автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии получения и повышения качества крупногабаритных отливок (слитков) при литье в кокиль

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ДНЕПРОДЗЕРЖИНСК!!*! ГОСУДАРСТВЕННЫЙ п ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МИЛЕШ>1ШЙ Игорь Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОТЛИВОК (СЛИТКОВ) ПРИ ЛИТЬЕ В КОКИЛЬ

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепродзержинск - 1996 г.

Диссертация на правах рукописи Работа выполнена в Днепродзержинском государственном техническом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, академик АННУ, заслуженный

деятель науки и техники Украины ОГУРЦОВ

Анатолий Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

академик АИНУ ИСАЕВ

Евгений Ильич

кандидат технических наук, доцент ПРОНСКОЙ

Леонид Иванович

Ведущая организация - Акционерное общество

«Новокраматорский машиностроительный завод», г.Краматорск

КЛЛЗрЛ

Защита состоится _1996г.

на заседании специализированного ученого совета Д 37.01.01 Дненродзерясинского государственного технического университета по адресу: 322618, г.Днепродзержинск, Днепропетровской области, ул.Днепростроевская, 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дне-продзержинского государственного технического университета.

Автореферат разослан " /«Г» 19 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

ЧЕРНОВ Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛЬОТЫ

Актуальность работы н степень ее нзучегмости

Основными задачами промышленности Украины в настоящее время является удовлетворение потребности народного хозяйства в высококачественной конкурентоспособной продукции. В соответствии со стратегией развития черной металлургии, направленной на повышение технико-экономических показателей производства, предъявляются более высокие требования к качеству отливок и слитков.

Одним из основных средств решения задачи повышения качества литых изделий, при одновременном снижении расхода энергии и материалов, является переход на более прогрессивные технологии, в том 'теле и литье в металлические формы. При этом резко улучшаются условия и производительность труда, снижаются припуски на обработку, повышаются служебные свойства отливок и слитков. Доля отливок получаемых литьем в кокиль, постоянно растет.

Анализ существующих способов отливки крупногабаритных слитков и отливок позволил установить, что основными отрицательными свойствами технологии литья в кокиль являются высокая химическая г'и структурная неоднородность литых изделий, повышенная склонность отливок к образованию трещин.

Качество слитков и отливок в значительной степени связано с явлениями происходящими в расплаве до его затвердевания, и при переходе металла из жидкого состояния в твердое. В этот период происходит формирование физической, химической и структурной неоднородности в затвердевающих сплавах, которые практически не изменяются при дальнейшей обработке литых изделий. С увеличением массы слитков и отливок значительно возрастают трудности экспериментального изучения процессов гидродинамики и теплопереноса при их затвердевании. В этом случае все большее значение приобретают методы математического моделирования.

Задача повышения качества слитков и отливок при литье в кокиль обуславливает целесообразность дальнейших исследований и разработки рациональных режимов заполнения литейных форм, определения параметров затвердевания отливок в кокиле.

Цель работы.

Разработка и освоение новых технологических процессов производства крупногабаритных отливок ( в том числе и биметаллических) при литье в кокиль, обеспечивающих повышение их эксплуатационных свойств при минимальных материальных затратах.

В работе основным методом исследования принят метод комплексный метод математического и экспериментального моделирования теплофизических и гидродинамических процессов в соответствии со специально разработанными планами активного и пассивного экспериментов. Вместе с тем, с целью проверки результатов моделирования этот метод дополнен исследованиям!; механических

характеристик отливок, анализом металлографических и химических свойств отливок с использованием стандартных методик и оборудования.

Научная новизна

Основные положения, характеризующие научную новизну, заключаются в следующем:

=> разработана математическая модель гидродинамики заполнения расплавом с учетом свободной поверхности формы под действием внешних сил и процессов тешюпереноса при формирования отливки (слитка) с учетом теплового взаимодействия системы отливка - термическое покрытие - кокиль; => разработана инженерная методика определения теплофизических характеристик материалов и сплавов на основе обработки данных экспериментов и решения обратной задачи теплопроводности; => определены рациональные параметры заливки серого чугуна в кокиль при отливке тюбингов метрополитенов;

определены рациональные режимы заполнения изложницы под действием центробежных сил при отливке двухслойных листопрокатных валков и оптимальные параметры цикла отливки, обеспечивающих качественную рабочую поверхность валка; => установлены рациональные режимы получения слитков качественных марок сталей с использованием шлакообразующего материала в виде выплавляемого стержня, получены критериальные соотношения позволяющие определить параметры шлакового стержня при разливке слитков сифоном.

Автор выносит на защиту:

♦ математическую модель и алгоритм расчета процессов гидродинамики заполнения и затвердевания слитков (отливок) в изложнице;

♦ инженерную методику определения теплофизических характеристик металлов и сплавов;

♦ результаты комплексного исследования по определению рациональных режимов получения чугунных тюбингов, двухслойных валков и слитков в кокилях;

♦ разработанные новые технологические процессы литья тюбингов в кокиль и центробежную отливку двухслойных валков;

♦ новую технологию получения крупных слитков качественных марок углеродистых и низколегированных сталей при разливке сифоном с использованием шлакообразующих стержней.

