ограниченный характер, что и првдопрол^-пи.''" >ивлечени8 дополнительных методов, влияющих на формировали« о глинок слитков.

Использование различных методов, оказиваотда воздействие h-i 1Мвнвнив характера течения или подавленно конвективных потоков, жет весьма существенно повлиять на структуру металла. Одновременно подавлением конвективных потоков дополнительное воздействии нч 1тпврдеващий металл должно оказывать влияние на усреднение мического состава металла и химическую ликвации, особенно гачительно проявляющуюся в крупных отливках и слитках.

В результате проведанная сравнительной оценки эффективности ¡зличных способов управления птвордевэнием слитков и отливок жэзано, что известные способы воздействия на зэтвпрдевэщиЯ металл зязаш с организацией теплоотвода в литейной форме или излокгаце I' зрвмешиванием жидкой фазы металла. При этом Оолшинство способов вдет ограниченную область применения либо связаны с необходимостью зготовления или приобретения сложного и дорогостоящего 5о1"/доваш1я. В связи с этим для повышения качества крупных отливок кузнечных слитков и увеличения выхода годного предлагается метод (Гльсационного перемешивания металла, известии!! также под названием гдаллйрования или газоимггульсной обработки, а за рубеком как i-процесс (Pulsating Wising Process). Этот метод является Мвктивням и простым в отношения аппаратурного обеспечения, зрактеризувтся большой технологической гибкостью.

Сущность гпоцесса пулъсационного перемвЕГвашш заключается в эриодическом вытеснении расплава из погруженной в него колонна. При гом давление газа, обеспечивающего вытеснение расплава, зтаиввливается таким образом, чтобы не допустить его выхода из-под лзкнего среза колонны. На рис Л приведена схема, отражающая наиболее зрактерные стадия пулъсационного перемешивания: момент выталкивания эсплава из колонны и момент последующего ее заполнения.

В настоящем исследовании ставились следующие задачи: проведение лабораторных и теоретических иследований по оценке влияния основных параметров 'пульсационного перемешивания не формирование усадочных дефектов и структурах зон в затвердевавдек металла;

разработка конструкции установки для осуществлен!« перемешивания в прибылях, оценка влияния материала пульсационно! колонки и рабочего газа на качество металла;

исследование и разработка вариантов технологических схе» обработки слитков и отливок.

В<2_вм0Б0й_глаАе представлены методика и основше результат! исследований влияния пульсационного воздействия на расплав с гомощы физических и математических моделей. Бри установлении критериальны] зависимостей (критериев подобия), позволяющих переносить полученные при физическом моделировании результаты на реальный объект, учитыва! сложность одновременного моделирования тепло- и массообмена пр! пульсационноы воздействии на расплав, было решено провести поэтапно! изучение этих процессов.

Первый этап характеризовался тем, что его основной целы явилось определение скорости и направления потоков в различны: точках "расплава". Выбор критериев подобия осуществлялся ш основании сценки их значимости по численным значениям. Таким образо» существенными при гидродинамическом моделировании были признак критерии Фруда (ВТ) и гомохронности (Но).

На основании идентичности критерия Фруда и линейном масштабе 1:3 определялся масштаб скоростей, а исходя из идентичности критерю гомохронности - временной- масштаб. В качестве моделируицвй жадкосп использовалась Еода.

В результате проведения экспериментов в объема "расплава" подвергаемого пульсационному перемешиванию, установлено наличие нескольких зон, связанных с особенностями движения расплава (см рис.1). Наиболее важным результатом является то, что пульсационное воздействие полностью подавляет естественные конвективные потоки.

На втором этапе исследований на физических моделях изучалои влияние пульсационного перенашивают на процессы затвердевания После изучения условий подобия ига моделировали процессо] затвердевания были выделены следуицие критерии: Фурье (Уо), Био (В1 . и фазового перехода (Н).

Так как самостоятельное соблюдение критерия фазового переход невозможно, на Практике используется комплекс В1Н. коштенсиру условиями теплоотвода разньду а физических парэметрвг.

