автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии формирования слитков на основе их вибрационной обработки при затвердивании

ШШИСТЕРСТПО МЕТАЛЛУРГИИ СССР ИНСТИТУТ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

На правах рукописи

ПЕТТИКЮрий Владиславович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ СЛИТКОВ И ОТЛИВОК НА ОСНОВЕ ИХ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ

Специальность 05.16.02 — «Металлургия черных металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ДНЕПРОПЕТРОВСК - 1991

Работа выполнена, в Донецком ордена 'Грудоврго Красного Знамени политехническом институте.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР ПИЛШЕНКО В.Л.

кандидат технических наук, доцент СМИРНОВ А.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук ПОЛЯКОВ в.®.

кандидат технических наук КУЛЬЕВ С.И.

Ведущее предприятие: Макеевский металлургический комбинат им. С.М.Кирова.

Защита состоится г. в /часов на зае-

дании специализированного совета К.141.02.01 в Институте черно металлургии.

Адрес: 320111, г.Днепропетровск, пл.Стародубова,!.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института черной металлургии.

Автореферат разослан 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук _~___-__'—Е-В^Лавченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность^работы.. Основным направлением развития совранного машиностроения является повышение уровня требований к одукции. В этой связи перед черной металлургией и литейным оизводством ставятся задач« по всестороннему повышению качества увеличению выпуска эффективных видов металлопродукции. При этом счет повышения качества удается значительно снизить конструк-вную и технологическую металлоемкость деталей, машин и других регатов.

Среди прогрессивных и в значительной мере нетрадиционных спо-Йов повышения качества металла особое место занимают внешние эдействия. Одним из перспективных методов, обеспечивающих рост чества и выхода годнего металла слитков и отливок, является накалив внешнего воздействия на жидкую и затвердевающую фазу пу-ч вибрационной обработки, В связи с этим проведение исследова -Я, направленных на изучение возможностей процесса и границ его ^активного для практики использования, является актуальной за-1ей и имеет важное народнохозяйственное значение.

Ц§5ь_Р§ботн. Исследование влияния режимов вибрационного воз-Зствия на протекание гидродинамических, теплофизическнх и фчзи--химических процессов при затвердевании слитков и отливок и зработка на базе этих исследований практических рекомендаций по завлению формированием слитков и отливок с помощью низкочастот-1 виброобработки, обеспечивавших повышение качества металла и сг та годного.

На^чная_новизнал Исследована динамика процесса формирования [ткоа.и отливок при наложении низкочастотной вибрации. Предло-I механизм воздействия вибрации на интенсификацию процесса за-шлчеобраэования. По разработанной методике проведено численное '.ледование зависимости кинетики продвижения фронта затвердева-[ от режимов в^бровоздействия и гидродинамической картины , пикающей в с-'ъёме слитка.

Установлено влияние низкочастотной виброобработки на фи -[ескую и химическую однородность металлических сплавов (алюми-!, чугун, сталь) в слитках и отливках, а также достигнуто г.о -ение физико-механических характеристик литого металла.

Практическая_ценностьл Полученное научные р.зультаты и рзко-дации использованы для разработки нопьгх технологий, оборудова-

ник и устройств для получения отливок и слитков с применением вибрационного воздействия.

Для управления качеством металла и повышения выхода годного разработали новые способы виброобработки слитков и отливок (A.c. №№1342592, 1353572, 1468652, I509I75, I532I97, 1570844, 1574350).

Для повышения стойкости металлургических чзложниц разработан способ их виброобработки (А.с.$ 1639879).

Реализация_Еезультатов_работькРезуль'таты работа использовали: при организации технологии виброобработки в условиях литейного цеха Нальчикского машиностроительного завода с применением разработанного вибростенда; при производстве сталеразливочных иэло; ниц на Донецком металлургическом завод'.

Внедрение зтих технологий дало экономический эффект при об -работке точного литья 36,05 тис.руб. и 22,0 тыс.руб. при обра -ботке изложниц.

¿П20бап,ия_работц; Основные положения работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции молодых металлургов-исследователей (Донецк, 1987г.), зональном семинаре "Современное оборудование и технология плавки, внепечной обработки и заливки чугуна" (Пенза, I9d7r.), отраслевой молодежной научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в производстве ферросплавов и электростали" (Челябинск, 1950г.), Х1~й Всесоюзной конференции пб проблема стали и сплавов (Волгоград, 1990г.).

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 7 статьях и 8 авторских свидетельствах на изобретение.

Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, выводов, списка литературы из 141 наименования, 6-ти приложений, содержит 136 страниц машинописного текста , 51 рисунок и 20 таблиц.