Практическая ненность работы:

О в результате проведенных исследований определены параметры литниковой системы для отливки тюбингов в кокиль; подобрана соответствующая кокильная краска для предотвращения поверхностного отбела отливки и обеспечивающая требуемые пределы прочности изделия;

О определены оптимальные технологические режимы отливки валков для шетопрокатных станов центробежным способом, позволяющие получить требуемую глубину и твердость рабочего слоя; О определены рациональный состав и параметры шлакового стержня при получении крупногабаритных слитков. Промышленная отливка показала на значительное повышение качества слитков, снижение головной обрези, уменьшение ликвации и пористости, и улучшение структуры слитка.

Результаты работы прошли опытно-промышленную проверку и внедрены на Лутугинском объединении по производству валков, Опытном заводе ННИМехчермет и Днепровском металлургическом комбинате. Результаты работы внедрены также в учебный процесс на металлургическом факультете при чтении леший и проведении практических занятий по курсам "Моделирование и оптимизация процессов в литейном производстве", "Разливка и кристаллизация стали". Экономический эффект, полученный при внедрении составил на экспериментальном литейном производстве НИИМехчермет 111 тыс.руб в 1988 г. и на Лутугинском объединении по производству валков 1090 тыс.крб в 1992 г.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Зональной научно-технической конференции "Применение ЭВМ для разработки технологических процессов литья, проектирования оснастки и анализа качества отливок" (г.Ярославль, 1987 г.), IV научно-технической конференции "Автоматизация проектирования и управления качеством отливок" (г.Санкт-Петербург,1991 г.), Международной научно-технической конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в турбулентных течениях" (г.Алушта, 1992 г.), VIII международной научно-технической конференции "Теория и практика кислородно-конвертерных процессов" (г.Диепроиетровск, 1994 г.).

Публикации

По материалам диссертации 0пуб]ппс0ван0 11 печатных работ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 180 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Выбор объекта и методологии исследования

Возрастающая популярность процесса литья в кокиль обусловлена его несомненными достоинствами и рядом четко выраженных преимуществ перед традиционными способами изготовления отливок. Главные из них относятся к эффективности процесса литья и качеству литых изделий. Повышение эффективности связано с такими особенностями литья в кокиль, как многократность использования форм и сокращение цикла отливки заготовок.

Актуальыой проблемой является изыскание номенклатуры отливок и слитков для перевода на кокилыюе литье, в первую очередь крупногабаритных заготовок.

Слитки трубной стали, двухслойные листопрокатные валки и чугунные тюбинги являются характерными представителями отливок, которые целесообразно получать литьем в кокиль (табл.1).

Таблица 1

Основные характеристики заготовок получаемых литьем в кокиль

Наименование Сплав Габариты, мм Характерный размер, мм Масса, кг Объем выпуска, тыс.т/год

Слитки трубной стали 10...45 Дхр 2460 х 700 х780 375 7700 3000.0

Листопрокатные СЧ + 5100 х 400 15500 20.0

двухслойные валки легаров. чугун 0800

Тюбинги СЧ20 1000 х 460 14 250 50.0*

метрополитенов х 200

Несмотря на различия отливок по весу, технологии изготовления, видам сплавов они имеют общие черты:

- тепловые и гидродинамические процессы, протекающие при заливке форм жидким металлом и его последующем затвердевании, оказывают существенное влияние на ход формирования отливки, плотность и однородность литого металла;

- условия кристаллизации заготовок имеют одинаковую физическую природу и в значительной степени зависят от теплофизических и геометрических параметров кокильной формы.

Выбор методики исследования:

Тепловые явления во многом предопределяют служебные и технологические свойства отливок (слитков). Одним из наиболее эффективных методов исследования процессов литья является математическое моделирование. Теоретические основы математического моделирования гидродинамических и теплофизических процессов разработаны достаточно полно.

К недостаткам существующих моделей процессов литья относятся упрощение реальной гидродинамической картины на начальных этапах заливки, а также методов моделирования заполнения тонкостенных крупногабаритных отливок. Отсутствуют методы расчета гидродинамических процессов центробежного литья с учетом движения свободной поверхности расплава.

Ряд вопросов оптимизации тепловых режимов и конструктивных параметров применительно к разливке слитков в изложницы, получения тонкостенных отливок и центробеяаюго литья слитков нуждается в корректировке и уточнении.

Существующие методы определения теплофизических свойств сплавов и

материалов являются достаточно сложными и требуют применения специальных

лабораторных установок.

В связи с этим сформулированы следующие задачи работы:

♦ разработка инженерной математической модели теплофизических и гидродинамических процессов литья в кокиль слитков получаемых стационарным и центробежным способами, крупногабаритных тонкостенных отливок;

♦ исследование тепловых и гидродинамических процессов с учетом свободной поверхности жидкого металла при заполнении и затвердевании крупных отливок и слитков;

♦ определение рациональных режимов запивки крупногабарипных слитков и отливок, обеспечивающих снижение трещннообразовашм и дефектов в отливке;

♦ построение инженерных моделей определения оптимальных технологических параметров процессов литья в кокиль;

♦ разработка инженерной методики мгределения теплофизических свойств и композитных материалов.