б

В качестве Модельного вещества использовался тиосулнИт натрия-, и алюминий. Геометрический масштаб бил равен 1:20, временной масштаб рассчитывался исходя из идентичности критерия Фурье (Ро=Мет), а компенсация разницы в "физических параметрах стали и модельного Еещества осуществлялась за счет регулирования условий теплоотвода ля условия В1И=1(1еп1.

Моделирование при помощи тиосульфата натрия осуществлялась нз плоской модели,имеющей две прозрачные стенки. Эксперименты проводили с использованием пульсационннх колонн разных диаметров, с различной глубиной погружения и частотой подачи импульсов в колонну, а также с различной длительностью обработки.

В отличие от затвердевания без использования методов внешних воздействий для процесса с перемешиванием пульсирующей затопленной струей характерны следующие четко выраженные этапы:

а) образование на начальном этапе в большом количестве твердых кристаллов (от 0 до 0,05 общего времени затвердевания);

0) укрупнение образовавшихся кристаллов и их оседание в донную часть (0,05...О,25 общего времени затвердевания);

Е) прекращение образования в рзсплзва ТЕэрднх частиц, зарастание канала пульсационной колония.

В результате проведенных исследований было установлено, что источником твердых частиц являютг; погруженная в расплав колонна и свободная поверхность расплава. Наличие перемешивания препятствует образованию твердой корочки на зеркале "металла" и способствует увеличению вертикальной скорости продвижения фронта затвердевания.' Отмечено уменьшение времени затвердевания на 5-7%.

Проверку рекомендуемых для промышленных экспериментов режимов пре/чарительно осуществили с помощью "горячего" моделирования на алюминии и его сплавах. Установлено, что в опытных слитках помимо уменьшения глубины усадочной раковины наблюдается измельчение зерна. В целом подтверждена корректность результатов, полученных при "холодном" моделировании.

На основании анализа данных, полученных в ходе физического моделирования, предложен наиболее вероятный механизм пульсационного воздействия. 00; ззоваше зародышей происходит кз границе раздела фаз. Перемешивание расплава приводит к более быстрому снятию перегрева во всем объеме. При этом более крупные частицы опускаются вниз, а мелкие вместе с восходящими потоками еыносягся в прибыль. Учитывая тот факт, что частицы могут рвсти в расплаве, переохлввденном больше, чем эта частицы, и то, что те~лота криста-пизации выделяется непосредственно в окружающий расплав, в прибыльной части (где

коыцонтрация' частиц максимальна) может бить достигнуто такое изменбниэ температурного градиента, при котором тепловая работа прибили улучшится. Там самим создаются необходимые предпосылки для уменьшения глубина усадочной раковины.

Исследование процесса затвердевания при различных технологических режимах пульсационного перемешивания показало, что наибольшая эффективность достигается при выбсре частоты внешнего воздействия (в данном случае - частоте пульсаций газа в колонне) близкой к частоте собственных колебаний система. Таким образом, для эффективного влияния на процесс формирования слитка или отливки необходимо знать частоты собственных колебаний расплава в системе. Для одиоприбильшх отливок и слитков собственная частота в системе "колонна - прибыль" легко определяется по'известной формуле":

™ «"Я т*^3

'Ъ .

В отливке с Н прибылями расплав представляет колебательную систему с Н-1 степенями свободы. Следовательно, эта система имеет 1=Н-1 собственных частот. Каждому значению частоты колебаний соответствует определенное соотношение между амплитудами колебаний различных частей (для отливки - амплитуда перемещения мениска расплава в прибылях). Колебание системы с одной из собственных частот и соответствующими ей соотношениями амплитуд составляют так называемую моду. Информация о распределении амплитуд для мода позволяет решить вопрос о способе возбуждения этой мода (т.е. количестве пульсационных колонн и их расположении в прибылях).

Для нахождения мод расплава многоприбыльной отливки составлялся лаграшшан (в предположении идеальности жидкости) и на основа уравнений Лаграшка П рода была получена система дифференциальных уравнений:

5 аА+«(1+Б->х+|- 5 ХД=°

N N N N 4 '

................................................(I:

где Ь* - а|фективная длина канала

- площадь мениска расплава в прибыли ;!;

X. - смещение Мениска от равновесного положения.

♦

Ефименко С.П., Пилш9"чо В.Д., Смирнов А.Н. Пульсационнов не рэмешиввние металлургических расплавов.~М.¡Металлургий.-198Э.-168 с

Решение этой системы определялось в виде:

х^А в1п «г. (?)