СОДЕШАНИЕ РАБОТЫ, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Анализ современного состояния проблемы роста качества и повышения выхода годного металла при получеь..« слитков и отливог показал, что конвективное движение при затвердевании оказывает определявшее значение на формирование большинства дефектов в металле.

К Настоящему времени основные технологические параметры разливки и конструкций слитков и "гливок стабилизировались на рациональных значениях, что оатрудшет дальнейшее повышение качества

металлопродукции и требует разработки принципиально новых подходов, направленных на управление процессами тепло-массоперзноса . В последнее эремя для решения этих проблем все в большей степени привлекаются методы дополнителыгах воздействий на жидкую фазу, основополагающие идеи которых заложены ь работах: Чернова Д.К., Флемингса М., Оно А., Чалмерса Б., Баландина Г.Ф., Климова В.А., Казачкова Е.А. и др. При этом актуальным является рациональный выбор способа и режимов воздействия для каждой группы объектов , так как при подавлении дного вида дефекта вполне вероятно развитие другого.

В результате анализа основных методов внешних воздействий , их эффективности, а также возможности практической реализации при обработке жидкого н затвердевающего металла можно сделать вывод о том, что перспективным методом с точки зрения серийного и массового производства является наложение низкочастотной вибрации на расплав непосредственно с изложницей или формой. Между тем еыво-ш и рекомендации многих исследователей по оптимизации режимов эибрационной обработки, полученные на модельных слитках при переносе их на промышленные объекты, дают неадекватные результат». Обращает на себя внимание тот факт, что физические представления I результаты исследований ограничены малыми диапазонами изменения тстот, амплитуд вибрации, отсутствием вибрационного оборудования, юзволяющего гибко изменять.режимы воздействия. В практических >екомендациях далеко не в полной мере учитывалась зависимость ре-шов вибрационного воздействия от основных геометрических пара-:етров промышленных объектов, теплофизических свойств разливаемых ;еталлов, что ограничивало сферу использования конкретным про-шленным объектом.

В диссертационной работе поставлены следующие задачи:

- разработать методику и оборудование для проведения иссле -ований в лабораторных условиях;

- рассчитать условия затвердевания слитка и отливки с учетом оздеПствия вибрации на конвективные потоки?

- разработать практические рекомендации для выбора рациона-ьных режимов вибропоздействия и оборудования для обработки сталь-га слитков и отливок из чугуна и стали',

- разработать основы промышленной технологии вибрационной 5работки слитков и отливок.

МЕТОДИКА. ИССЛЕДОВАНИЯ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ЗАТВЕРДЕВАНИЯ С НАЛОЖЕНИЕМ ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Задача физического моделирования заключалась в выборе модельного материала, методов и критериев оценки эффективности воздействия, получении критериальных зависимостей с последующей проверкой их в промышленных условиях.

С учетом проблематичности одновременного моделирования процессов конвекции и затвердевания с образованием кристаллической структуры, моделирование осуществлялось в две стадии. В качестве критериев подобия при моделировании использовали критерии Зурье (Ко), Био (Ь>1) и фазового перехода (Н). На первой стадии с целью визуализации процесса зарождения, роста и характера продвижения твердой фазы, оценки основных закономерностей изменения движения конвективных потоков и вовлечения в процесс перемешивания частиц твердой фазы,в зависимости от режимов воздействия, ис-

процесса затвердевания стали (слиток 5,6т Донецкого металлурги -ческого завода (ДМЗ)) для тиосульфата по числу Фурье 21 осуществили выбор геометрического масштаба модели 1:10»

Анализ процесса затвердевания в опытных и сравнительных слитках показал, что в условиях вибровоздействия значительно интенсифицируется процесс зарождения кристаллов в расплаве, их рост и осаждение в донную часть слитка. Это увеличивает скорость продвижения фронта затвердевания в вертикальном направлении.Время полного затвердевания при этом уменьшается в среднем на 20-40%. Вибровоздействие создает волновое движение на поверхности и мелкомасштабное возмущение скорости расплава в виде вихрей. При этом происходит интенсивное разрушение твердой корочки, растущей у поверхности со стороны стенки прибыльной надставки и непосредственно на поверхности расплава (рисЛ). При достижении зародышем определенных размеров (в условиях экспериментов 0 1,0-1,5 мм) они опускаются в донную часть слитка, преимущественно вдоль фронта кри -сталлизации,- Подтверждением изменения титловой работы прибыли (за счет увеличения количества «вердой фазы в расплаве) является то, что время формирования сплошной корочки на поверхности увеличивалось в 4-6 раз по отношению к невибрированным слиткам. Качественная оценка влияния вибрации проведена сравнением характера продвижения фронта затвердевания п вертикальном и. горизонтальном нап-

пользовали тиосульфат натрия

условия подобия

равлениях с использованием коэффициента К из формулы Хвори-нова: Х = где X - толщина твердой фазы, ^ - время(рис.2).