Методика моделирования процессов при литье в кокиль

Учет движения жидкого металла со свободной поверхностью реализуется на основе модифицированного варианта метода маркеров, при этом жидкий металл рассматривается как несжимаемая ньютоновская жидкость. Основные уравнения, описывающие течение жидкого металла в приближении Буссинес.ка к процессов теплообмена при охлаждении и затвердевании отливки, в тензорной форме имеют вид

I \ дР п\д(\ 3 ^ (и-у) =--+ ,9 „

си 1 д /

— + ----(.

дт

■л

б.И

Ли

\ I о и

•"Ж

о

д» 1 дх гк дг

1 ¿(г1 -и)

JL.fl

гк дг

' дг.

(1)

(2)

дг

+ — = 0;

(3)

\дт дг ск ) г дг\ дг) <йг V ¿гУ

где и,у - составляющие вектора скорости; Р- нормированное давление; г,г -пространственные координаты; к - вид системы координат (к=0 - декартовая, к=1 - цилиндрическая); у,ф - эффективный коэффициент вязкости; С- удельная теплоехмкость; А, - теплопроводность; Т - температура; 1"г, Рг - составляющие вектора внешних сил.

При стационарном способе литья Рг=0, при центробежном литье Рг=со -г, где ю - угловая скорость вращения жидкого металла в форме. Для определения величины со система уравнений (1...4) дополняется новьш уравнением

да \ д t \ д / ч

I ЁЛ ^Ё.

г дг\ дг

¿?а>

(5)

Вертикальная составляющая вектора внешних сил принимает значения:

К =

-g.(l+fi.(T-Tj), (6)

-g+g-p\T-Tog)+sh-m-s-

^ Pu'

где g - ускорение свободного падения; |3 - коэффициент объемного температурного расширения; Tog - температура нулевой жидкотекучести металла; рс - плотность неметаллических включений в металле; р„ - плотность жидкого металла; S - объемная доля неметаллических включений в расплаве. В соотношении (6) использовано приближение Буссииеска о том, что плотность жидкого металла отклоняется от своего среднего значения лишь вследствие температуры или наличия в среде металла неметаллических включений.

Теплопередача в двухфазной зоне и в твердом металле описывается уравнением типа (4), но при отсутствии конвективных составляющий переноса тепла (u=v=0). Выделение теплоты фазового перехода L при затвердевании жидкого металла в интервале ликвидус Tl- солндус Ts учитывается эффективной теплоемкостью

h

¡C(T)-dT + L = — (7)

В основу численной реализации уравнений переноса импульса (1...3,5) положена явная схема расщепления по физическим факторам О.М.Белоцерковского с использованием "шахматной" сетки. Для определения конфигурации свободной поверхности одновременно с неподвижной эйлеровой сеткой, в которой определяются переменные (P,u,v,T) используется лагранжева сетка дискретных частиц-маркеров. Согласно методу маркеров частицы распределяются не только на поверхности, но и по всему объему. Маркеры движутся со скоростью, вычисляемой интерполированием между значениями локальной скорости среды в соседних ячейках эйлеровой сетки. Для выполнения условия баланса массы поступившего металла в объем формы количество маркеров определялось предварительными расчетами. Эффект "исчезновения" массы в объеме металла свойственный методу маркеров был устранен специальным "пересчетным" алгоритмом. Уравнение теплового состояния аппроксимируется по трехслойной пересчетной схеме Н.И.Никитенко.

На основе описанного алгоритма разработан комплекс программ на алгоритмическом языке Турбо Паскаль версии 6.0.

Оценка достоверности и проверка адекватности математической модели производилось сопоставлением расчетных данных с известными аналитическими решениями и проведенными экспериментами в промышленных и лабораторных условиях.

На процессы заполнения и затвердевания металлов в значительной степени влияют их теплофизические свойства. По литературным данным теплопроводность и теплоемкость одних и тех же материалов и сплавов могут колебаться в пределах 15...40%. Поэтому для более точного определения коэффициента температуропроводности разработана достаточно простая инженерная методика. В печь типа 'Гаммана устанавливался тигель с исследуемым материалом и установленными тремя термопарами по сечению образца. При нагреве образца фиксируются температурные поля в центре, на поверхности и в некоторой промежуточной точке образца. Определение тенлофизических параметров С,рД основано на решении следующей задачи о нагреве образца в пета

_ дТ 1 ( . 0ГЛ ...

Су ■ — = -• \г-л ■— , (8)

от г V ст)

Т(г,0)=Т0; (9)

Г(Л,т) = р(г); (10)

= 0 (И)

дг

Здесь соотношение (9) устанавливает равномерное распределение температур по сечению образца. В уравнении (10) задается закон изменения температуры на поверхности образца <р(т), полученный в результате проведенного эксперимента. Из уравнений (8... 11) определялась температурная функция Т(г,т), которая удовлетворяет следующему условию

>? = [2И>;,г,)-г(>;,г,.)|] <<?, (12)

где ТЭ,ТР - значения температур определенных экспериментально и расчетным путем для коррдинаты точки г; в момент времени т,; к - количество выделенных точек для сравнения с экспериментальными данными; 8 - предельная величина невязки.