Подставляя (Я) п (I), можно получить систему алгебраически*

равнений:

S „ S . g-I.V i

[g(Hsi)-(b, tfW и,J S,V°

..........................!3)

--¡F- IV^s^s^-^s-O"'

i = '

В частности, для система с 3-мя поеледовательгаш! прибылями динэкового сечения менисков (Si=Sj=S3, L^L^L, ч<1)

:о луч э но:

мода I: х =А ein w t,

1 у L +L •

х3=-А sin i^t; мода 2: А в1п

х„=-2А ein я t,

1 3

В общем случае для решения системы (3) необходимо применять лзслэ1ШП9 метода.

Таким образом, на моделях показано, что применение еульсационного перемешивания позволяет подавить естественную гонвекцию, интенсифицирует тепломассообмен, в результате чего тролсходит обильнов зародашеобразование и ускорение процесса »атвердевания. Предварительный расчет спектра частот собственных колебаний в отливках с несколькими прибылями позволяет точно определять рабочие параметры обработки (частоту обработки * и глубину погрушния трубки 1<).

£_ящ?ьей_г.1д6е приведены результаты экспериментальных доследований процесса формирования кузнечика слитков при тульсационном воздействии? Эксперименты провгцились на кузнечных злиткэх массой 25-45 тонн с использованием опытно-промышленной установки, разработанной применительно к требованиям существующей Гбхяологиии производства слитков. Основной целью проводимых исследований являлась отработка технологических режимов

В выполнек.д работы в качестве научного консультанта принимал участие доцент, канд. техн. наук Смирнов А.Н.

пульсациошюга воздайствия, нозьолямциш получить слиток о повышенными показателями фнзическо-химической однородности при одновременном увеличении ьихода годного аа счет снижения масси прибили ( а также разработка и проверка работоспособности конструкции установки для пульсационной обработки слитков. При атом вибор на пьрвсм зтапе в качестве объекта исследований кузнечных слитков позволил уменьшить количество промшленш", экспериментов и трудоемкость последуицих исследований. Вмес:е с тем, результаты, полученные при анализа качества слитков, в дальнейшем били использованы при отработке технологии яульсацшшюго перемешивания отливок, в особенности одноприбилышх. Изучение влияния пульсациошюго перемешивания ьа затвердевающий расплав осуществлялось на продольных осевых темцлетах из головных частей слитков.

В качестве пульсационной колонны использовался защитный стакан из графитошамота (содержание углерода не более 23$, БЮ2 - не более ЗШ с внутренним диаметром 150 ш, показавший удовлетворительную стойкость в ходе экспериментов. Глубина погружения трубы изменялась в пределах 0,3-0,7 и, влияние частоты воздействия исследовалось по ее отношению к частоте собственных колебаний в системе "колонна -прибыль" и ЕарьироЕалась ь интервале 0,3...1,15 этого отношения. Момент начала пульсационной обработки лимитировался образованием твердой корочки на зеркале металла, а длительность - замерзанием внутреннего канала огнеупорной трубы. В ходе экспериментов длительность обработки достигала 0,3 полного врьмани аатЕардевания. Оптимальной с точки зрения получения минимальной усадочной раковиш следует признать длительность обработки, на превышающую 0,2 полного времени затвердевания.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности повышения выхода годного при использовании пульсационной обработки на 5-5,5% от высоты слитка.

Анализ ыакрос1гукгурц осуществлялся на основании исследования томплетов посла глубокого травления и снятия серных отпечатков. Отмечены значительные изменения в размерах структурных зон. В результате , пульсациошюго перемешивания протяженность зоны столбчатых дендритов уменьшается на 30-50% за счет увеличения ионы равноосных кристаллов.

Более полная оценка влияния пульсациошюго перемешивания на затзердевание слитков была осуществлена на слитке стада 20ХН, отлитом в 36-тонну» изложницу. Одновременно был отлит сравшиелышй слиток. Учитывая получении ранее результаты по снижению глубины

¡адочной ряковтш, оба слитка били отлиты с недолгим д". ¡минального уровня 200-230 мм. Фактическая масса каждого слитка ¡ставила 34 т.