мин

Рис.1. Схема дви -жения жидкой и твердой фазы в процессе затвердевания при воздействии. I -твердый каркас', 2 - жидкая фаза; 3 - заро -дши; 4 - твердая корочка на поверхности.

80 мим

Рис.2, Оценка влияния вибрационного воздействия на процесс затвердевания модельных слитков. I - без воздействия; 2 - вибрация с частотой 35 Гц; 3 - вибрация со сканирующей частотой Зв-52 Гц; а) и б) - продвижение фронта затвердевания а вертикальном направлении; в) и г) - в горизонтальном направлении.

С целью опеделения механических свойств, макроструктуры, и исходя из удобства проведения экспериментов, на второй стадии моделирование осущестг шли на алюминиевых слитках (содержание алюминия 99,6%) массой 0,8 кг. Обработку производили в течение рзого периода затвердевания, начиная с заливки металла в изложницу (температура заливки алшиния 700±5°С), г амплитуда -.олебашй составляла 0,12-0,15 и. Диапазон изменения частоты колебаний в 2-100 Гц охватывал всю область значений, представляет« практический инте-

а

pao. Пр; дальнейшем увеличении частоты разрушается кристалдичее кая структура головной части олитка.

Таблица

Усредненные данные свойств слитка для различных зон в зависимости от режимов воздействия

-I

к я

н р. ичэ

X о

(D

ОН

ф

И Я

sos \р с) ф ?>®>в< чо« f-t >>«.

Плотность, г/см^

<£Эв ; Н/мм2

Н/мм

Ударная вязкость

K0U,2„°

Дж/см

5 8 10 39 О

IO'óJ'ia5™ 11/40 I10/14 21/31 108/104 14/15 95/114 34/11 13 40

2,680/2,66? 2,669/2,675 2,657/2,677 2,664/2,662 2,660

75,6/76,5 74,5/75,6 74,9/73,0 73,5/76,5 73,6

53,4/54,0 53,6/54,7 53,0/54,6 53,2/5tí,0 52,8

60,0/37,6 59,2/40,0 57,6/55,5 49,2/60,0 53,2

- горизонтальная плоскость вибрации, хх- вертикальная плоскость вибрации.

Визуально установлено, что при проведении виброобработки с частотами, близкими к характерным для проявления экстремумов исследуемых характеристик, на поверхности расплава возникает волнообразное движение в форме стоячих волн.

Одновременно была проведена серия опытов по изучению влияния вибровоздействия на жидкотекучесть алюминия на спиральных пробах. Показано, что при воздействии в горизонтальной плоскости при частоте 20 Гц - жидкотекучесть повышается в 2,5 раза, а при вертикальной -в 1,2 раза, причём режимы, обеспечивающие повышение иидкотеку-чести, не совпадают с режимами,дающими повышение качества отливки.

Таким образом, наложение низкочастотной вибрации существенно изменяет процесс формирования слитка, что выражается в измельчении зерна и повышении механических свойств в зависимости от режимов и направления колебаний. Вачсным фактором <. точки зрения достижения максимального результата является формирование в ходе воздействия локализованных зон высокой интенсивности перемешивания расплава у его поверхности в прибыльной части и возмущение самой поверхности, что интенсифицирует процесс "зродышеобразования, рост зародышей и осаядениа в до ни,ус часть слитка. Это существенно изменяет тепловой

режим работы прибыли, увеличивает скорость продвижения фронта затвердевания в вертикальном направлении.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВИБРОВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗАТВЕРДЕВАНИЕ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Изучение вопроса формировали стоячих волн жидкости в сосуде представляет собой интерес с точки зрения механизма вибрационного воздействия на затвердпаодий расплав. Для установления зависимости волнового движения поверхности идеальной жидкости от режимов воздействия и относительных размеров области исследовано уравне -ниэ движения поверхности в сосуда, имеющего вид для Фурье - компоненты Ц пт колебаний в горизонтальном направлении:

пт + О^ пт ' <Ст\тт\\1оСовО\. ,

где опт - соответствующая частота собственных колебаний фурье -компоненты; П и ТП - целые числа (определяют потенциал течения, форму свободной поверхности и т.д.); для цилиндрической симметрии П. =0;сСпт- постоянный коэффициент, зависящий от условия воздействия, формы сосуда; амплитуда виброускорения; О - частота (циклическая) вынуждающего воздействия, \ - время.