Решение уравнения теплопроводности (8) производилось по неявной конечно-разностной схеме с использованием метода прогонки. Выполнение ограничения (12) в процессе решения уравнения теплопроводности представляет собой задачу оптимизации подбора соответствующих коэффициентов полинома Х(Т)=ао+а,*Т+а2*Т2, С(Т)=Ъ ЪI*Т+Ь,*Т и направленной на минимизацию невязки г]—^шш. Для проведения оптимизации в многофакторном пространстве использован метод последовательного симплекса с автоматическим выбором шага перемещения симплекса.

Исследование типологических процессов получения

отливок тюбингов

В странах СНГ и за рубежом отливка тюбингов производится в разовые песчаные формы. В условиях ограниченной и постоянной номенклатуры отливок становится целесообразным применение постоянных металлических форм при которых значительно сокращается производственный цикл, повышаются механические свойства и качество отливок.

Процесс отливки в кокиль характеризуется повышенной скоростью охлаждения, это увеличивает вероятность появления в отливках отбела, что и затрудняет механическую обработку. Снижение величины отбела достигается путем нанесеиия на поверхность кокиля теплоизоляционного покрытия. По данным технических условий предел прочности отливок должен составлять 205...240 МПа. Для получения требуемых механических характеристик скорость затвердевания по данным структурной диаграммы Гиршовича-Баландина должна составлять 0,05...0,20 мм/с. Проведенная серия вычислительных экспериментов при изменении термического сопротивления краски от 1,0...1,8*10"3 м2К/Вт показала, что средняя скорость затвердевания лежит в пределах 0,20...0,12 мм/с. С увеличением термического сопротивления покрытия более 1,5*10'3 м2К/Вт наблюдается продолжительное стояние двухфазной зоны которая и приводит к ухудшению структуры отливки. Поэтому за основу принята кокильная краска с термическим сопротивлением в пределах 1,1...1,2*10' м2К/Вт. На практике использована двухслойная краска на основе сажи МП-15, смачивателя ОП-7 и жидкого стекла с эффективным коэффициентом теплопроводности 0,420 Вт/(мК) и толщиной нанесения 0,4...0,5 мм (теплопроводность краски определялась по данным замеров температур и решения обратной задачи теплопроводности).

Не меньшее влияние на характер протекания процессов формирования отливок оказывает продолжительность заполнения металлом формы.

В результате расчетов параметров литниковой системе по методике Г.М.Дубицкого установлено, что продолжительность заполнения полости формы составило 9,1 с и суммарная площадь сечения питателей 78,8* 10"4 м2.

Опытная отливка тюбинга при продолжительности заливки 10 с показала, что в месте стыка спинки тюбинга с ребрами жесткости возникали горячие трещины, чт"о связано с неравномерным характером затвердевания тонких и толстых частей. Рациональным способом выравнивания градиента температур по сечению отливки является варьирование продолжительности заливки. В расчетах, время заливки принималось от 10 до 40 с при соответствующих сечениях питателей от 78,8*10"4 м2 до 19,7*10^ м2. С точки зрения условий заполнения наиболее спокойным является вариант заливки с продолжительностью 40 с. Однако как показали расчеты металл в форме при тмл =40 с не заполнил форму вследствие "перемерзания" канала в тонкой части отливки. Анализ градиентов температур по сечению отливки при различных вариантах заливки показал, что их минимальные значения наблюдаются при продолжительности заполнения кокиля 30...35 с.

Результаты экспериментальных отливок (табл.2) полностью подтвердили расчетные данные.

Таблица 2

Результаты экспериментальных отливок тюбингов

Сечение питателя, *104 м2 Продолжительность заливки, с Отлито тюбингов

всего, шт в т.ч. брак

шт. %

78,4 10...13 7 7 100,0

42,5 20...23 2 2 100,0

36,5 25...28 2 2 100,0

27,2 30...35 12 1 8,3

Неподатливость метадгогческой формы препятствует свободной усадке металла отливки, вызывая образование в них горячих трещин. Теоретически раскрытие формы нужно производить па этапе предусадочного расширения. Определение времени выдержки в закрытой форме г в зависимости от температуры заливки Тзал, начальных температур стержня Тсг и кокиля Тк производилось на основе полного факторного эксперимента 24 по следующей зависимости

(13)

где Т - средпемассовая температура фланца отливки. Линейное уравнение в кодированном масштабе имеет вид

Т=10]9,6+3,3*Х1+8,2*Х2+5,8*ХЗ-94,6*Х4+2,0*Х2*Х4Н-1,8*ХЗ*Х4 , (14) где X], Х2, Х3, X» - температура заливки, начальная температура стержня, начальная температура кокиля и время выдержки соответственно.