Анализ показал, что в опытном слитке величина зоны столбчатых металлов меньше (рис.2а). Кроме того, изменяется угол наклона равных осей дендритов. Угол наклона осей дондритов к оСразумаей мтка может служить косвенным показателем эффективности работы отбыли. При эффективной работе тепловой центр должон располагаться зк можно выше. Следовательно, зафиксированное изменение угла жлонз дендритов в сторону прибыли (см.рис.26) свидетельствуот об иучшении ее работы и смещении вверх теплового центра.

В зоне равноосных кристаллов оценивали размер макрогзерна. пвдувт отметить, что в зоне, затвердевшей в процессе пульепшюгаюго эздействия, площадь мвкрозерна в 1,3-1,7 раза меньше, чем в эответствующей зоне сравнительного слитка; в верхней части осевой энн опытного слитка площадь макрозерна меньше в 1,5-1,6 раза, аоброс величины площади макрозерна в опытном слитке составляет 20-200 мм1, а в сравнительном - 120 - 300 мм*.

Изучение серных отпечатков позволило установить, что в прибылях пытных слитков неравномерность распределения серы носит иной арактер, чем в сравнительных. Серные включения сосредоточены в ©игральной части прибыли, по пэр-метру усадочной раковины, в зона одусадочной ликвации. Отмечены также изменения в характере и места асположения скоплений серы в виде "усов": суммарная протяженность усов" в опытном слитке оказалась меньше, чем в сравнительном римерно в 1,2 раза, а угол наклона "усов" к оси слитка в среднем в ,3-1,5 раза больше для опытного слитка. Количество "усов" в опытном лиг:е в нижнем горизонта примерно в 2,5 рзза меньше, а в одприбылыюй части в 1,3 раза больше, чем в сравнительном. Начало 1элегзния "усов" смещено к оси слитка. Кроме того, "усы" полностью ^угствуют в слое металла, затвердевшем в процессе пульсационной |бработки слитка! Тем самым имеется реальная возможность управлять гроцессом формирования структуры слитка с заранее заданными местами 1асполо«вния дефектов..

В раеггредепнил углерода и серы в прибылях слитков наблюдается »проделанная закономерность. Из рис.3 видно, что изменения в ;одержании этих элек нтов могут характеризовать работу прибыли с 'очки зрения аккумуляции вредных примесей. На бззе дгнннх

Расчет местонахождения фронта затвердевания к концу обработай зсущоствлен методом конечных разностей и реализован на ПЭВМ типа IBM ^ AT.

химического шализа очинивалось суммарной содержание серы а теле и прибыли каждого из слитков. В результат») расчетов получено, что толы инытного слитка общее содержание серы уминьынпась на '!% Н] сншсирбменшм увеличении ее массы б прибыльной части. В наиболъш( стоПсЛН! уменьшение массы серы в теле опытного слитка достигнуто ; счет объемов металла, затвердевших зо время пульсациошкн воздействия и сразу после его окончания. В целом результат химического анализа свидетельствуют о повышении химическс однородности металла. Влияние материала трубки (в данном случае повышение содержание углерода) распространяется на области прилегавшую к трубке и на превышающую двух ее диаметров. В связи атим глубина погружения трубки должна составлять 0,4-0,6 высог; прибыли.

Физическую однородность металла оценивали путем визуально! осмотра осевых тбшлвюв и измерением плотности в различных зонах, слитках, подвергнутых пульсационной обработка не наблюдается осевс рыхлости и пористости. С точки зрения наименьшей глубины усадочнс раковины наибольшее влияние оказывает частота воздействия Установлено, что наилучший результат достигается при частотах близких или кратных частоте собственных колебаний в системе "труба прибыль". Определение собственной частоты с достаточной степень точности можно производить по формуле (4).

Результаты исследований процесса форлирозания кузнечшх слиткс под влиянием пульсзционного перемешивания положены в оснсе разработки технологи! производства крупных слитков применительно условиям Краматорского завода "Энергомашспацсталь".

