автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии жидко-твердой разливки крупных кузнечных слитков из конструкционной стали для ответственных изделий

На правах рукописи

ТИТОВ Константин Евгеньевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЖИДКО-ТВЕРДОЙ РАЗЛИВКИ КРУПНЫХ КУЗНЕЧНЫХ СЛИТКОВ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ ДЛЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ

ИЗДЕЛИЙ

Специальность: 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена на кафедре Технологии материалов Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор,

лауреат премии Правительства РФ ЖУЛЬЕВ Сергей Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

лауреат Государственной премии СССР и премии Правительства РФ, заслуженный машиностроитель СССР ДУБ Владимир Семенович кандидат технических наук, профессор,

лауреат Государственной премии СССР ЯКУШЕВ Алексей Михайлович

Ведущее предприятие ЗАО «Волгоградский металлургический завод «Красный Октябрь» (г. Волгоград)

Защита состоится " 18 " ноября 2004 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д.212.127.01 при Московском государственном вечернем металлургическом институте в ауд. 206 по адресу: 111250, г. Москва, Лефортовский вал, 26., т/ф. (095) 361-16-19, e-mail: mgvmi-mail@mtu-net.ru. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного вечернего металлургического института.

Автореферат разослан

2004 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Т.И. Башкирова

2005-4 3

12388 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Наиболее сложной задачей при производстве ответственных изделий тяжелого машиностроения, судостроения, энергетики является получение крупных слитков с однородным химическим составом и равномерным распределением свойств по длине и сечению. Решение этой задачи усложняется с увеличением массы кованых деталей и соответственно слитков для их производства (до 100...500 т), что усиливает физико-химическую и структурную неоднородность металла. Этот рост обусловлен постоянным увеличением мощности агрегатов.

Вакуумная обработка, используемая для повышения качества стали, позволяет снизить концентрации кислорода, водорода, азота и сократить содержание неметаллических включений. Дефекты в крупном слитке в основном возникают вследствие развития процессов ликвации. Различная растворимость элементов в жидкой и твердой фазах приводит к обогащению границы затвердевания слоем ликвирующих примесей (углерод, сера, фосфор и др). Ликвационные процессы усиливаются с увеличением времени затвердевания и расширением температурного интервала кристаллизации. Образующаяся зональная ликвация приводит к различию свойств металла в объеме слитка.

Одним из путей решения этой проблемы является разливка с дисперсными инокуляторами как метод эффективного воздействия на процесс кристаллизации расплава, поскольку именно в период затвердевания происходит формирование кристаллической структуры, образование ликвационной неоднородности и сегрегация неметаллических включений. В настоящее время этим направлением занимаются ряд российских и иностранных ученых - Ефимов В.А., Затуловский С.С, Гольд-штейн Я.Е., Мизин В.Г., Жульев СИ., TumbuN D. и др.

Введение затвердевших капель в расплав при разливке увеличивает скорость затвердевания, снижает ликвацию примесей, уменьшает усадочную рыхлость. Играя роль внутренних теплостоков, затравки снимают перегрев жидкой стали и интенсифицируют объемное затвердевание, повышают физико-химическую однородность слитков и, таким образом, стабильность механических свойств металла поковок.

Однако использование в качестве твердых холодильников готового металлического порошка, обсечки, литой дроби, несмотря на положительный эффект в измельчении макроструктуры, показало их существенный недостаток - увеличение загрязненности стали неметаллическими включениями, в основном оксидами.

В настоящее время основные усилия должны быть направлены на изыскание методов, способствующих повышению однородности металла стальных слитков и при этом не усложняющих технологию их производства.

В связи с этим актуально развитие возможностей технологии разливки в вакууме с управляемым распылением части струи расплава и обеспечением условий затвердевания стальных капель в полете. Эти затвердевшие капли - инокуляторы, введенные в жидкий металл, снизят ликвационную неоднородность в слитке и повысят однородность механических свойств в крупных кованых изделиях ответственного назначения.

Диссертационная работа выполнена в рамках работ: / проекта Министерства промышленности, науки и технологии 6/354-03 «Разработка технологии производства металлургических заготовок повышенной однородности для изделий тяжелого машиностроения» (2003 г.) по распоряжению № 3.900/41-68 от 26.03.2003 «"' гранта Минобразования России 6/422-03 «Разработка металлургической технологии жидко-твердой разливки крупных слитков для ответственных изделий

энергетики» (2003+2004 гг.) по проекту А03-3.1 НАЦИОНАЛЬНАЯ |

ЛИОТЕКА,

БИБЛИОТЕК СПе 09

Цель работы: Повысить физико-химическую однородность крупного стального слитка в 1,5-2 раза за счет совершенствования жидко-твердой разливки в вакууме и обеспечить 2-3-кратную стабилизацию показателей механических свойств в кованых заготовках ответственного назначения.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1) Исследованы возможности способа по формированию твердых капель металла в периферийной зоне истекающей в вакууме струи при разливке крупных слитков.

2) Установлен характер воздействия инокуляторов на процесс кристаллизации и развитие ликвационной и физической неоднородности.

3) Определено требуемое количество, гранулометрический состав и температура твердых капель для обеспечения 1,5-2,0-кратного снижения ликвационной неоднородности в изделиях.

4) Доработана технология жидко-твердой разливки в вакууме до уровня, гарантирующего 2-3-кратное повышение стабильности показателей механических свойств по длине и сечению готовых изделий.

Методы исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов оптической и растровой микроскопии OLYMPUS BX21, NEOPHOT NU2/E, MSM-2, твердомеров, а также разработанных новых оригинальных методик с использованием компьютерных программ - определения плотности дендритной структуры1 и моделирования процесса кристаллизации слитка.

Научная новизна:

1. Выявлены закономерности образования затвердевших капель при жидко-твердой разливке в вакууме крупных кузнечных слитков: размер образующихся капель 0,2-5,0 мм, их температура 600-1300 СС.

2. Параллельным детальным исследованием двух кузнечных слитков стали марки 38ХНЗМФА, массой 24,2 т., установлено повышение доли объемного затвердевания (увеличение объема конуса осаждения в 1,5 раза и измельчение его структуры), что привело к устранению зоны дугообразных трещин и сокращению площади осевой рыхлости в 2 раза.

3. Установлено, что введение 1,5-2,6 % твердых частиц при жидко-твердой разливке повышает химическую однородность слитка и поковки в 1,5-2,0 раза и увеличивает стабильность свойств по длине кованых изделий в 2-3 раза.

4. Для максимального эффекта от разливки слитков с формированием твердой фазы в струе расстояние между направляющей трубой и прибыльной надставкой должно составлять 5 м, а количество инокуляторов 2,6 % от массы слитка.

Практическая ценность.

Усовершенствована и внедрена промышленная технология жидко-твердой разливки стальных слитков за счет твердых капель, формирующихся из струи расплава в вакууме, что позволяет снизить ликвационную неоднородность в 1,5-2 раза и повысить стабильность механических свойств по длине и сечению готового изделия в 2,0-3,0 раза. Результаты работы обеспечили производство качественные изделий ответственного назначения с новым уровнем стабильности свойств.

Внедрение на Волгоградском ПО «Баррикады» усовершенствованной технологии разливки позволило снизить отбраковку заготовок судовых валов, а также уменьшить количество термических переработок готовых изделий, что дало экономический эффект 585,975 тыс. рублей (доля автора 20 %).

1 В создании универсальной компьютерной программы «МГП» и детальном исследовании слитков принимали участие аспиранты кафедры «Технология материалов» Волгоградского государственного технического университета Титов К.Е., Руцкий Д В., Федоров Д.Н., Живов М.Е., Бузинов Е.И.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 5 международных конференциях (Донецк, 2001 г.; Липецк, 2001 г.; Москва, 2001 г.; Волгоград, 2002 г.; Темиртау, 2003 г.), российской конференции (Москва, 2002 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2002-5-2004 гг.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 2 статьи в центральных рецензируемых журналах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 139 страниц машинописного текста, 63 рисунка, 24 таблицы, и список литературы из 126 наименований.

. . ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко раскрыты сущность и актуальность рассматриваемых научно-технических проблем, изложены структура работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе рассмотрены вопросы теории и практики воздействия дисперсных частиц на процесс кристаллизации расплавов. Проведен анализ влияния железного порошка на процесс кристаллизации стальных слитков и отливок.

Анализ литературных данных показал, что определяющее влияние в зароды-шеобразующем действии твердых частиц имеет их кристаллическое сродство к затвердевающей фазе. Существенное воздействие на структурообразование в процессе затвердевания оказывают небольшие добавки веществ, поверхностно-активных (модификаторы I рода) или изоморфных (модификаторы II рода) по отношению к кристаллизующейся фазе.

Наиболее простым и рациональным является введение металлических порошков в струю расплава при разливке (например, железный порошок для стали). Частицы порошка, внесенные струей и равномерно распределенные по объему слитка, изменяют тепловые и физико-химические процессы кристаллизации, подавляя развитие физико-химической неоднородности литого металла. Применение в качестве инокуляторов изоморфных частиц (железных порошков) или 0,3-0,5 % активных элементов (суспензионное модифицирование) позволяет путем повышения однородности и дисперсности структуры, оптимизации формы и распределения неметаллических включений, устранения литейных дефектов (пористости, рыхлости, осевой и внецентренной ликвации) существенно повысить уровень и изотропность свойств литого металла и получить такие эффекты:

- при примерно равной прочности на 30-50 % и более (до 2,5-3,0 раз) повышаются пластические характеристики металла и на 25-30 % его ударная вязкость;

- снижение анизотропии свойств суспензионного металла в продольном направлении в поверхностной зоне связано с устранением структуры столбчатых кристаллитов, которая обычно характерна для этой зоны.

Положительное воздействие порошков на стабильность и уровень механических свойств сохраняется после ковки.

Таким образом, суспензионная разливка позволяет повысить технологические свойства: герметичность, трещиноустойчивость, длительную прочность стальных отливок, термостойкость, окалиностойкость, что способствует повышению долговечности и надежности работы литых деталей.

Однако, несмотря на улучшение макроструктуры слитков и отливок, использование металлического порошка или литой дроби в качестве инокуляторов приводит к увеличению загрязненности стали неметаллическими включениями, в основном оксидами. Ограниченность использования данной технологии вызвана сложностью

технологической цепочки получения дисперсных инокуляторов (порошка, дроби), для которых необходима защита их от окисления при хранении, транспортировке и вводе в слиток Этот недостаток имеющихся технологических решений по введению иноку-ляторов требует разработки технологических процессов разливки, исключающих хранение и окисление инокуляторов

Во второй главе приведены сведения о материале исследования - двух слитках стали 38ХНЗМФА, отлитых по обычной технологии и с инокуляцией струи, обоснован выбор стали 38ХНЗМФА для проведения исследований Описана методика исследования процесса образования инокуляторов из струи расплава с помощью специальных секторов ловушек (рисунок 1)

1-направляющая труба, 2-периферийная часть струи, 3-основная часть струи, 4-щелевидные счетчики, 5-прибыльная надставка, 6-вакуумная камера Рисунок 1 - Схема улавливания инокуляторов из струи расплава

Рисунок 2 - Зоны слитка, выявленные после травления

Описана методика исследования металла слитков, с применением современной компьютерной техники, по ряду параметров - подсчету количества кристаллов, их величины, длине и углу наклона к горизонтали наибольших осей дендритов. По совокупности всех этих параметров определяли границы структурных зон слитков (рисунок 2).

Такое детальное исследование кристаллической структуры слитков по множеству параметров и оценка возможности влияния на нее проведено впервые, и полученные результаты имеют самостоятельную научную ценность.

В третьей и четвёртой главах приведены результаты исследования образования инокуляторов. Экспериментально, в результате большого числа опытов в условиях промышленного производства, определены оптимальные условия для образования инокуляторов с помощью насечек на направляющей трубе. Их использование позволяет получать и в последующем вводить в изложницу 0,5-3,0 % инокуляторов, от массы отливаемого слитка, в зависимости от расстояния между направляющей трубой и прибыльной надставкой. Так же установлено, что заметный эффект от инокуляции достигается при высоте полета капель до прибыльной надставки равной 3-5 м. Уменьшение этого расстояния ниже Зм приводит к тому, что крупные капли диаметром более Змм не успевают затвердеть в полете и образуется всего 0,8-0,9 % инокуляторов от массы отливаемого слитка. Увеличение этого расстояния свыше 5м снижает качество поверхности слитка, вследствие чрезмерного раскрытия основной части струи и «обметалливания» внутренней поверхности изложницы.

Промышленные эксперименты показали изменение массовой доли инокулято-ров от высоты полета стали между направляющей трубой и прибыльной надставкой (рисунок 3). При отливке слитка струя делится на две зоны: основную, с пенопо-добным металлом, и периферийную - состоящую из мелких капель. Последние, вылетая под углом к основной струе, и постепенно от нее удаляясь, охлаждались и затвердевали в полете, после чего улавливались чугунной воронкой, установленной на прибыльной надставке, и скатывались в изложницу с жидким металлом. С увеличением расстояния между направляющей трубой и прибыльной надставкой возрастает количество капель образующих периферийную зону струи, а также степень их затвердевания.

2,8

^ 2,4 3 2,2 §■2,0 к 1,8

5.1,6 5 1,4 £ 1,2 2 1,0 Й 0,8 ? 0,6 * 0,4

5 0,2

0,0

0 1 2 3 4 5 6

Длина струи, м

Рисунок 3 - Изменение массовой доли инокуляторов от высоты полета капли (35-38ХНЗМФА, 38Х2Н2МА)

Специально проведенными экспериментами по улавливанию всех капель периферийной зоны струи (рисунок 1) при расстоянии между направляющей трубой и прибыльной надставкой 4 м, определен ее гранулометрический состав (рисунок 4). В периферийной части струи наибольшее количество составляют относительно мелкие капли диаметром до 1,5 мм, в то время как ближе к центральной части струи сосредотачиваются более крупные капли диаметром 2,5-5,0 мм. Доля крупных иноку-ляторов 2,5-5,0 мм составила около 50 % (рисунок 4). При образовании крупных капель велика вероятность того, что они, удаляясь от основной струи, могут разделиться на более мелкие. Данное положение подтверждается тем, что были обнаружены застывшие капли гантелеобразной формы, т.е. затвердевшие в процессе деления. Общее количество инокуляторов 1,76 %.

60

0,05-0,2 0,2-0,31 0,31-0,4 0,4-0,63 0,63-1,0 1,0-1,6 1,6 - 2,5 2,5 - 5,0

Гранулометрический состав, мм Рисунок 4 - Массовая доля фракций от общего количества инокуляторов.

При исследовании строения двух вакуумированных слитков отлитых по обычной технологии и с инокуляцией струи выявлены изменения в строении слитков (рисунок 5). Анализ кристаллической структуры металла двух слитков показал имеющуюся разницу в размерах дендритов и зонах. При этом установлено, что введение 1,76 % инокуляторов сокращает площадь осевой рыхлости в 2 раза, увеличивает площадь конуса осаждения на 9% и зону мелких различно ориентированных кристаллов на 34 %. При введении инокуляторов повышается однородность структуры конуса осаждения, что обеспечивает устранение осевого дефекта - дугообразных трещин. Как видно из рисунка 5 и таблицы 3, инокуляция оказала влияние на параметры кристаллов и зон, в формировании которых принимает участие осадочный механизм кристаллизации. Инокуляция интенсифицирует процесс объемной кристаллизации слитка, что и подтверждается проведенными исследованиями.

В результате исследования осевых объемов слитков установлено, что свойственные обычному слитку дугообразные трещины устраняются в слитке, отлитом по опытной технологии. При отливке слитка с инокуляцией струи происходит ускоренное формирование нижней части слитка, стабилизируется плотность кристаллов по высоте конуса осаждения, а в его вершине она на 35 % больше по сравнению с обычным слитком (рисунок 6).