Проведенный анализ уравнения (14) позволил установить время выдержки отливки в закрытой форме до достижения среднемассовой температуры отливки 1040... 1050 °С в пределах 135... 140 с в зависимости от температуры заливки 1260... 1280 °С и начальных температур кокиля Тст=220 °С, Тк=250 "С. Проведенные эксперименты подтвердили, что при меньшей выдержке на радиальных фланцах у основания наблюдались подтеки незатвердевшего металла.

На основании проведенных исследований была разработана технология и отлито несколько партий тюбингов. Результаты стендовых испытаний кольца из тюбингов отлитых в кокиль приведены в табл. 3. После первого эксперимента на стенде были внесены изменения в конструкцию тюбинга в сторону увеличения толщины ребер жесткости.

Таблица 3.

Результаты испытаний на прочность колец тюбингов_

Диаметр Требуемая Фактически Коэффициент

кольца,мм нагрузка по выдержанная запаса

ТУ 348-401-89, нагрузка,

кН/м2 кН/м2

1 5490 600 840 1 1,40

2 5490 600 1720 2,87 1

3 5490 600 1560 2,60

4 6000 600 1600 2,46

5 6000 600 1680 2,58

Таким образом стендовые испытания показали, что новая конструкция обделки по прочностным характеристикам с коэффициентом запаса 2,6 полностью отвечают условиям применения ее при строительстве перегонных тоннелей метрополитенов.

Совершенствование технологических параметров получения

двухслойных листопрокатных валков

В настоящее время наиболее совершенным способом изготовления прокатных валков является центробежное литье. Изготовление центробежполитых двухслойных валков позволяет снизить расход металла до 40...50%, в том числе легирующих элементов.

Использование в практике центробежного литья кокильных красок с невысоким термическим сопротивлением 11(=(0,9...1,0)*10~3 м2К/Вт позволяет получить валки с высоким качеством отбеленного рабочего слоя. Для получения равномерных условий теплоотвода в системе отливка-кокиль и снижения градиента температур по высоте бочки валка использована новая конструкция подвижной литниковой системы. Определение рациональной скорости подъема литниковой системы и количества проходов литниковой трубы (КпР) вдоль бочки валка производилось с использованием вычислительных экспериментов. Установлено, что заливка с Кпр=1,5 обеспечивает достаточно равномерное распределение температур по высоте бочки валка. При этом торцы бочки имеют более низкие температуры (1212...1216 °С) по сравнению с центром бочки валка (до 1260...1290 °С). С точки зрения эксплуатационных свойств валка это наиболее благоприятный вариант отливки, поскольку обеспечивается более высокая скорость охлаждения торцов валка и которые подвергаются наибольшим нагрузкам при прокатке.

Отливка валков при ограниченной частоте вращения (450 об/мин) и количестве проходов литниковой системы Кпр=1,5 обуславливает образование разнотолщинности залитой порции металла рабочего слоя до 20 мм по высоте бочки кокиля. Результаты исследований кинетики нарастания литой корки показывают, что неравномерность фронта затвердевания по высоте валка составляет до 12 мм на момент заливки второго слоя чугуна. Заливка второй порции металла приводит к подплавлению затвердевшей корки и обеспечивает уменьшение разнотолщинности фронта затвердевания до 2...3 мм. Таким образом эти данные опровергают ранее имеющиеся представления об отливке протяженных цилиндрических изделий на машинах с вертикальной осью вращения при оборотах не менее 1000 об/мин.

Анализ экспериментальных отливок двухслойных валков показывает, что образование трещин на поверхности валка происходит во время охлаждения рабочего слоя и на момент заливки порции металла формирующего переходную зону. Одним из основных параметров, которые в значительной степени определяют условия затвердевания и охлаждения отливки являются температура заливки Т3, начальная температура кокиля Тк и время выдержки х, до заливки металла другого химического состава. Для определения влияния основных технологических факторов на рост литой корки температуры металла на

свободной поверхности Т„1 и в месте контакта отливки с кокилем Т„г применен метод планирования эксперимента по ортогональному центральному композиционному плану 2-го порядка. Результаты расчета получены в виде квадратичной зависимости

{У}=ао+а1*Тз+а2*Тк+аз'|:тв+а12:,:Тз*Тк+а1з*Тз*тв+а2з*Тк*тв+

ап*Т32+а22*ТЛазз*тД (15)

где ао,аьа2,...,азз - расчетные коэффициенты регрессии (табл.4); {У}т Т„1, Т112} - функции выхода: толщина литой корки, температура на свободной поверхности металла, температура металла в зоне контакта отливки и кокиля соответственно.

Таблица 4

Расчетные значения коэффициентов регрессии по оргоналыюму

композиционному плану второго порядка

Виды ао а] а2 а3 а12* а,з* а2з* ап* а22* азз*

функций {У} 104 10^ 104 ю-4 104 10Г4

943.1 -1.522 -0.164 1.042 1.477 -9.591 -3.177 6.317 0.991 5.938

Тп2 3476.5 -4.761 -0.109 0.112 1.582 -7.793 -11.23 17.308 3.613 18.219

Тп. -1513.6 3.074 0.089 -3.790 -1.580 35.368 7.395 -14.526 -1.720 -24.247

Для определения оптимального времени выдержки между заливками рабочего слоя и второго слоя формирующего переходную зону выбран критерий оптимизации в виде функционала, который учитывает максимальную глубину отбела при условии минимального градиента температур по сечению рабочего слоя

г = (16)

о

где Ьь Ь2, Ьз - весовые коэффициенты; тк - общее время выдержки с учетом времени заливки.