Чет6еуяпя_гиаба посвящена вопросу использования пульсациошог перемешивания для обработки прибылей крупных стальных отливок Основная задача пульсацшнной обработки отливок заключалась улучшении условий их питания, повышении химической однородном металла, увеличении плотности в верхних горизонтах отливок.

Эксперименты, проведенные на слитках, подтвердил принципиальную возможность осуществления перемешивания и достикени положительного результата. Однако, различие в теплофизически параметрах, , изменения в условиях разливки и т.п. потребовал проведения исследований непосредственно на отливках. При это необходимо было выделить технологические особенности при обрвботк одно- и многоприбыльных отливок. С точки зрения соноставлени результатов именно многонрийцльннв отливки представляют наибольши интерес, т.к. условия формирования прибылей в них наиболее близк можпу согюй. Ь то же вром,> н многонрибылышх отливках существуй

возможность возбуждать взаимосогласованнии колебания микду прибылями, что отражается на технологии организации пу.пьоационной обработки.

В методическом отношении изучение влияния нульоациошюго перемешивания ни затвердевание отливок приводили также, как и для слитков. В связи с наличием у отливок одной или нескольких прибылой на процесс перемешивания существенное влияние оказывает частота подачи импульсов во внутреннюю полость колонны. При этом пульсирующая затопленная струя может производить перемешивание в одной прибыли, где установлена труба, либо в нескольких прибылях одновременно за счет возбуждения соответствующей мода.

Б ходе исследований на отливках корпусов турбин, имеющих от 4 до 8 прибылей, выявлено взаимодействия близлежащи прибылей при наличия трубки в одной из них. Значение частоты вынуждающего воздействия при этом было близко к рассчитанному в соответствии с формулой (5). В прибылях, распалоюннцк на значительном удалении от обрабатываемой прибыли, колебаний расплава не наблюдалось. Замеры глубины усадочной раковины показали, что в результате ггульоационного перемешивания она, как правило, снижается на 3-6% от высоты прибыльных частей отливок.

Изучение макроструктуры и серных отпьчатков показало, что шике усадочной раковины располагается зона подуоадочной ликвации. Размеры зоны в опытной прибыли с временем обработки равным 0,1 полного времени затвердевания близки к размерам зоны ликвации в сравнительной прибыли; в опытной прибыли, обработанной в течении 0,3 полного времени затвердевания область подуоадочной ликвации располагается вишь на 9-11% от высоты прибыльной части. Иод зоной ликвации располагаются поры: ■ в сравнительных прибылях - до нижней част«, в опытник ■• Еише нижнего среза прибыли на расстоянии Ш-15Х от высоты прибили. Таким образом, в данных условиях оптимальной следует признать длительность обработки, равную 0,25.. .0,:30 полного времени затвердевания.

Химический анализ проб металла, отобранных из различных горизонтов прибыльных частей отливок, свидетельствуй? о повышении химической однородности в наши горизонтах прибылей. По результатам химического анализа двух прибылей отливки корпуса туромш выполнен расчет суммарного количества серы л углерода, содержащих он в них. Расчет осуществлялся ло пробам, атоорашшм в осевых сечениях двух прибылей от одной отливки. Существо такой оценки заключалось в следующим: весь объем прибили отливки разбивали на ряд кольцевых обгыуч! (•>••» вращения совпадала о ,т >» прибыли), в центре сечения

которых находились соответствующие точки отбора проб (рис.4). Содержание элемента во всем таком кольцевом объеме принималось равным его содержанию в точке отбора пробы. Линиями, ограничивающими эти сечения, являлись прямые, проведенные, посередине между двумя соседними точками отбора проб.

Колебания содержания углерода и серы в объеме опытной прибыли отливки корпуса турбины К-130-160 относительно соответствующей пробы в сравнительной прибыли(Я) характеризуются следующими данными:

по оси 1/4Й 2/<Ж у кра

Углерод

послойно 109 87 105 80

от верха 100 120 III 100

к низу 121 122 119 112

прибили 126 127 106 112

Сера

послойно 80 100,- 93 116

от Еерха 91 87 85 100

к низу ' 100 100 108 116

прибыли еб 105 92 81

где Л - средний радиус прибыли.