" этом случае резонанс для соответствующей компоненты достигается тогда, когда частота внешнего воздействия равна собственной частоте соответствующего колебания жидкости в сосуде (б>гт = ). При таком воздействии стационарными могут быть лишь одноузловые колебания (гп=1).

При колебаниях в вертикальной плоскости уравнение для Фурье-компоненты колебаний жидкости в сосуде имеет вид

^пт + [ 1 +(У/ГоСозЛ1)/д]ё^тС}пть0, (2)

где д - ускорение свободного падения.

Анализ уравнения показывает, что для С^пп11 жет наблюдаться так называемый параметрический резонанс при частотах равных 2 , <Опт>2/Зб>пч»<Лп/2, Спектр частот собственных колебаний жидкости для линейного прибли-ения определяется из выраженийбп«13( ^ *1ЬЗе„тН)0»5, гдеЗелтР? - корни уравнения^ ] (»Я )=0; ^ - радиус зеркала металла, - функция Бесселя П. -го порядка,

Ц - высота уровня жидкости в сосуде.

Наиболее благоприятные результаты при виброобработке слитков имеют место в условиях достижения главного резонанса для одноузло-

вых колебаний поверхности жидкости (для модельных алюминиевых слитков =31,4 с-1 (частота 5 Гц) для горизонтальной плоскости вибрации и ¿1) =62,8с"1 (частота 10 Гц) - вертикальной). Развитие одноуэловнх стоячих волн на поверхности расплава в значительной степени усиливает интенсивность конвективных потоков во всем объеме жидкой фазы, что и определяет положительное изменение физико-механических свойств экспериментальных слитков. Высокие характеристики свойств модельных слитков также получены при частоте воздействия 39 Гц. При этом на поверхности развивались нестабильные волновые процессы, которые также способствовали перемешиванию, однако описание этой задачи крайне сложно в силу разрыва сплош -ности среды.

В общей постановке аффект вибровоздействия исследован с помощью численного решения уравнений конвективного движения жидкого ядра и теплопереноса в жидкой и твердой фазах с наложением вибрации, имеющих вид:

где д = до -2аСоз (* > м/с*", 1 - единичный вектор, направленный вертикально; ^ - ускорение свободного падения, м/с^ ; ¿Л - циклическая частота гармонических колебаний, 1/с;0.- амплитуда гармонического колебания, ы; 'Ро - угол фазового сдвига, рад; р - плотность, кг/м3; V =(и,г/) - вектор скорости, м/с;Р - давление, Н/м^; ■>) - коэффициент кинематической вязкости, м^/с; С -удельная "сглаженная" теплоемкость, Дж/(кг.°К); А -"сглакенный" коэффициент теплопроводности, Вт/(м.°К); Т - температура металла, °К{ ^ - время, с.

Система уравнений (3) решалась численным конечно-разностным методом й была реализована в виде программы на языка " ГОЕТЙАЫ Проварку точности осуществляли по данным А.Кона, полученных методом радиоактивных изотопов для слитка 3,^ тонны. В процессе моделирования оценивали распределение температуры по сеченио слитка, характер распределения конвективных потоков и динамику продвижения фронта твердой фазы в зависимости от режимов вибровоздействия применительно к основным размерам слитков массой 5,6т ДМЗ.

Результаты исследований позволили установить, что наложение

вибрационного воздействия существенно изменяет характер движения конвективных потоков в жидком ядре: наблюдалось дробление и турбу-лизация потоков в расплаве.

Таким образом,использование результатов расчета собственных частот колебаний жидкости,в зависимости от геометрических разме -роо и высоты жидкости в сосуде в совокупности с математической модель» процесса затвердевания слитка или отливки при наложении либрации,позволяет определять оптимальные диапазоны частот и амплитуд воздействия для конкретных промышленных объектов. .

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИБРООБРАБОТКИ ДЛЯ ПОВШЕНИЯ СТОЙКОСТИ гШОКНЙЦ

3 качестве резерва повышения стойкости изложниц за счёт улучшения характеристик чугуна как кострукционного материала и снижения в них остаточных напряжений может рассматриваться вибрационная обработка, не требующая значительных дополнительных капитальных затрат.

Учитывая отсутствие в литературе данных по виброобработке чугунных изложниц, были проведены исследования как по виброобработке изложниц при их затвердевании, так и при виброобработке в твердом состоянии с целью снятия литейных напряжений.