Минимизация функционала Р производилась по методу золотого сечения с использованием зависимостей (15), свободным параметром выбрано время выдержки V По результатам расчета построена инженерная номограмма оптимального времени выдержки металла до следующей заливки в зависимости от начальной температуры кокиля и температуры заливки. Анализ показал, что наиболее благоприятным фактором снижающим температурные градиенты по сечению рабочего слоя валка является повышение начальной (перед заливкой) температуры кокиля до 180,..200°С.

На основе проведенных исследований были уточнены параметры отливки двухслойных валков с нанесением тонкой кокильной краски с термическим сопротивлением Использование номограммы

определения времени выдержки между заливками порций металла на этапе формирования рабочего слоя и рациональных режимов заливки через подвижную литниковую систему с количеством проходов вдоль бочки валка равным К„р=1.5 позволило практически полностью уйти от брака по трещинам и расслоению.

Номограмма определения оптимального времени выдержки рабочего слоя валка до заливки слоя серого чугуна

1300 1310 1320 1330 1340 1350 1360 1370 Температура заливки рабочего слоя, град.С

Рис.1

Опытная партия центробежных валков отлитая по разработагаюй технологии поставлена на два широкополосных стана "2000" Череповецкого и Новолппецкого комбинатов. Оценку качества изготовленных валков производили по условной износостойкости

У =-ьру ц

- д'

(17)

где Мст - масса прокатанного металла,т; Бн, Вк - начальный и конечный диаметр валка соответствешю до и после эксплуатации, мм.

Результаты эксплуатации центробежнолитых валков приведены в табл. 5. Эксплуатационные характеристики центробежнолитых валков по удельной износостойкости (т/мм) оказались выше валков отлитых в стационарные формы в среднем на 200...300%. Отливка валков с использованием тонкой кокильной краски позволила увеличить в 2...2,5 раза глубину рабочего слоя и обеспечить большие возможности для переточки валков в пределах конструкции стана.

Эксплуатационные характеристики валков

Таблица 5

Изготовитель, Размеры бочки Бн,мм Вк,мм мст, Число У 1 юн»

стан валка, мм тыс.т уста- т/мм

новок

Стационарные валки

лопв,

стан НЛМК 800x2000 299 32 1780

318 27 2210

280 18 1890

Центробежнолитые валки

ЛОПВ,

стан НЛМК 800x2000 814 790 130 52 5603

стан ЧерМК, 802 760 308 52 7454

(АО "Северсталь") 810 757 361 56 6835

809 756 342 53 6528

812 776 181 18 5114

805 774 174 29 5604

Исследование формирования стальных слитков при разливке сифоном с использованием шлакообпазуюннгх стержней

При разливке стали в изложницы на поверхности слитков возникает большое количество дефектов в виде брызг, плен, трещин, заворотов и др. Для защиты жидкого металла от воздействия кислорода атмосферы и улучшения условий формирования качественной поверхности слитка применяют разливку под слоем шлака. Основные принципы разливки стали под шлаками разработаны В.А.Ефимовым. Несмотря на общее существенное повышение качества слитка, новая технология привела к повышенной загрязненности донной части слитка.

Это свзязацо, по-видимому, с захватом струей поступающего металла шлакообразующей смеси, которые затем вмораживаются в корковом слое слитка.

На основании анализа существующих технологий ввода шлакообразующих смесей, а также методов воздействия на процесс кристаллизации стальных слитков А.П.Огурцовым предложен новый способ ввода рафинирующего шлака в виде литого стержня. Этот способ состоит в том, что перед разливкой металла по оси изложницы устанавливается стержень. В процессе наполнения изложницы металлом стержень отбирает тепло из осевой зоны жидкой сердцевины слитка на собственный нагрев и плавление. Во время плавления стержня происходит рафинирование жидкой стали всплывающими частицами жидкого шлака. Несмотря на достаточно большой накопленный экспериментальный материал по использованию шлаковых стержней, вопрос по выбору рациональной массы для крупных слитков остается открытым.

Материал шлакового стержня должен иметь: достаточно низкую температуру плавления; обладать высокими раскисляющими и обессеривающими способностями; жидкий шлак должен хорошо отделяться от металла.

Анализ известных составов синтетических шлаков показал, что наиболее подходящим под вышеперечисленные критерии подходит смесь с содержанием Сар2=10%, СаО=45%, А120з=45%. Физические свойства шлака, определенные по известным методика приведены в табл.5

Таблица 5

Физические свойства жидкого шлака, образующегося _при плавлении рафинирующего стержня_

Показатель Размерность Величина

Адгезия шлака к металлу мДж/м 600

Когезия шлака мДж/м2 820

Вязкость шлака (Т=1500...1550°С) Па-с 0,3...0,5

Плотность шлака кг/м3 2500...2570

Интервал температур плавления °С 1100...1200

Теплофизические свойства шлакового стержня в твердом состоянии определены по разработанной инженерной методике. В результате обработки экспериментальных данных получены следующие зависимости: ЯШ=15,6-8,645*10"3*Т, Вт/мК СШ=994-0,206*Т, Дж/кгК Т е [20...900] °С

Средние значения теплопроводности и теплоемкости шлаковой смеси составляют соответственно А.ш=11,6 Вт/мК; Сш=899 Дж/кгК.