Установлено, что в случае использования переменивши» максимальное количество серы приходится на верхние горизонта прибыли, в то время как в сравнительной прибыли содержание серь примерно одинаково во всех слоях прибыли.

Физическую однородность металла оценивали по плотност! образцо!, отобранных из нижних ча гей прибылей. Значенш плотности металла в опытных прибылях несколько выше, чем I сравнительных (разность значений плотностей из образцов металл! опытной и .сравнительной прибыли для отливки корпуса турбиш достигает 15 кг/ма). Причем, колебания значений плотности металла 1 опытной прчбыли несколько ш'же, чем в сравнительной.

Частота вынуждающего воздействия должна определяться исходя и: расчетных значений частоты в соответствии с формулами (4) и (5). Дл! многоприбыльных отливок при использовании числа трубок меньпи количества прибылей рекомендуется частота, рассчитываемая по формул (5). При установке пульсациогаюй колонны в каждой прибыли частот; подачи импульсов давления не должна совпадать с частотой рассчитанной то формуле (4). Глубина погружения колонны должна быт в пределах, установленных в рзнеэ спксзнннх исследованиях.

С учетом рассмотренных особенностей получения крупных сталыш отливок я не счанс-гланистих Фермах разработана технологи

14

роиаводства отливок с уменьшенными прибылями при использовании этода пуль с ациояного перемешивания ¡кидкой фазы металла в прибылях, римененив разработанной технологии на Краматорском заводе Энергомашспецсталь" дало ¡экономический аффект 33,4 тыс. руб. за «т снижения массы прибылей отливок и увеличения еыходэ годного.

вывода

1. На основании выполненного анализа сущаствущих эхнологических схем получения качественных крупных кузнечшх штков и стальных отливок показана целесообразность принудительного эремешивания металла в процессе его затвердевания для уменьшения зфектов кристаллизационного характера, а также для повышения выхода з дного.

2. Предложен новый способ обработки затвердевающего металла этодом пульсационного воздействия, -позволяющий активно влиять на эрмирование структуры слитка или отливки, химическую и физическую инородность металла.

Сущность процесса пульсационного перемешивания заключается в ¡риодаческом вытеснении рзсыава из огнеупорной трубы, погруженной прибыльную часть слитка или отливки.

3. Исследованиями на гидродинамической модели кузнечного слитка зтэновлено, что при пульсационном перемешивании массооСменныэ )токи имеют характер, противоположный течению потоков естественного жвективного движения, что обеспечивает подавление естественного жжения. Наибольшая эффективность пульсационного перемешивать в мтке достигается в резонансном реисиме, когда частота подачи юшних импульсов давления во внутреннюю полость пульсационной >лонны близка к частоте собственных колебаний жидкости в система голонна-изложница". При "таком режиме затраты энергии на-обработку и юход газа минимальны, а амплитуда колебаний максимальна.

Установлено, что в многоприбыльных отливках возможно 1аникновеше согласова)шых колебаний жидкости между соседними шбылями, что определяется собственной частотой колебаний жидкости системе "прибыль-прибыль".

4. На основании результатов экспериментов на физический моде.ни И'вердевания предложен механизм влияния пульсирующей затопленной руи на протекание процессов формирования структуры слитков и •ливок. Установлено, что пульсациошое перемешивание приводит к )зникноввнию в расплаве многочисленных цент]юв кристаллизации, 1теноифицирует процесс теплоотдачи, увеличивает скорость юдвикения Фронта затвердевания в вертикшгьном направлении. При

этом время затвердевают сокращается на 5-7%.

5. Предложено математическая модель, позволяющая определят спектр частот собственных колебаний в многштрибнлышх отливках дл системы "прибыль-прибыль". Расчетное значение собственной частоты системе является основой для определения частоты вынуждамцег воздействия. Экспериментальная проверка показало, что погрешност определения собственных частот не превышает Ь%.

6. На основании полученных результатов магематическог моделирования и данных лабораторных исследований разработав методика определения основных технологических параметре пульсяционлоП обработки расплава в прибылях отливок и слиткс применительно к условиям Краматорского завода "Энергомашспецстоль".