В ходе предварительных экспериментов получали отливки массой 16 кг (размером 80x95x300 мм). Существенное изменение физико-механических характеристик отмечено в диапазона 23-56 Гц (амплитуда 0,09-0,12 мм). Для диапазона частот 23-40 Гц отмечено увеличение твердости со 135 НВ до 160-165 НВ, предела прочности на растяжение со 130 до 165 Н/мм^, а также повышение химической однородности по высоте отливки. Размеры графитовых включений оценивали по ГОСТ 3443-87. В сравнительных отливках они соответствовали ПГд180 -ПГдЗЬО, в обработашшх-ЛГд45-ПГд90 (для резонансных, частот 30 и 40 Гц). Максимальный размер пластин графита в опытных отливках уменьшился а 2-4 раз.а. В чугуне с виброобработкой наблюдается большое яоличестко мелкопластинчатого и междендритного графита, а также более равномерное распределение ПГр1 с отсутствием чередования участков с мелко- и грубоплаетинчатым графитом. В сравнительном чугуна распределение графита неравномерное - Г1Гр2. Отмечено повышение плотности при частотах 30-35 Гц на 0,6-0,8^, жидкотекучести при Гц в 1,8 раза. На основе этих результатов предложены режимы для

виброобработки изложниц, получаемых из доменного передельного чугуна (С =0,7-1,2£;Мп =0,7-1,555; & до 0,04$;Рдо 0,15%) на Донецком металлургическом заводе. Глуходонная изложница ДМЗ имеет массу 4,6 т, высоту 2,06 м, толщину стенки 85-115 мм. Оценку эффективности виброобработки осуществляли в ходе эксплуатации как опытных, так и сравнительных изложниц ( по 6 шт. для каждого режима вибрации)

частота вибрации, Гц средняя стойкость изложниц, наливы

опытных сравнительных

23 81,2 69,2

30 78,0 67,2

35 69,5 68,8

40 69,2 64,5

56 66,0 67,4

Исследования керновых проб изложниц показали, что значения плотности и предела прочности оказались близки к соответствующим значен"ям в опытных отливках. Улучшение прочностных характеристик чугуна связано, видимо, с изменением процесса затвердевания, что установлено при помощи кривых охлаждения,снятых на трех по высоте изложницы термопарах. При этом не только уменьшается на 15-20 % время затвердевания, но и выращивается температура расплава по высоте.

С целью определения рациональных режимов воздействия для снятия литейных напряжений в изложницах определены резонансные частоты колебаний в системе изложница- вибратор, а также выявлены оптимальная длительность воздействия и место приложения йозмущаадей силы. Резонансные частоты лежали в диапазоне: 17-26, 40-50, 76-81Гц. Для промышленной реализации использовали диапазон 40-50 Гц, обработку в котором осуществляли с помощью вибратора ИВ-93А с воэму -тающей силой 5,6-9,3 кН. Рациональная длительность виброобработки составила *_>-12 мин. Дальнейшие исследования были осуществлены на партии изложниц из 200 шт. В целом стойкость опытной партии изложниц возросла на 10$.

Таким образом, использование виброобработки в ходе изготовления изложниц обеспечивает повышение их стойкости на 16-17% при вибрации в процессе затвердевания, а в случае обработки в твердом состоянии после выбивки и обрубки- на 10%. Экономический эф|йкт при внедрении технологии виброобработки при затвердевании и твердом состоянии изложниц составил 22,0 тыс. рублей.

ПУТИ П0Ш1ШИЯ КАЧЕСТВА СЛИТКОВ И ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНА И СТАЛИ

Полученные рекомендации в части управления процессом формиро-зания слитков и отливок были использованы в условиях промышленного производства с учетом специфики и требований, предъявляем« к тчеству металлопродукции.

проводили обработку отливок крышек клапанов, к которым предъявля -1тся повышенные требования по герметичности и предотвращению ко -¡обления в процессе испытаний и эксплуатации. Отливки (СЧ15) по -гучают на конвейерной линии. Анализ существующей технологии с после-юватальной заливкой из одного ковша 7-8 отливок показал, что оливкам присущ брак по пористости при получении первых отливок I при дальнейшей разливке брак по недоливам - составляет I5-I® и [оходит до 35-45/'. В основу технологических рекомендаций положены юследования, проведенные ранее и показавшие, что для получения 1аксимальной жидкотекучести чугуна обработку необходимо производить ia частоте 23 Гц, а для наилучшего питания отливки и повышения :лотности - на частоте 30-35 Гц. Обработка партии отливок на реко -¡еидуемых режимах и партии отливок, у которых частоту после залив-и форм меняли с 23 на 30 Гц, позволила сократить брак: по недоли-ам с 1Б-1 fc$ до 2-4%, по герметичности с' 5-8% до 0,5-1,0% и короб-ению с 12% до 2-3%. Плотность чугуна после виброобработки возрос-а на 0,7-0,9$. Дополнительно с целью снижения коробления крышек х подвергали виброобработке на частоте 35-40 Гц (5-7 шн.).