I-1-1-1-1—I-1-1-1-1-1—I

О 200 400 600 800 1000

Расстояние от края слитка, мм

1 - корочка; 2 - столбчатые кристаллы; 3 - конус осаждения; 4 - мелкие различно ориентированные кристаллы; 5 -дугообразные трещины (присутствует только в обычном слитке); 6 -зона осевой рыхлости и V-образных трещин; 7 - крупные различно ориентированные кристаллы Рисунок 5 - Структурные зоны слитков.

Таблица 1 - Параметры кристаллических зон слитков

Зоны

I Параметр Столбчатые кристаллы Крупные различно ориентирован- I ные Мелкие различно ориентированные Конус осаждения Осевая зона

Слиток, отлитый по обычной технологии

Размер кристаллов, мм 15...90 24 6,5...14 9,90 4...8 6,5 4...6 4,5 4...15 5,6

Угол 18...26 37.5...56 53.5 ..71 55...68 30...75

наклона, град 24,3 43,8 61,43 61,57 50,5

Плотность кри- 0.5...2,5 1...3 2...4.5 2..4 1...3

сталлов, см-1 1,71 1,69 2,65 2,73 2

Слиток, отлитый с инокуляцией струи

Размер кристаллов, мм 17...80 26 6,5...14 9,71 5...9 6.82 4...6 4,86 4.,20,5 9,65

Угол наклона, 18...26 29...70 28... 67 19...55 26..61,5

град 23,7 43,31 47,85 36,67 43

Плотность кри- 1...3 2,2...4 2.5..3.5 1...3

сталлов, см-1 1,81 2,71 3 2,1

Примечание - в числителе интервал разброса значений, в знаменателе среднее значение

900

s 800 5

2 roo ts

о 600

(в п

| 500

° 400 «

X

5 зоо о ь о

g 200 а

100 о

0 1 2 3 4 5 6

Плотность зеренной структуры, шт/см

Обычный слиток • • - Слиток с инокуляцией

Рисунок 6 - Изменение плотности зеренной структуры по высоте конуса осаждения

На рисунке 8 представлено распределение углерода на различных горизонтах слитков отлитых по обычной технологии и с инокуляцией струи. Общая ликвация в слитке, отлитом по новой технологии, уменьшилась по С в 1,8 раз, в и Р в 1,2 раза.

а- обычный слиток; б- с инокуляцией струи

Рисунок 7 - Ликвация углерода в слитках штатной и опытной технологии отливки

Снижение ликвационной неоднородности объясняется тем, что при отливке слитка с инокуляцией струи создаются условия для падения температуры металла в струе. В результате расплав попадает в изложницу перегретым выше температуры ликвидус примерно на 10 °С (при обычной отливке перегрев стали составляет около 45 °С). Введенные инокуляторы, либо снимают оставшийся перегрев, либо снижают его до минимального. При плавлении инокуляторов образовываются локальные переохлажденные зоны со структурой ближнего порядка (кластеры), которые в послед-

ствии служат центрами кристаллизации, и облегчают зарождение изолированных кристаллов в близи фронта затвердевания. Эти кристаллы, опускаясь в нижнюю часть слитка, ускоряют формирование конуса осаждения и создают условия для более направленной кристаллизации слитка снизу вверх. Это предположение подтверждается, как увеличением конуса осаждения (рисунок 5), так и большим содержанием углерода в нем (рисунок 7).

Снижение химической неоднородности по высоте и сечению опытного слитка стабилизировало показатели механических свойств различных зон полученное пересчетом характеристик твердости металла НВ. Разброс ста,г и о„ по зонам уменьшился в 2-3 раза (таблица 2).

Таблица 2 - Механические свойства литого металла различных зон слитков

Наименование параметра Структурные зоны слитка

Столбчатые кристаллы Крупные различно ориентированные кристаллы Мелкие различно ориентированные кристаллы Осевая рыхлость и конус осаждения

Разброс предела текучести по высоте слитка ДОо.г, МПа 56/18 40/21 30/14 90/27

Разброс временного сопротивления по высоте слитка Дав, МПа Примечание: В числителе обычны 50/15 й слиток, в знаме 36/18 нателе слиток с 26/12 инокуляцией с/ 79/24 vpyu

В пятой главе даны результаты исследования влияния усовершенствованной технологии на зональную химическую и физическую неоднородность в объеме металла поковок и стабильность механических свойств по их концам.

В кованых заготовках из слитков массой 24,2-53,0 т отлитых с инокуляцией струи в среднем в 1,5-2,0 раза повысилась общая химическая однородность в зависимости от расстояния между направляющей трубой и прибыльной надставкой. В 1,5-3,0 раза понизился разброс механических свойств по концам ответственных изделий (роторов турбогенераторов, судовых валов и т.д.).

Обработка опытных данных по слиткам 39,5 т позволила выявить зависимость изменения разности содержания углерода по концам заготовок от количества внесенных инокуляторов, рисунок 8. Как видно из рисунка, разница в содержании углерода по концам заготовки напрямую зависит от количества внесенных инокуляторов.

Проведенное исследование поковок из слитков отлитых с инокуляцией струи позволило получить картину представленную на рисунке 9. Относительная разность углерода по оси и на периферии рассчитывалась по формуле:

где у Д Стр

А Син

дс -дс„„ —-— 100,

ДС,

(1)

тр

- относительная разность углерода,

- разница содержания углерода по концам поковки в слитках отлитых по традиционной технологии, %;

- разница содержания углерода по концам поковки в слитках отлитых с инокуляцией струи, %.

Рисунок 8 - Влияние количества инокуляторов на разность содержания углерода по концам поковок из слитков 39,5т

Полученное графическое изменение ликвации в зависимости от количества вносимых инокуляторов показывает, что достичь минимальной ликвации углерода по концам поковок возможно при 2,4-2,6 % инокуляторов от массы отливаемого слитка Такое количество инокуляторов, согласно рисунку 3, образуется при расстоянии между направляющей трубой и прибыльной надставкой 5 м

Количество внесенных инокуляторов т, % ХОсь заготовки • Зона образцов 1/3 R

Рисунок 9 - Изменение относительной разности углерода по концам поковок в зависимости от количества внесенных инокуляторов

Внедрение усовершенствованной технологии жидко-твердой разливки слитков на ФГУП ПО «Баррикады» (г. Волгоград) дало экономический эффект 585,975 тыс. руб. (доля автора составила 20 %) за счёт устранения брака, улучшения качества выпускаемой продукции и повышения однородности свойств готовых изделий.

Проведенная работа показала, что данный метод, способствует повышению однородности металла стальных слитков, не усложнят технологию их производства, а также не увеличивает себестоимость стали, трудоемкость ее получения и опасность негативного воздействия на экологию.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1) Определены наилучшие геометрические параметры литейной оснастки для формирования инокуляторов из струи расплава. Показано, что при вакуумировании металла в струе достигается образование 2,6 % инокуляторов.

2) Разработана технология, гарантирующая распыление периферийной зоны струи истекающей в вакууме, с формированием инокуляторов размером 0,2-5,0 мм и установлено, что для их полного затвердевания высота падения должна составлять около 5 м.

3) Исследованием кристаллического строения обычного слитка нормальной геометрии из стали 38ХНЗМФА, массой 24,2 т установлено значительное поражение осевой зоны усадочными дефектами: осевой рыхлостью - поражено 8 % осевого темплета, дугообразными трещинами - 2,3 %, химическая неоднородность в осевой зоне и высоте тела слитка по углероду составляет 45 %, сере 60 % и фосфору 50 %.

4) Определено, что при жидко-твердой разливке увеличивается объем конуса осаждения, формирующийся по объемному механизму кристаллизации, в 1,5 раза, что уменьшает протяженность осевой рыхлости и сокращает ее площадь в 2 раза, а так же устраняются дугообразные трещины. При этом степень ликвации по высоте тела слитка сокращается по углероду в 1,8 раз, сере и фосфору в 1,2 раза.

5) Установлено, что применение технологии жидко-твердой разливки позволяет в 1,5-2 раза снизить химическую ликвацию, что обеспечивает 2-3 кратное повышение стабильности механических свойств крупных кованых изделий ответственного назначения по длине и сечению.

6) Расчетно-экспериментальным путем установлено требуемое количество инокуляторов, равное 2,4-2,6 % от массы слитка, для полного снятия перегрева стали и достижения высокой физико-химической однородности по длине и сечению слитка.