Проведены промышленные испыташм работоспособности отделыи узлов и всей установки в целом. Установлено, что расчетные величш рабочих параметров удовлетворительно согласуются с получения, экспериментальны®! данными.

7. Проведены промышленные эксперименты на кузнечных слитке массой 27,6-45 т. Исследованиями, выполненными на прибыльных част? слитков, установлено, что применение пульепционного воздейств!1 уменьшает глубину усадочной раковины на 5-5,5% от высоты слитке Снижение глубины проникновения усадочной раковины достигается I счет изменения ее формы.

8. Анализ структуры ¡гродольннх осевых темплвтов прибылс показал, что пульсациопное перемешивание приводит к уменьшению зот столбчатых кристаллов на 30-50%, определенному подавлению осевой внецентренной ликвации. В слитках, подвергавшихся пульсационшм воздействию, отмечено повышенное содержание углерода и серн прибыльных частях при некотором снижении их содержания в те.] слитка, что свидетельствует о выноса этих элементов в процесс обработки из тела слитка. Использование пульсационного первмешиват позволяет повысить физическую однородность в головней части слитка.

9. На промышленных отливках типа "корпус" с одной и несколько прибылями проведены исследования по влияют пульсирующей затопление струи на затвердевание отливок. Подтверждена возможность возбукдеш согласованных колебаний расплава между прибылями в даогоприбыльш отливках, что позволяет производить эффективное перемешивание в дв: соседних прибылях при использовании одной трубки.

Выполненная сравнительная оценка качества литого метал, позволила установить, что при использовании пульсэционно] перемешивания достигается снижение химической неоднородности нижних горизонтах прибылей отливок при повышении плотности в осов)

энах.

10. Разработана технология получения отливок с уменьшенными аибылышш частями, включающая пульсационное перемешивание расплава прибылях. Уменьшение массы прибыльных частей достигается за счет шжения глубины проникновения усадочной раковины и подусадочных ^фектов. Глубина погружения пульсациошюП колонны в расплав должна • аходиться в пределах 0,4-0,6 высоты прибыли, длительность /льсационной обработки не должна превышать 0,3 времени зтвердевания отливки.

Использование метода пульсациошого перемешивания при получении рупных стальных отливок позволяет уменьшить высоту прибыли на 3-15%, что соответствует снижению расхода металла на 36-54 кг/т гали. Промышленное внедрение метода пульсациошого перемешивания пя получения крупных стальных отливок осуществлено на 20 отливках и зло экономический эффект в размере 38,4 тыс.руб.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАЩЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Особенности формирования слитка в условиях перемешивания /льсирующей затопленной струей/ А.Н.Смирнов, С.В.Пильгук, .А.Троянский и др.// Известия вузов. Черная металлургия.-1989.-№6.~ .16-20.

2. Повышение качества слитков при перемешивании жидкой фазы /льсирунцей затопленной струей/ А.Н.Смирнов, С.В.Пильгук // ЭЕЫшение качества и эф1юктивности производства электростаж: СО. рудов.-Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение.- 1989.-.88-95.

3. Перемешивание жидкого расплава в прибылях отливок/ .Н.Смирнов, С.В.Пильгук, В.А.Литвинов и др.// Металлург-.-1990.-№4.-.35-36.

4. Исследование работы установки пульсационного перемешивания в роцессе обработки гадкой стали/ А.Н.Смирнов, С.В.Пильгук, .А.Троянский и др.// НоЕыа метода и оборудование для внвпечной Зработки: тезисы докладов научно-технического семинара.-элябинск.-1988.-89 с.

5. Улучшение качества кузнечных слитков методом пульсационного эремешивания/ А.С.Плахотный, С.В.Пильгук, Н.В.Борзи п др.// аергомашиностро9нив.-1988.9.-0.37-39.

6. Улучшение условий питания отливок методом пульсации металла прибыли/ А.Н.Смирнов, А.С.Плахотный, В.А.Литвинов, С.В.Пильгук //

итейное производство,-1989.9.-С.6 7.

7. Повышение качества слитков при воздействии на затвердеваюци: расплав пульсирующей затопленной струей/ В.Л.Пилюшенко, А.Н.Смирнов Л.Г,.Т1лахоишй, С.В.Пильгук и др.// Сталь.-1989.-J6 II.-С.37-40.