§_Х252ЁШ*Л1Мьу2Нскдгд__машиностроительного_завд5а основной

ричиной брака отливок деталей торцового уплотнения ( сталь 35Л и 2Х18Н9ТЛ) является пористость, что приводит к негерметичности ра-dtu насосов в условиях высокого давления (до 3,5 МПа). Отливки олучают литье« по выплавляемым моделям. Для нывдения вибровоэдей- • гвия на металл отливок в литейном цехе установлен вибростенд , эзволяодий обрабатывать одновременно до двух плавок (масса одной гдивки до 5 кг, плавки 150 кг). Виброобработку начинали перед заявкой и продолжали 3-5 шн посла окончания заливки последнего ^феля.

Исследования качества металла показали, что виброобработка на эзонансных частотах в диапазона 21-37 Гц с амплитудами 0,10-0,15 мм зэволяет повысить плотность с 7,7610 до 7,7960 г/см3 и снизить эоцент брака по герметичности с 20 до 5%. Изучение серных отпечат-

ков и дефектов позволило установить, что при вибровоздействии распределение ссры более равномерное (без крупных частиц и скопле -нин). Зона транскристаллизации в опытных отливках отсутствует.Микроструктура в опытных отливках более равномерная с отсутствием грубой ферритной сетки по границам первичшх зерен. Средний условный диаметр зерна уменьшился с 0,0825 мм в сравнительных до 0,0750мм в обработанных отливках. Экономический эффект при внедрении предложенных рекомендаций составил 36,05 тыс.рублей.

Промышленные исследования по разработке технологической схемы виброобработки слитков были осуществлены в условиях электросталей 022§ильно^о_уехп^ЭДЗ. Для достижения максимального результата обеспечивали следующие условия: равномерное распределечие колебаний по всей площади разливочной тележки; примерно одинаковую интенсивность колебаний в период заливки и затвердевания", простоту виброоборудования в процессе эксплуатации. Для исследований использовали виброкомплекс, включающий преобразователь частоты ТПТР-10 - 230, управляющий вибратором (с возможностью изменения возмущающей силы от 2,5 до 14,0 кН), Прибор для измерения амплитуда колебаний и часто-тометр. Установлено, что во время заливки при обработке на фиксированной частоте амплитуда изменяется не менее, чем на 100-150$.

Вибрационную обработку слитков на сталеразливочных тележках следует рассматривать как сложшй колебательный процесс с изме -няодимися во времени амплитудно-частотными характеристиками.. Следовательно, ;-ля достижения положительного результата целесообразно поддерживать постоянной амплитуду колебаний в ходе разливки «затвердевания, что требует использования нескольких дорогостоящих комплексов на .каждом разливочном посту и дополнительного привле -чения оператора. Это делает такую схему обработки трудоемкой и дорогостоящей. В качестве альтернативного варианта виброобработки была принята гипотеза о достижении положительного результата за счет прерывистого режима воздействия.

В ходе проведения исследований обрабатывали плавки из стали 35ХРСА по схемам: а) с постоянной частотой; б) со сканированием частоты (24-37 Гц) - для поддержания резонансных явлений в ходе затвердевания; в) двумя вибраторами с повторно-кратковременным включением. Высокая эффективность режима в) достигается за счет инерционности колебательной системы, что дает возможность проходить резонансные пики (15-37 Гц) при каждом выключении и включении одного из двух электромеханических вибраторов: ИБ-104 (25 Гц) и ИЗ-98

(50 Гц), расположенных на ребрах жесткости в средней части тележки, при их номинальной частоте, соответствующей I- и 3-му резо -неясным пикам. Режим работы: одновременная работа двух вибраторов в течение 80-100 с, затем выключение одного и работа в течение 60 с, после этого выключение работающего и включение дорого на 40-60 с.

Анализ серных отпечатков темплетов, отобранных на уровне от Э до 14; 49 и 89% от общей длины заготовки $ 135 мм, и оценка макроструктуры показали,что глубина проникновения усадочной раковины в слитках с вибрацией меньше, чем у сравнительных. Для режима в)-усадочная раковина не обнаружена при Щ>, а для а) и б) ограничи -вается 10%, в сравнительных - П-12% (головная обрезь 13%). Под-усадочная ликвация в сравнительных слитках заметна до 14%. Макроструктура опытных слитков показывает снижение-балла подусадочной ликвации, центральной пористости, точечной неоднородности и ликва-ционного квадрата в опытных слитках на режиме а) на 1,0-1,5 балла; б) 1,5 балла; в) 1,5-2,0 балла. По полученным данным представляется возможным уменьшение головной обрези на 1,5-2,0 %.

Использование разработанной технологии виброобработки по варианту в) позволяет повысить выход годного металла за счет снижения головной обрези, что обеспечивает снижение себестоимости стали в среднем на 0,75-1,15 руб/т.