Выбор параметров шлакообразующего стержня производился для 8-тонного слитка, отливаемого в изложницы марки С-8 в условиях мартеновского производства Днепровского металлургического комбината.

Для определения связи между массой стерши М^ массой слитка Мсл, температурой заливки Т:и.,ъ времени расплавления Тра0П и средней температурой жидкого ядра в слитке Т*, использована функциональная зависимость

^С^ст» МСл, Тзал, Трасп, 1 зал» Тжя) ~ О (18)

Согласно я-теореме указанная зависимость представлена в виде четырех критериев подобия

711=(Мс,/Мсл)*100; ЯгПрасп/Тил;

Лз=(Тзал-Т8)/(ТОЕ-Т8); 714= (Т-же-Т5)/(Т„8-ТЯ) Моделирование процесса было проведено при изменении диаметра стержня от 50 до 300 мм, времени заливки от 420 до 600 с, температуры заливки от 1570 до 1600°С.

Обработка результатов с использованием метода наименьших квадратов на ЭВМ позволила установить значения неизвестных коэффициентов

ч / ч 0,2795 / ч -03596

= 3,5950- —— ■ 100 -И1

\гзл„) 1МС„ ) I Т^-Т.

(19)

= 1,4257-Г^. ИоГ" /^^Г"

По данным (19) построены зависимости продолжительности плавления стержня и температуры жидкого ядра в момент расплавления стержня. Анализ показывает, что при массе стержня свыше 3% от массы слитка теоретическая температура жидкого ядра составляет ниже 1455°С (температуры нулевой жидкотекучести стали). Следовательно, масса стержня, которая полностью расплавляется в слитке и обеспечивает значительный охлаждающий эффект находится в пределах 1,5...3% от массы слитка.

Отливку слитков массой 8т спокойного трубного металла с выплавляемыми шлаковыми стержнями (1,7% от веса слитка) производили в уширенные кверху изложницы С-8 . Было отлито пять опытных слитков, при этом четыре из них были прокатаны на трубную заготовку, а из одного был вырезан осевой темплет снят серный отпечаток и выполнена оценка качества макроструктуры. При сравнении с аналогичным слитком, полученным по принятой в цехе технологии (табл.7), сделаны следующие выводы:

- глубина залегания усадочной раковины более чем в два раз меньше, чем в сравнительном слитке;

- подусадочная ликвация в теле опытного слитка практически отсутствует, тогда как в обычном слитке распространяется на глубину около 70 мм от конца усадочной раковины;

- осевая пористость и У-образная ликвация на опытном слитке развиты крайне слабо и имеет протяженность 380 мм, а на обычном слитке она четко выражена и распространяется на глубину 1170 мм;

- почти вдвое снижается протяженность зоны столбчатых кристаллов, что свидетельствует о достаточно быстром снижении градиента температур по сечению жидкой фазы слитка и переходу к образованию зоны равноосных кристаллов.

Таблица 7

Характеристика макроструктуры опытного (со стержнем) и сравнительного __(уширенного кверху слитков)_

Высота (глубина), мм Протяженность, мм

слитка до прибыльной части прибыльной части усадочной раковины подусадочной ликвации ллотного "моста" осевой V-образной ликвации шпуров зональной ликвации размеры нижнего конуса

2150/2145 365/465 145/360 нет/70 230/нет 380/1170 1620/1650 нет четких границ

Горизонт в% к высоте слитка Радиус слитка, мм Ширина структурных зон, мм Расстояние от поверхности слитка до 1 шнура зональной ликвации

корковой столбчатых кристаллов неориентированных кристаллов осевой пористости кольца зональной ликвации

0 330/335 15/10 40/90 280/170 нет/145 30/35 160/190

10 320/320 15/10 50/80 255/160 нет/150 70/60 170/100

20 320/315 10/10 45/80 260/160 нет/150 50/80 160/100

30 315/310 10/10 50/80 250/260 нет/145 20/60 130/150

40 350/350 10/10 50/80 245/150 нет/140 70/60 130/190

50 300/300 10/10 50/80 240/130 нет/145 40/70 120/130

60 295/295 10/10 80/80 250/110 нет/150 70/70 80/140

70 290/290 15/10 70/90 205/100 нет/140 50/80 110/110

80 90 285/287 280/285 15/10 70/90 202/- 2/нет 50/50 140/150

15/- 60/- 210/- нет/нет -/- -/-

На основании вышеприведенного можно сделать вывод, что по всем контролируемым показателям опытный слиток выгодно отличается от обычного. Полученные результаты подтвердили в том, что испытанный способ применения ишака в виде стержня для рафинирования и охлаждения жидкого ядра слитка имеет значительные преимущества перед существующими, причем с увеличением массы слитка достоинства предложенного метода будут возрастать.