7) Внедрение на Волгоградском ФГУП ПО «Баррикады» усовершенствованной технологии жидко-твердой разливки слитков для изделий ответственного назначения позволило снизить отбраковку заготовок судовых валов, а также уменьшить количество термических переработок готовых изделий, что дало экономический эффект 585,975 тыс. рублей (доля автора 20 %).

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

1. СИ. Жульев, С.Н. Чекалин, К.Е. Титов, Е.И. Бузинов. Применение вычислительной техники в исследовании макроструктуры металла слитка. II Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2002. - №10 - С. 180-184.

2. СИ. Жульев, С.Н. Чекалин, К.Е. Титов. Осевые трещины в крупном стальном слитке марки 38ХНЗМФА массой 24,2 тонны. II Вестник Уральского государственного технического университета - УПИ. Фундаментальные проблемы металлургии. - 2002. - №5. - С. 12-14.

3. Н.А. Зюбан, СИ. Жульев, К.Е. Титов. Исследование образования инокуляторов при вакуумной отливке слитков.// Материалы межгосударственной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия»: Сб. науч. тр. Часть 2.-Липецк: ЛГТУ, 2001 -С. 30-33.

4. СИ. Жульев, Н.А. Зюбан, С.Н. Чекалин, К.Е. Титов. Методика исследования структурной неоднородности стальных слитков. II Научные сообщения клуба докторов наук: Издание Волгоградского КДН. - 2000 - № 10. - С. 62-65.

5. С.И. Жульев, Н.А. Зюбан, К.Е. Титов, С.Н. Чекалин. Исследование структурной неоднородности стальных слитков. II Материалы международной конференции «Естествознание на рубеже столетий». Т. III. - М.:, 2001. - С. 25-26.

6. Жульев СИ., Чекалин С.Н., Титов К.Е. Структурная неоднородность нижней части кузнечного слитка конструкционной стали. II Научно-техническая конференция «Научно-инновационное сотрудничество»: Сб. науч. тр. МИФИ. В 3х частях. 4.2. М.: Типография МИФИ, 2002. - С. 168-169.

7. С.Н. Чекалин, К.Е Титов, С.И. Жульев. Исследование анизотропии свойств металла крупных кузнечных слитков. II Научные сообщения клуба докторов наук: Издание Волгоградского КДН. - 2002. - № 11. - С. 85-91.

8. Е.И. Бузинов, К.Е Титов, С.Н. Чекалин, С.И. Жульев. Автоматизация при измерении параметров перлитно-ферритной структуры металла точечным методом. II Научные сообщения клуба докторов наук: Издание Волгоградского КДН. -2002. - № 11. -С. 91-92.

9. С.И. Жульев, К.Е. Титов, С.Н. Чекалин. Структурная неоднородность крупного кузнечного слитка конструкционной стали. II Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы металлургического производства»: Сб. тр. Волгоградского гос. техн. ун-та. - Волгоград, 2002. - С. 177-180.

10. С.И. Жульев, С.Н. Чекалин, К.Е. Титов. Особенности строения вакуумного слитка массой 24,2 тонны стали марки 38ХНЗМФА. II Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы металлургического производства»: Сб. тр. Волгоградского гос. техн. ун-та. - Волгоград, 2002. - С. 180-184.

11. С.Н. Чекалин, Е.И. Бузинов, К.Е. Титов, С.И. Жульев. Программа автоматизированного металлографического анализа макро- и микроструктуры металла. II Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы металлургического производства»: Сб. тр. Волгоградского гос. техн. ун-та. - Волгоград, 2002. - С 193-197.

12. С.Н. Чекалин, К.Е. Титов. Изучение особенностей строения вакуумного слитка массой 24,2 тонны стали марки 38ХНЗМФА. II VII Конференция молодых исследователей Волгоградской области: Сб. тр. Волгоградского гос. техн. ун-та. -Волгоград, 2002. - С. 111-113.

13. К.Е. Титов, С.Н. Чекалин. Структурные зоны крупного кузнечного слитка. IV Конференция молодых исследователей Волгоградской области: Сб. тр. Волгоградского гос. техн. ун-та. - Волгоград, 2002. - С. 113-114.

14. С.Н. Чекалин, К.Е. Титов, Д.В. Руцкий, Д.Н. Фёдоров, Н.А. Зюбан, С.И. Жульев. Исследование возможности повышения выхода годного кузнечного слитка для изделий тяжёлого машиностроения.II Научные сообщения клуба докторов наук: Издание Волгоградского КДН. - 2003. - № 12. - С. 68-70.

15. Д.Н. Фёдоров, Д.В. Руцкий, К.Е. Титов, С.Н. Чекалин, С.И. Жульев. Использование компьютерных программ для оптимизации оснастки в металлургическом производстве для изделий машиностроения. II Научные сообщения клуба докторов наук: Издание Волгоградского кДн. - 2003. - № 12. - С. 71-73.

16. С.И. Жульев, К.Е. Титов, С.Н. Чекалин, Д.В. Руцкий, Д.Н. Фёдоров, М.Е. Живов. Структура и дефекты кузнечного слитка. 11 Международная научно-

»19 4 04

практическая конференция «Научно-технический прогресс в металлургии»: Сб. тр. Карагандинского, металлургического института. - Темиртау, 2003. - С. 100104.

17. К.Е. Титов, Д В. Руцкий, СИ. Жульев. Влияние инокуляции на подавление ликва-' ции в крупном стальном слитке.//У\\\ конференция молодых исследователей

Волгоградской области: Сб. тр. Волгоградского гос. техн. ун-та. - Волгоград, 2003.-С. 138-139.

18. К.Е. Титов, М Е. Живов, А В. Мозговой. Некоторые особенности кристаллической структуры нижней части стального слитка.// Научные сообщения клуба докторов наук: Издание Волгоградского КДН. - 2004. - № 13. - С. 41-44.

Личный вклад автора в опубликованные работы. Все выносимые на защиту научные и практические результаты получены автором лично и в соавторстве.

В работах [1,8,11] предложена методика исследования параметров дендритной структуры металла с помощью универсальной компьютерной программы, которая позволяет более быстро и точно провести исследования структуры металла. Настройка программы проводилась при участии автора. В работах [2,16] автором и др. проведено исследование дефектов крупных кузнечных слитков, были определены их размеры и параметры, и предложены рекомендации по их устранению. В работах [4,5,6,9,10,12,13,18] автором и др. предложена методика исследования структурной неоднородности стальных слитков нанесением секущих непосредственно на металл и проведено исследование структурной неоднородности стального слитка этим методом, который позволил выявить неизвестные структурные зоны (дугообразные трещины, мелкие различно ориентированные кристаллы) свойственные только крупным слиткам. В работах [14,15] автор принимал участие в исследовании возможности повышения выхода годного кузнечного слитка при оптимизации геометрических параметров слитка. В работах [3,17] автором показаны перспективы применения инокуляторов, а также исследовано образование инокуляторов при вакуумной отливке и их влияние на подавление ликвации и стабилизацию механических свойств в крупном стальном слитке.

Подписано в печать 40.2004

Бумага газетная. Печать офсет(| Уч.-изд. л._. Тираж 100 экз. Заказ У 01/. ьесплатно.

Типография Волгоградского государственного технического университета.

400131, Волгоград, ул. Советская, 35.

Введение

Глава 1 Вопросы теории и практики воздействия дисперсных частиц на процесс кристаллизации расплавов

1.1 Критерий выбора дисперсных частиц, как зародышеоб-разующих добавок

1.2 Анализ воздействия железного порошка на процесс кристаллизации стальных слитков и отливок

1.2.1 Формирование структуры и основные направления воздействия на кристаллизацию стального слитка

1.2.2 Методы воздействия на процесс кристаллизации стальных слитков и отливок

1.2.3 Предпосылки для получения дисперсных иноку-ляторов из струи расплава в вакууме в процессе отливки кузнечных слитков

При затвердевании стальных слитков вследствие неравномерности процесса кристаллизации и различной ее скорости в направлении от периферии к оси, а также изменяющихся условий теплоотвода (температурного градиента по сечению), развивается химическая и физическая неоднородность, которая приводит к анизотропии свойств в крупных кованых изделиях [1,2].