ВЫВОДЫ И Р0-ЮМЕНДАЦИИ

1. Экспериментально и теоретически изучено влияние вибрационного воздействия на структурные и механические свойства затвердевавших расплавов, особенности и кинетику затвердевания.' Разрабо -ганы методики исследований и экспериментальные установки для изучения процессов затвердевания при наложении вибрации,и на этой основе сформулирован механизм эффекта вябровоэдействия, разработаны технологические рекомендации и оборудование для повышения качества и выхода годного металла слитков и отливок.

2, Установлено, что наложение вибровоэдойствия существенно изменяет процессы затвердевания модельных слитков, интенсифицируя процесс зародышеобрагзопания у поверхности расплава за счет создания волнового движения на поверхности и мелкомасштабного возмущения скорости в виде вихрей, рост зародышей и осаждение в донную часть слитка, что существенно изменяет тепиовой режим работы при-

были, увеличивает скорость продвижения фронта затвердевания в вертикальном направлении. В результате протекания волнового процесса разрешается твердая корочка на боковых стенках прибыли у поверхности и непосредственно твердая корочка на поверхности. При этом время затвердевания уменьшается на 20-40/5.

3. Показано на модельных алюминиевых слитках, что виброобработка измельчает структуру первичного зерна в 2-3 раза, повышает плотность на 0,3-0,и (¿в на 5-8% и уменьшает глубину проникновения усадочных дефектов в 2-4 раза в зависимости от режимов и направления вибрации, достигая максимального результата при формировании локализованных зон высокой интенсивности перемешивания расплава у его поверхности, что в совокупност! с воздействием на циркуляционные потоки (их дробление) создает условия для управления формированием слитков и отливок.

4.Расчеты собственных частот колебаний поверхности жидкости

в сосуде в зависимости от радиуса зеркала жидкости и ее высоты налива и сравнение этих частот с частотами вынуждающего воздей -ствия при моделировании, обеспечивающими получение наилучших результатов, показали достаточно точное совпадение частоты главного резонанса с проявлением экстремумов как для вертикального, так и горизонтального направления вибрации.

5.Рассчитаны процессы затвердевания слитка или отливки при наложении вибрации, учитывающие условия теплоперноса и конвекции. Показано, что гидродинамическая картина п-и наложении вибрации существенно изменяется (происходит дробление вихревых структур, изменяются скорости потоков, выравниваются температурные неоднородности, локализуются отдельные зоны слитка с точки зрения перемеши -"вания). С помощью варьирования режимов воздействия можно прогнозировать и определять опримальные диапазоны частот и амплитуд воздействия для конкретных промышленных объектов.

6. Установлено, что виброобработка на резонансных режимах существенно повышает физическую и химическую однородность чугуна , плотность (частота 30-35 Гц) и жидкотекучесть (частота 23 Гц), способствует измельчению графита. Достижение наилучших показателей

по каждому параметру обеспечивается на определенных частотах, что дает возможность управлять качеством в зависимости от поставленной задачи.

7. Сформулированы практические рекомендации по технологии и выбору оборудования для виброобработки слитков и отливок.

Показано, что при виброобработке чугунных изложниц в условиях Донецкого металлургического завода в процессе затвердевания на резонансных частотах 23-30 Гц (изложница для слитка 5,бт) их стой -кгсть повышается в среднем на 16-17$. Помимо этого, с целыа сняч 'я остаточных литейных напряжений, разработана технологи- виброобработки изложниц в твердом состоянии на резонансных частотах, ча • дало повышение стойкости на 10$. Экономический эффект при внедрении технологии составил 22,0 тыс.рублей.

Применение низкочастотной виброобработки в условиях Нальчикского машиностроительного завода для получения стальных отливок деталей торцовых уплотнений позволило снизить брак и обеспечить увеличение выхода годного в средним на 15$. Экономический эффект при внедрении технологии составил 36,05тыс.рублей.

Разработаны технологические рекомендации■по виброобработке чугунных отливок кршек клапанов, получаемых по конвейерной схеме в условиях Уфалейского завода по ремонту металлургического оборудования. Установлено, что при последовательной заливке фора металлом из одного ковша целесообразно обработку производить с изменением частоты вибрации: вначале с частотой, обеспечивающей повышение жидкотекучести (23 Гц), а затем рост плотности (30-35 Гц).