8. Использование пульсационного перемешивания для улучшени качества кузнечных слитков/ В.Л.Пилшенко, А.Н.Смирнов, С.В.Пильгу; и др.// Бюл. научно-технической информации. Черная металлургия. IЭЭ1. -М I (II0I).-0.53-54.

9. Применение пульсационного воздействия для управлени. процессом формирования стальных слитков/ В.Л.Пилюшенко, А.Н.Смирнов Л.Нвдэлькович, Н.В.Борзых, С.В.Пильгук// Сталь.-1991.-* 2.-С.27-29.

10. Оценка влияния пульсационного воздействия на формирован» макроструктуры стального слитка/ В.Л.Пилюшенко, А.Н.Смирнов С.В.Пильгук // Тез. ' докл. 1-й Всес. научно-техн. конф "Совершенствование металлургической технологии в машиностроении".-Волгоград,- 1990.- с.84-86.

11. Исследование влияния пульсационного перемешивания npi затвердэвании на макроструктуру' кузнечных слитков/ А.Н.Смирнов С.В.Пильгук, Г.В.Чернобаева и др.//Процессы разливки модифицирования и кристаллизации стали и сплавов: ХГ Всесоюзна, конф. по проблемам слитка. 4.1.-Волгоград, 1990.-С.14-17.

12. A.c. А 1555047 СССР, MKIP В22Д 7/00. Устройство дл обработки металла/ А.Н.Смирнов, С.В.Пильгук,. А.С.ПлахотныЯ и др Ззяел.15.06.88; Опубл. 07.04.9с; Бш. J6 13.

13. A.c. * 1425952 СССР, МКй4 В22Д 7/00. Спдсоб получэни, крупных слитков/ А.Н.Смирнов, В.Л.Пилшенко, А.А.Троянский.. С.В.Пильгук и др.; Заявл.15.01.87; Не публ.

14. A.c. Jf 1447542 ССОР, МНИ4 В2лД 7/12. Способ получэни листовых заготовок/ В.Л.Пилюшенко, А.Н.Смирнов, А.А.Троянский С.В.Пильгук и др.; Заявл. 25.С3.87; Опубл. 30.12.88. Бш. * 48.

15. A.c. * 1509176 СССР, МНИ4 В22Д 27/08. Способ получен! слитков/ А.Н.Смирнов, А.С.Плахотшй, . С.В.Пильгук и др.; Заяв. 14.12.87; опубл. 23.09.89. Бш. * 35.

16. A.c. № I5I4472 СССР, МКИ4 В22Д 27/08. Устройство дл, пульсационной обработки металла в прибылях/ А.Н.Смирнов А.С.Ллахотный, Ю.В.Костенко, С.В.Пильгук и др.; Заявл. 30.06.87 .Опубл. 15.10.89. Бш. * 38.

17. A.c. По заявка * 4674377/27-02. Способ пульсационно: обработки многоприбыльных отливок/ А.Н.Смирнов, С.В.Пильгук А.С.Плахотшй и др.; Ззявл. 21.01.89. Пол.решение от 24 января I99Q

ььпм-снение зАЛолнвние

РАСПЛАЬА КОЛОННЫ

ИЗ КОЛОННЫ РАСПЛАВОМ

:ема движения потоков расплава при пульсационпом перемешивании

РиоЛ

О 1« 15 !,0 « 30 15 з 55 и 15 .0 55 50 «

Рлссюанне пин» мнткл.м Рдсюшие 01 ш сшгм.м

—о- - ОЫШЩШШ СМШШ ; - - - ОБРАБОШКИ

а) ,

Сравнение протяженности (а) и угла наклона (б) столбчатых кристаллов по высоте слитков

Рис. 2

ЧГЛСРОД

СвРД

ЕЗ - исследуемый участок; И - обработанные слитки; ^ " сравнительные слитки

'"""^'кй. СЮ,

Ликвация углерода и серы в прибыльных частях слитков ' Рис.3

ммш

I прцЪылц

б труЕле

Схема к расчету общего содержания ликвиругацих элементов в прибылях отливок

Рис.4