Наиболее сложной задачей при производстве крупных ответственных изделий тяжелого машиностроения, судостроения, энергетики, является получение слитков с однородным химическим составом и равномерным распределением свойств по длине и сечению [3]. Решение этой задачи усложняется с увеличением массы кованых деталей и соответственно слитков для их производства (до 100.500т), что усиливает физико-химическую и структурную неоднородность металла. Этот рост обусловлен постоянным увеличением мощности агрегатов.

Вакуумная обработка, используемая для повышения качества стали, позволяет снизить концентрацию кислорода, водорода, азота и сократить содержание неметаллических включений. Дефекты в крупном слитке в основном возникают вследствие развития процессов ликвации. Различная растворимость элементов в жидкой и твердой фазах приводит к обогащению границы затвердевания слоем ликвирующих примесей (углерод, сера, фосфор и др.). Ликвационные процессы усиливаются с увеличением времени затвердевания и расширением температурного интервала кристаллизации. Образующаяся зональная ликвация приводит к различию свойств металла в объеме слитка.

Развитие химической неоднородности по высоте и сечению крупных слитков приводит к нестабильности механических свойств по концам и в объеме металла заготовок судовых валов и других длинномерных изделий, полученных из них. Это обстоятельство вызывает необходимость примене ния повторных операций термической обработки (закалки, высокотемпературного отпуска) длинномерных изделий с целью усреднения величин характеристик мехсвойств. Не редки случаи, когда эти мероприятия не приносят желаемых результатов. Заготовки по своим механическим свойствам не достигают требований ГОСТов и ТУ, вследствие чего, готовые изделия бракуются.

На Производственном объединении «Баррикады» повторным термическим переработкам подвергается в среднем 15% произведенных судовых валов. В зависимости от диаметра поперечного сечения заготовок длительность этих операций составляет 2-15 суток, а срок сдачи готовых изделий заказчику, с учетом дополнительных переиспытаний механических свойств и чистовой мехобработки, затягивается на 1,5-2 месяца. Кроме того, в результате повторных термических переработок падает производительность термического оборудования. Необходимо также отметить, что невыполнение плана по поставкам отрицательно сказывается на экономической деятельности заводов, так как в случае отказа заказчика от пролонгации сроков договоров на поставку товарной продукции, предприятие-исполнитель несет большие убытки в виде штрафных санкций, превышающих стоимость самих готовых изделий.

Широко применяющиеся до настоящего времени методы воздействия для улучшения свойств внутренних объемов слитка основывались, главным образом, на регулировании внешнего теплообмена (в результате изменения температуры и скорости разливки, усовершенствования конструкции изложницы и прибыльной надставки, тепловой изоляции зеркала металла и др.). Практика показывает, что в настоящее время возможности этих способов воздействия на структуру уже исчерпаны [4, 5].

Следующим этапом решения проблемы качества стального слитка является применение методов внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл [6-9], которые условно разделены на три группы:

- физико-химические воздействия (применение чистой шихты, различные методы рафинирования стали от вредных примесей - перемешивание с. флюсами, синтетическими шлаками, газопорошковыми струями; без кремнистое вакуумуглеродное раскисление, модифицирование высокореакционными добавками и микролегирование);

- физические воздействия (введение в расплав низкочастотной и высокочастотной (ультразвуковой) вибрации, концентрированных источников энергии (электроимпульсная обработка, воздействие взрывом), перемешивание расплава электромагнитными силами, газоимпульсной обработкой, продувкой инертным газами и специальными механическими мешалками, повышение давления при кристаллизации); воздействия на теплофизические условия затвердевания (регулирование условий кристаллизации с помощью переплавных процессов, обогрева прибыли, введение микро- и макрохолодильников, раннее извлечение слитков из изложниц и обдув воздухом, прессование при наличии жидкой сердцевины, отливка слитков в водоохлаждаемые и тонкостенные изложницы, направленная кристаллизация и др.).

Несмотря на большой объем теоретических и экспериментальных исследований эти методы еще не получили широкого промышленного внедрения по ряду существенных причин:

- применение сложного и дорогостоящего оборудования;

- дефицитных и вредных в экологическом отношении материалов;

- незначительная эффективность воздействия в больших объемах кристаллизующегося металла;

- нестабильность получаемых результатов;

- применение материалов с многоэтапным циклом их получения (например, литая дробь, металлические порошки);

В настоящее время основные усилия должны быть направлены на изыскание мероприятий и методов, способствующих повышению однородности металла стальных слитков и при этом не усложняющих технологию их производства, а также не увеличивающих себестоимость стали, трудоемкость ее получения и негативное воздействие на экологию.

Из вышеприведенного анализа литературных источников следует, что проблема повышения качества крупного слитка существует и является, несомненно, актуальной, поскольку повышается спрос и уровень требований к все более крупным деталям агрегатов широкого спектра действия.

Одним из путей решения этой проблемы является разливка с дисперсными инокуляторами [10—15], как метод эффективного воздействия на процесс кристаллизации расплава, поскольку именно в период затвердевания происходит формирование кристаллической структуры, образование ликва-ционной неоднородности и сегрегация неметаллических включений, и других дефектов, которые не устраняются на последующих переделах.

Введение затвердевших капель в расплав при разливке увеличивает скорость затвердевания, снижает ликвацию примесей, уменьшает усадочную рыхлость [16]. Играя роль внутренних теплостоков, затравки снимают перегрев жидкой стали и интенсифицируют объемное затвердевание, повышают физико-химическую однородность слитков и, таким образом, стабильность механических свойств металла поковок [17-19].

Однако, использование в качестве твердых холодильников готового металлического порошка, обсечки, литой дроби, несмотря на положительный эффект в измельчении макроструктуры, показало их существенный недостаток - увеличение загрязненности стали неметаллическими включениями, в основном оксидами [20-25]. Ограниченность применения данной технологии вызвана рядом серьезных нерешенных проблем, главными из которых являются: необходимость организации специального производства инокуляторов (порошка, дроби), их рассев по фракциям, защита от окисления при хранении, транспортировке и вводе в слиток [26, 27]. Кроме того, имеющиеся способы и устройства к ним для обработки жидкой стали дисперсными инокуляторами не получили широкого промышленного внедрения из-за недостаточно отработанной технологии, сложности эксплуатации и ряда конструктивных недостатков [28].

В настоящее время основные усилия должны быть направлены на изыскание методов, способствующих повышению однородности металла стальных слитков и при этом не усложняющих технологию их производства."

В связи с этим актуально развитие возможностей технологии разливки в вакууме с управляемым распылением части струи расплава и обеспечением условий затвердевания стальных капель в полете. Эти затвердевшие капли -инокуляторы, введенные в жидкий металл, снизят ликвационную неоднородность в слитке и повысят однородность механических свойств в крупных кованых изделиях ответственного назначения.

Диссертационная работа выполнена в рамках работ: •S проекта Министерства промышленности, науки и технологии 6/35403 «Разработка технологии производства металлургических заготовок повышенной однородности для изделий тяжелого машиностроения» (2003 г.) по распоряжению № 3.900/41-68 от 26.03.2003. S гранта Минобразования России 6/422-03 «Разработка металлургической технологии жидко-твердой разливки крупных слитков для ответственных изделий энергетики» (2003^-2004 гг.) по проекту АОЗ— 3.17-343.

Промышленные эксперименты проводились на ФГУП ПО "Баррикады".

Научная новизна:

1. Выявлены закономерности образования затвердевших капель при жидко-твердой разливке в вакууме крупных кузнечных слитков: размер образующихся капель 0,2-5,0 мм, их температура 600-1300 °С.

2. Параллельным детальным исследованием двух кузнечных слитков стали марки 38ХНЭМФА, массой 24,2 т., установлено повышение доли объемного затвердевания (увеличение объема конуса осаждения в 1,5 раза и измельчение его структуры), что привело к устранению зоны дугообразных трещин и сокращению площади осевой рыхлости в 2 раза.