Показано, что для обработки металлургических слитков на стале-разливочных тележках наиболее приемлема технологическая схема виброобработки при повторно-кратковременном режима работы одного из двух вибраторов (диапазон 25-50 Гц), расположенных на ребрах жесткости в средней части тележки, позволяющая проходить составом резонансные пики при какдом включения и выключении вибраторов. При этом подавляются усадочные и ликвационные дефекты и представляется возможным уменьшить головную обрезь на 1,5-2,0%.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пилшенко В.Л., Смирнов А.Н., Петтик Ю.З. Эффективность вибромеханического воздействия на жидкий я затвердевающий металл// Бол.ин-та "Черметинформация", Черная металлургия.-1990.-М.-С.2-18»

2. Виброимпульсная обработка цветных сплавов /Пилшенко В.Л., Смирнов А.Н., Петтик Ю.В. и др.//Гехнология и организация пр-ва,-I987.-tf3.-C.45.

3. Повышение качества бронзовых отливок при использовании виб-р'ообработки /Смирнов А.П.,Петтик Ю.В., Волотинский В.З. к др.// лит ейное пр-во.-1988.-»1.-С.27.

4. ¡влияние условий вибромеханического воздействия при затвер-

девания на усадку и свойства алюминиевого слитка /В.Л.Пилюшенко, А.Н.Смирнов, А.Л.Редько, Ю.В.Петтик и др.//Известия вузов. Черная ме .'аллургия. -1988. ~М2. -С. 29-32.

5. Особенности влияния виброимпульсного воздействия низкой ' частоты на подавление усадочных дефектов в слитке /В.Л.Пилюшенко, А.Н.Смирнов, Ю.В.Петтик и др,- В кн.:Разяивка стали в изложницу и качество слитка//МЧМ СССР (ИЧМ) М.: Металлургия, 198?. С.14-18.

6. Повышение стойкости чугунных изложниц вибрационной обработкой /А.Н.Смирнов, В.Л.Пилюшенко, Ю.В.Петтик и др.//Металлург.-I989.-if0.-C.36.

7. Ocena ut te ajo. ui&rcurionocj clejsWa. na ^ or mir an.je od.?t\rala. u procesu a^t-Koiroa otxrrdnia-u-anja / S.WalijasevtC,

A.N.SmtrnoVjY.LZuBov*, J.V.PeUtfc // Лкьарстао.- <989. -ti 34 - G.3-?.

8. A.c. 1342592 СССР, МНИ4 В 22 Д 27/08., Способ получения слитка /В Д.Пилюшенко, Ю.В.Петтик, А.Н.Смирнов и др.- № 4072257/31-02; Заявл. 27.05.86; Опубл. 07.10.87, Бол. №37.

9. А;с. 1353572 СССР, МКИ4 В 22 Д 27/06. Способ получения слитка /В.Л.Пилюшенко, Ю.В Петтик, А.К.Смирнов и др.- № 4096330/31-02; Заявл. 16.07.86; Опубл. 23.11.87, Бюл. №43.

10. A.c. 1468652 СССР, МКИ4 В 22 Д 27/Otí, 11/10. Способ получения слитков /А.Н.Смирнов, Ю.В.Петтик, Т.В.Чернобаева и др. -

Ii 4241829/31-02; Заявл. II.05.87; Опубл. 30.06.89, Бюл. №22.

11. A.c. 1509175 СССР, МКИ4 В 22 Д 27/08. Способ обработки • слитков /А.Н.Смирнов, Ю.В.Петтик, Т.В.Чернобаева и др. -

» 4268464/31-02; Заявл. 07.04.87; Опубл. 23.09.89, Бюл. №35.

12. A.c. I532197 СССР, МКИ4 В 22 Д 27/08. Способ вибрационного воздействия на затвердевающий металл/А.Я.Шварцер,А.Н.Смирнов, Ю.В. Петтик и др. -M299256/3I-02 ; Заявл. 29.06.87 ; Опуб л. 30.12.89, Бюл.К48.

13. A.c. I570B44 СССР, МКИ5 В 22 Д 27/08. Способ обработки затвердевающего слитка /А.Н.Смирнов, Ю.В.Петтик, М.Л.Плеплер и дп. -№ 4395736/31-02; Заявл. 22.03.88; Опубл. 15.06.90, Бюл. № 22.

34. Ас. 1574350 СССР, МКИ5 В 22 Д 7/00,27/08. Способ получения отливок /А.Н.Смирнов, Ю.В.Петтик, В.Л.Пилюшенко и др. -№ 4405871/31-02; Заявл. 08.04.88; Опубл. 30.06.90, Бюл. №24.

15. A.c. 1639879 СССР, МКЙ5 В 22 Д 7/06. Способ обработки изложниц перед разливкой /А.Н.Смирнов, Ю.В.Петтик, Б.П.Крикунов и др.- » 4672806/02; Заявл. 04.04.89; Опубл. 07.04.91, Бюл. № 13.