Основные результаты и выводы:

В процессе решения поставленных в диссертационной работе задач

получены следующие основные результаты:

1. На основе изучения особенностей протекания физических процессов формирования слитков и отливок в кокилях разработана математическая модель, учитывающая условия заполнения литейной формы и кристаллизационные процессы. Математическая модель описывается системой двухмерных уравнений гидродинамики и теплопереноса с учетом свободной поверхности расплава и переменными во времени граничными условиями. Разработанный алгоритм реализован на основе метода конечных разностей с использованием специальных частиц-маркеров отслеживающих свободную поверхность.

2. Разработана методика определения теплофизических характеристик материалов при высоких температурах. Идентификация коэффициента температуропроводности по экспериментальным значениям температур обеспечивает высокую точность, достоверность результатов подтверждена расчетными значениями критериев Фишера и Стьюдента.

3. Исследование тепловых и гидродинамических процессов при отливке тюбингов в кокиль позволило определить теплофизические параметры кокильной краски с вели'шной термического сопротивления (1.1...1.2)*10'3 м2К/Вт для получения отливок с пределом прочности 205...240 МПа; определена конструкция литниковой системы с сечением питателя (26...27)*10^ м2 и продолжительность заполнения литейной формы в течение 30...35 с, обеспечивающих минимальные температурные градиенты по сечению отливки в местах сопряжения тонких и толстых частей; с использованием метода математического планирования экспериментов (реализован план 24) определено рациональное время выдержки отливки в закрытой форме от момента заливки до ее извлечения в пределах 140...135 с в зависимости от технологических параметров; определены циклы работы кокиля позволяющие поддерживать стабильный тепловой режим на автоматизированных установках, установлено, что после первой заливки технологический цикл составляет 18...19 мин, а затем тепловая работа кокиля находится в стационарном режиме и его цикл составляет 38...40 мин.

4. С использованием результатов численного моделирования разработана технология отливки тюбингов з кокиль. Проведенные стендовые испытания обделки из чугунных тюбингов показали, что кольцо обладает необходимым запасом прочности ( в 2.6 раза превышает требуемую расчетную нагрузку) и

отвсчает условиям применения ее при строительстве перегонных тоннелей метрополитенов.

5. На основе проведенных исследований с использованием математической модели расчета гидродинамических и тепловых процессов уточнены технологические параметры литья чугунных двухслойных прокатных валков на центробежной машине с вертикальной осью вращения:

- впервые в отечественной практике показана и теоретически подтверждена возможность получения практически цилиндрического рабочего слоя при параболической форме свободной поверхности;

- разработан принципиально новый режим заливки с подъемом литниковой системы, обеспечивающим предотвращение образование горячих трещин при отливке в кокиль с термически тонкой покраской и высоким уровнем теплообмена. Установлено, что при массовом расходе металла со скоростью заливки 60 кг/с и термическим сопротивлением кокильной краски Rt=(0.9... 1.0)* 10"3 м2К/Вт количество проходов литниковой системы вдоль бочки валка должно составлять Кпр=1.5;

- разработана инженерная номограмма определения времени выдержки между заливками рабочего и буферного слоя позволяющая совместно с новым режимом заливки практически полностью предотвратить образование трещин, обеспечить гарантированную свариваемость слоев и максимальную глубину отбела. сделан вывод о том, что наиболее благоприятным фактором снижающим температурные градиенты по сечению рабочего слоя валка является повышение начальной температуры кокиля до 180...200°С.

6. Эксплуатация отлитых валков показала, что по удельной износостойкости центробежнолитые валки превосходят валки стационарного литья в 2...3 раза.

7. Одним из наиболее эффективных способов воздействия на кристаллизующийся слиток с целью его охлаждения и рафинирования является применение расплавляемых литых шлакообразующих стержней. Предложен новый состав легкоплавкой шлакообразующей смеси включающей 10% CaF2, 45% СаО, 45% АЬОз. Определены теплофизические параметры смеси предложенного состава:

лш=11.б Вт/мК, Сш=899 Дж/кгК.

8. С использованием физического моделирования и численных экспериментов получены критериальные соотношения времени плавления и температуры жидкого ядра слитков в зависимости от массы стержня. Установлено, что масса стержня должна находиться в пределах 1.5...3% от массы слитка.

9. Проведенные промышленные испытания по отливке слитков в уширенные кверху изложницы со стержнем 1.7% от массы слитка в условиях мартеновского производства Днепровского металлургического комбината. Отмечено, что стержень предложенного состава полностью выплавляется в процессе кристаллизации слитка. Качество макроструктуры опытных слитков оказалось значительно выше слитков получаемых по обычной технологии.

10. Экономический эффект, полученный при внедрении составил на экспериментальном литейном производстве НИИМехчермет 111.15 тыс.руб в ценах по состоянию на 01.01.88г., и на Лутугинском объединении по производству валков 1090.07 тыс.крб в ценах по состоянию на 31.12.92 г.