3. Установлено, что введение 1,5-2,6 % твердых частиц при жидко-твердой разливке повышает химическую однородность слитка и поковки в 1,58

2,0 раза и увеличивает стабильность свойств по длине кованых изделий в 2-3 раза.

4. Для максимального эффекта от разливки слитков с формированием твердой фазы в струе расстояние между направляющей трубой и прибыльной надставкой должно составлять 5 м, а количество инокуляторов 2,6 % от массы слитка. На защиту выносятся:

1) Результаты исследования возможностей способа по формированию твердых капель металла в периферийной зоне истекающей в вакууме струи при разливке крупных слитков.

2) Результаты детального исследования характера воздействия инокуляторов на процесс кристаллизации и развитие ликвационной и физической неоднородности.

3) Определено требуемое количество, гранулометрический состав и температура твердых капель для обеспечения 1,5-2,0-кратного снижения ликвационной неоднородности в изделиях.

4) Доработана технология жидко-твердой^разливки в вакууме до уровня, гарантирующего 2-3-кратное повышение стабильности показателей механических свойств по длине и сечению готовых изделий. Практическая ценность. Усовершенствована и внедрена промышленная технология жидко-твердой разливки стальных слитков за счет твердых капель, формирующихся из струи расплава в вакууме, что позволяет снизить ликвационную неоднородность в 1,5-2 раза и повысить стабильность механических свойств по длине и сечению готового изделия в 2,0-3,0 раза. Результаты работы обеспечили производство качественные изделий ответственного назначения с новым уровнем стабильности свойств.

Внедрение на Волгоградском ПО «Баррикады» усовершенствованной технологии разливки позволило снизить отбраковку заготовок судовых валов, а также уменьшить количество термических переработок готовых изделий, что дало экономический эффект 585,975 тыс. рублей (доля автора 20%).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 5 международных конференциях (Донецк, 2001 г.; Липецк, 2001 г.; Москва, 2001 г.; Волгоград, 2002 г.; Темиртау, 2003 г.), российской конференции (Москва, 2002 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2002ч-2004 гг.).

1 Вопросы теории и практики воздействия дисперсных частиц на процесс кристаллизации расплавов

Теория кристаллизации указывает наиболее перспективное направление в разработке методов целенаправленного управления кристаллизацией металлических расплавов — увеличение числа центров кристаллизации [29-31]. Причем наиболее сильное зародышеобразующее влияние оказывают готовые кристаллы кристаллизующейся фазы вследствие полного смачивания и полного сходства кристаллических решеток [32-35]. I

1.1 Критерии выбора дисперсных частиц, как зародышеобразующих добавок

Для выбора дисперсных частиц, как катализаторов зарождения центров кристаллизации при производстве металлов и сплавов, угол смачивания и межфазное натяжение на границе кристалл-расплав, критериями служить не могут, поскольку их количественные значения теоретически установить не представляется возможным без предварительных экспериментальных исследований [36-38]. Поэтому многие авторы [14, 3941] при выборе катализаторов зарождения центров кристаллизации рекомендуют, исходить из принципа кристаллохимического соответствия зародыша и подложки.

П.Д. Данков [23, 42] при количественной оценке данного принципа исходил из условия, что работа образования зародыша на подложке должна включать энергию деформации, вызванную различием параметров их кристаллических решеток. При этом энергия деформации может изменяться от 0 (при образовании зародыша на кристалле из кристаллизующегося расплава) до некоторой максимальной величины, не превышающей работы образования трехмерного зародыша, то есть Е < Ак.

Исходя из закона Гука, П.Д.Данков для энергии деформации получил следующую зависимость:

E = (Gn+Gn)M2a, (1.1) где G\\, G\2 - модули упругости кристалла при растяжении и сдвиге; а - параметр кристаллической решетки

А/ - величина деформации квадратного зародыша со стороной /. »

Если взять предельный случай, при Етгх = Ак , то получим:

GH + Gl2)-AI2a = 2-/2<j, (1.2)

С учетом, что I =п-а, а А/ = п-Аа , получим выражение для максимального различия параметров решеток подложки и зародыша:

Г.М. Близнаков [52] с учетом работ других авторов [43-48] несколько изменил данное выражение:

Ьа =2 I 2аа lG,t+Ga где у/— работа разрыва связей между двумя соседними частицами; ^„-работа отрыва одной частицы от подложки; 8 - работа деформации зародыша, отнесенная к одной частице; s = In—

Ро

Из выражения (1.4) видно, что Аатах уменьшается с повышением температуры кристаллизации и пересыщения. При постоянном значений данных параметров-Аятах тем больше, чем меньше разность {у/- то есть чем слабее взаимодействие между атомами зародыша, и чем сильнее атомы кристаллизующегося вещества притягиваются подложкой. Приведенные формулы выбора катализатора ввиду отсутствия численных значений многих параметров являются, в основном, качественными и не могут быть использованы на практике. Д.Тернбалл и Б.Воннегат [51, 53], используя

-{у/-у/п-Е) kTs

1.4) дислокационную модель межфазной границы подложка-кристалл, нашли зависимость между степенью относительного несоответствия (5 =-ка/а) и переохлаждением AT при гетерогенном зародышеобразовании. На рисунке 1.1 приведен график этой зависимости AT от 8 при гетерогенном образовании центров кристаллизации алюминия.

Авторы [51] полагают, что межфазная энергия будет минимальной, когда наблюдается полное соответствие кристаллических решеток, то есть зародыш когерентно связан с подложкой. В этом случае 8 = £, где <^=(х-а)/а, а и х - параметры решетки до и после деформации. Если <£>£ то зародыш не когерентен и зарождение кристалла на подложке не происходит или происходит при больших переохлаждениях. При значениях, когда £-£<0,02 поверхность раздела фаз, разделенная участками дислокаций, имеет, в пределах малых областей, хорошее соответствие кристаллических решеток. Исходя из положения, что в межатомном слое поверхностная энергия, связанная с дислокациями, пропорциональна их плотности, авторы [51] находят межфазное натяжение на границе кристалл-подложка:

1.5) где у- величина, зависящая от типа химической связи; а.'{8—£) - величина, зависящая от структурного соответствия решеток.

О Qfll 002 005 Q.Q4 0,05 сГ

Рисунок 1.1— Зависимость переохлаждения от относительного несоответствия кристаллических решеток

При подстановке выражения (1.5) в формулу скорости зарождения центров кристаллизации при гетерогенном зародышеобразовании (была получена зависимость AT=J{8) [51].

В случае когерентного образования зародышей:

AT =

С л ASVJ

1.6) где Су - константа, зависящая от коэффициента упругости; - удельная энергия плавления.

Для не когерентного образования зародышей получена линейная зависимость AT от 8.

Согласно формуле (1.6), чем меньше AT, тем эффективней катализатор для данного кристаллизующегося вещества. Расчеты, проведенные для льда, хлористого натрия и алюминия в предположении, что зародыши возникают когерентно, как указывают авторы [51], показали хорошую сходимость вычисленного переохлаждения с измеренным.

В работе [53] на основании многочисленных опытов с оловом, цинком, сурьмой, алюминием, медью рекомендуют руководствоваться при выборе эффективных катализаторов зарождения тем, чтобы различие в параметрах плоскостей ориентационного соответствия кристаллических решеток зародышеобразующего агента и кристаллизующейся фазы не превышало 5-10%.

Однако в работе [54] при определении опытным путем переохлаждения на каплях алюминиевых сплавов, содержащих соединения, приведенные в таблица 1.1, оказалось, что заранее теоретически предсказанные авторами [51, 53] слабые катализаторы VC, TiC, TiB2 с большой степенью несоответствия кристаллических решеток с решеткой алюминия дают более сильный эффект зародышеобразования, чем сильные катализаторы. Этот факт подтвердился в работах Д.Е.Овсиенко [40, 49] и Р.У.Раддла [54].

Такое несоответствие теории с опытом показывает, что такой критерий, как физическая характеристика активности катализатора, является обязательной, но недостаточной предпосылкой при подборе дисперсных частиц. Очевидно, что кроме близости параметров кристаллических решеток зародыша и подложки должны учитываться такие факторы, как величина и тип связей, близость геометрии сопрягающихся плоскостей, состояние поверхности и др. Отсутствие надежно апробированных критериев, большое количество факторов, влияющих на эффективность зародышеобразующего воздействия не позволяет провести окончательный выбор оптимальных для каждого сплава порошкообразных добавок без проведения экспериментальных исследований и опытно-промышленной проверки, которые приобретают не только практическое, но и теоретическое значение [55].

Исходя из предложенных критериев, можно заключить, что наиболее эффективными катализаторами являются частицы изоморфные с кристаллизующейся фазой. С этой точки зрения представляет интерес анализ воздействия на кристаллизацию углеродистой стали частиц порошка, которые практически изоморфны к кристаллизующемуся железу, таблица 1.1 [54].

Таблица 1.1

Соединение металлов Формула соединения Вид кристаллической решетки Степень не соответствия плотноупаков. грани Эффект зародыше-образования

1 2 3 4 5 карбид ванадия карбид титана борид титана борид алюминия карбид циркония карбид ниобия карбид вольфрама карбид хрома карбид марганца карбид железа VC TiC TiB2 AIB2 ZnC NbC W2C Cr3C2 Mn3C Fe3C кубическая кубическая гексагональная гексагональная кубическая кубическая гексагональная сложная сложная сложная 0,014 0,060 0,048 0,038 0,145 0,086 0,035 сильный сильный сильный сильный сильный сильный сильный слабый слабый отсутствует

Выводы

1) Определены наилучшие геометрические параметры литейной оснастки для формирования инокуляторов из струи расплава. Показано, что при вакуумировании металла в струе достигается образование 2,6% инокуляторов.

2) Разработана технология, гарантирующая распыление периферийной зоны струи истекающей в вакууме, с формированием инокуляторов размером 1,6-5,Омм и установлено, что для их полного затвердевания высота падения должна составлять около 5м.

3) Исследованием кристаллического строения обычного слитка нормальной геометрии из стали 38ХНЗМФА, массой 24,2т установлено значительное поражение осевой зоны усадочными дефектами: осевой рыхлостью -поражено 8% осевого темплета, дугообразными трещинами - 2,3%, химическая неоднородность в осевой зоне и высоте тела слитка по углероду составляет 45%, сере 60% и фосфору 50%.

4) Определено, что при жидко-твердой разливке увеличивается объем конуса осаждения, формирующийся по объемному механизму кристаллизации, в 1,5 раза, что уменьшает протяженность осевой рыхлости и сокращает ее площадь в 2 раза, а так же устраняются дугообразные трещины. При этом степень ликвации по высоте тела слитка сокращается по углероду в 1,8 раз, сере и фосфору в 1,2 раза.

5) Установлено, что применение технологии жидко-твердой разливки позволяет в 1,5-2 раза снизить химическую ликвацию, что обеспечивает 2-3 кратное повышение стабильности механических свойств крупных кованых изделий ответственного назначения по длине и сечению.

6) Расчетно-экспериментальным путем установлено требуемое количество инокуляторов, равное 2,4-2,6% от массы слитка, для полного снятия перегрева стали и достижения высокой физико-химической однородности по длине и сечению слитка.

7) Внедрение на Волгоградском ФГУП ПО «Баррикады» усовершенствованной технологии жидко-твердой разливки слитков для изделий ответственного назначения позволило снизить отбраковку заготовок судовых валов, а также уменьшить количество термических переработок готовых изделий, что дало экономический эффект 585,975 тыс. рублей (доля автора 20%).

Заключение

Воздействие дисперсных инокуляторов оказывает положительное влияние на структуру, физико-химическую однородность, механические и специальные свойства литого металла. Это однозначно подтверждается результатами исследования поковок из слитков, отлитых по обычной технологии и с инокуляцией струи:

1)в заготовках из слитков новой технологии отливки, в зависимости от расстояния между направляющей трубой и прибыльной надставкой, в среднем в 1,2-2,0 раза повысилась общая химическая однородность;

2) в 1,5-3,0 раза понизился уровень разброса механических свойств по концам ответственных изделий (роторов турбогенераторов, судовых валов и т.д.);

3)при изготовлении поковки из слитка отлитого по новой технологии произошло снижение переходной температуры хрупкости с 16 °С до О °С.

4) установлено, что оптимальные результаты при использовании данной технологии, отливки слитков с инокуляцией струи, достигаются при введении 2,4-2,6 % инокуляторов. Данное количество инокуляторов образуется при расстоянии равном 5 м, между направляющей трубой и прибыльной надставкой;

1. Ефимов В.А. Задачи по ускорению научно-технического прогресса в области повышения качества стальных слитков и заготовок // Сталь — 1988.-№4.-С. 1-4.

2. Разливка стали в слитки: Сб. науч. тр/АН УССР. Ин-т пробл. Литья -Киев.-1987.-С. 3-4.

3. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали— М.: Металлургия, 1976.-552 с.

4. Ефимов В.А. Разливка стали в слитки // Формирование стального слитка.- М.: Металлургия 1986.- С. 6-13.

5. Рыжиков А.А. Технологические процессы направленного управления формирования отливок // Суспензионное и композиционное литье — Киев: ИПЛ АН УССР.- 1988.- С. 8-10.

6. Влияние внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл.- Киев: ИПЛ АН УССР.- 1983.- 207 с.

7. Скок Ю.Я., Лубенец Г.А., Нечепоренко Ф.И. и др. Снижение зональной химической неоднородности слитков путем модифицирования слитка // Сталь.- 1986.-№2.-С. 19-22.

8. Скок Ю.Я., Щеглов В.М., Козлова З.Л. Пути повышения химической однородности стальных слитков // Разливка стали в слитки.- Киев: ИПЛ АН УССР.- 1987.- С. 10-14.

9. Ефимов В. А. Влияние внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл // Проблемы стального слитка Киев: ИПЛ АН УССР.-1988.-С. 4-21.

10. Данилов В.И., Неймарк В.Е. Влияние условий кристаллизации на структуру алюминиевого слитка//Металлург.- 1938. -№10- С. 34-43.

11. Гудцов Н.Т. // Стальной слиток: Сб. тр. I Всесоюзной науч-техн. Сессии по стальному слитку М.: Металлургия - 1952 - С. 3-20.

12. Рыжиков А.А. Улучшение качества отливок — М — Свердловск: Машгиз, 1952.-267 с.

13. Новицкий В.К., Микульчик А.В., Блинов В.В. Исследование слитков свнутренними кристаллами // Кристаллизация металлов: Тр. IVсовещания по теории литейных процессов АН СССР - М.- I960 - С. 112-120.

14. Овсиенко Д.Е. Влияние нерастворимых примесей на кристаллизацию и структуру металлов // Кристаллизация металлов: Тр. IV совещания по теории литейных процессов АН СССР - М - I960 - С. 76-85.

15. Мадьянов A.M. Суспензионная разливка М.: Металлург. 1969.- 185 с.

16. Юрьев М.А., Гогин Н.С., Майоров и др. Теплофизические основы применения внутренних микрохолодильников для интенсификации процесса кристаллизации металла // Проблемы стального слитка: Тр. III Конференции по слитку М.: Металлургия - 1969.- С. 170-174.

17. Ефимов В.А., Легенчук В.И., Затуловский С.С. и др. Изучение особенностей затвердевания кузнечных слитков, отлитых с введением порошкообразных холодильников // Проблемы стального слитка: Тр. IV Конференции по слитку М.: Металлургия - 1969 - С. 283-288.

18. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливок. М.: Машиностроение, 1973.-288 с.

19. Журавлев В.А. Воздействие порошкообразных материалов на кристаллизацию непрерывного слитка // Изв. АН СССР. Металлы. т 1973.-№4.-С. 103-108.

20. Неймарк В.Е. Модифицированный стальной слиток. М.: Металлургия, 1977.-200 с.

21. Суспензионное литье. Киев: ИПЛ АН УССР, 1997.- 182 с.

22. Манохин А.И. Получение однородной стали. — М.: Металлургия, 1978224 с.

23. Литье с применением инокуляторов. Киев: ИПЛ АН УССР, 1981 — 220 с.

24. Затуловский С.С. Суспензионная разливка. Киев: Наукова думка, 1981.-260 с.

25. Суспензионное и композитное литье. Киев: ИПЛ АН УССР, 1988 - 128 с.

26. Абрамов В.П., Затуловский С.С., Майоров Н.П. и др. Однородность непрерывного слитка из углеродистой стали после суспензионной разливки // Проблемы стального слитка: Тр. IV Конференции по слитку -М.: Металлургия 1969.- С. 497-499.

27. Скворцов А.А., Соколов JI.A., Ульянов В.А. О применении водоохлаждаемых виброхолодильников при непрерывной разливке стали // Изв. АН СССР. Металлы.- 1980.- №1.- С. 61-65.

28. Кутищев С.М. Особенности отливки стальных слитков с охлаждающим инокулятором // Физико-химическое воздействие на кристаллизацию стали: Сб. науч. тр. Киев: ИПЛ АН УССР, 1982.- С. 121-126.

29. Данилов В.И. Строение и кристаллизация жидкостей. Киев: ИПЛ АН УССР, 1956.-424 с.

30. Сирота Н.Н. Состояние и проблемы теории кристаллизации// Кристаллизация и фазовые переходы. Минск: Наука и техника.- 1962-С. 11-58.

31. Сирота Н.Н. Влияние включений на процесс кристаллизации // Кристаллизация и фазовые переходы,-Минск: Наука и техника 1962-С. 82-106.

32. D. Turnbull, I.H. Hollomon // Сб. "Physics of powder metallurgy". New York.-1951.-p. 109-149.

33. K.A. Jackson Сб. "Progress in solid state chemistry". Oxfords, vol. 4-1967.-p. 53.

34. B. Richards // J. Amer. Soc., 54.- 1938.- p. 479.

35. Данилов В.И., Неймарк B.E. О зарождении центров кристаллизации в переохлажденной жидкости, о спонтанной кристаллизации жидкостей// Журн. эксперимент и теоретич. физики.- 1949 Т.19 - №13 - С. 235-241.

36. Данилов В.И. Вибран прац. Киев: Наукова думка, 1971.- 453 с.

37. Данилов В.И., Овсиенко Д.Е. Зарождение центров кристаллизации в переохлажденных жидкостях на активных примесях // Журн. экспериент. и теоретич. физики 1951.-Т.8.-№5.-С. 879-887.

38. Фукс. Н. // УФН.- 1935- Т.15- Вып.4- С. 496. Цитируется по: Прижибыл Й. Затвердевание и питание отливок: Пер. с чешек. Машгиз-1957.-288 с.

39. Козачковский О.Д. О влиянии рельефа поверхности механических примесей на кристаллизацию жидкостей // Вопросы физики металлов и металловедение: Сб. науч. работ лаборатории металлофизики Киев: АН УСССР, 1948.-С. 103-112.

40. Овсиенко Д.Е. Вопросы физики металлов и металловедения // Сб. науч.тр. Киев: АН УССР.- 1957.-№8.-С. 153-162.

41. I.N. Stranski, К. Kyleliew // Z.Phys.Chem., 142.- 1933.- p. 467.

42. Данков П.Д. Кристаллохимический механизм воздействия поверхности кристалла с чужеродными элементарными частицами // Журн.физическ.химии.- 1946 Т.20 - №8 - С. 853-869.

43. R. Lacmann, Z. Kristallogr. //116, № 1-2.- 1961.- р.13-26.

44. A.F. Wells // Сб. "Structure and properties of solid surface", Chicago-London.- 1953.- p. 240-264.

45. Фольмер M. Кинетика образования новой фазы: Пер. с нем.-М.: Наука, 1986.-208 с.

46. Чалмерс Б. Теория затвердевания: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1968288 с.

47. Данилов В.И., Помогайбо А.Г. О кристаллизации натрия и калия // Сб.науч.тр. ДАН СССР.- 1949.- Вып.68.- №5.- С. 843-846.

48. Уманский Я.С. Примечание к монографии У.Вайнгарда «Введение в физику кристаллизации металлов» М.: Мир, 1967.- 160 с.

49. Затуловский С.С., Куц Г.А. Алфинцев Г.А., Овсиенко Д.Е. Исследование особенностей воздействия железного порошка накристаллизацию железа и стали // Сб.науч.тр.: Новое в процессах литья т Киев.: ИПЛ АН УССР, 1974.- С. 88-94.

50. Жидкие металлы и их затвердевание // Сб.науч.тр.: Пер. с англ.- М.: Металлургиздат, 1962.-434 с.

51. D. Turnbull, В. Vonnegut // Ind. and Eng.Chem., 44.- 1952.- p. 1292.

52. Близнаков Г.М.// Кристаллография 1959 - Вып.4.- «2.- С. 136-141.

53. D. Turnbull // J. Chem.Phys., 20.- №2.- 1952.- p. 411.

54. Раддл Р.У. Затвердевание отливок. М.: Машгиз, I960 - 393 с.

55. Пржибл И. Затвердевание и питание отливок.- М.: Машгиз, 1957 288 с.

56. Чернов Д.К. и наука о металлах // Сб. Труды Д.К. Чернова. Под ред. Н.Т. Гудцова-М.: Металлургиздат, 1950 — 564 с.

57. Гудцов Н.Т. Физическая металлография (Курс лекций). Л.: ЛПИ, 1939.-564 с.

58. Гуляев Б.Б. Затвердевание и неоднородность стали. — М.: Металлургиздат, 1950 220 с.

59. Хворинов Н.И. Кристаллизация и неоднородность стали. М.: Машгиз, 1958.-392 с.

60. Штейнберг С.С. Слиток стали Свердловск.: УралОГИЗ, 1933 - 324 с.

61. Данилов В.И. Основные физические факторы кристаллизации // Сталь.-1955.— №10 С. 18-27.

62. Скобло С.Я., Казачков Е.А. Слитки для крупных поковок. М.: Металлургия, 1973- 248 с.

63. Колосов М.И., Строганов А.И., Смирнов Ю.Д., Охримович Б.П. Качество слитка спокойной стали. М.: Металлургия, 1973- 408 с.

64. Жульев С.И. Исследование процесса затвердевания осевой зоны крупного слитка спокойной стали. Кандидат, дис. М.: МИСиС, 1978 — 29 с.

65. Армстронг Р.В. Сверхмелкое зерно в металлах: Сб.науч.тр. М. Металлургия, 1973-С. 11-18.

66. Уолкер Дж.Л. Структура слитков и отливок // Жидкие металлы и их затвердевание: Сб.науч.тр.-М.: Металлургиздат, 1962-С. 122-129.

67. Патен Р. // 34-й Международный конгресс литейщиков: Сб.науч.тр. М.: Машиностроение, 1971- С. 147-158.

68. Духин А.И., Неймарк В.Е. К вопросу о кристаллизации слитка/ Затвердевание металлов: Труды второго совещания по теории литейных процессов М.: Машгиз, 1958 - С. 347-356.

69. W.A. Tiller // Liquid Metals and Solidification, ASM, Cleveland 1958 - p. 276.

70. Кузнецов В.Д. Кристаллы и кристаллизация. М.: ГИТТЛ, 1954.- 126 с.

71. Саратовкин Д.Д. Дендритная кристаллизация. М.: Металлургиздат , 1957.-127 с.

72. Иванцов Г.П. «Диффузионное» переохлаждение при кристаллизации бинарного сплава-ДАН СССР.- 1951.-Т.81.-№ 2.-С. 179-183.

73. Эльбаум К. // Успехи физических наук- 1963.- T.XXIX- Вып.З С. 137-143.

74. W. Roht, Betrachtungen uber das Erstarren von Metall-bloken // Zeitschrift fur Metallkunde, Bd. 25, 46.- 1933.

75. Иванцов Г.П. К вопросу о возможности «дождя» кристаллов в стальном слитке // Сталь.- 1952.- № 10.- С. 992-931.

76. W.C. Winegard, B.I. Chalmers // Trans.Amr.Soc.Met., 46.- 1954, p. 1214.

77. Голиков И.Н., Масленников Б.Н. Дендритная ликвация в сталях и сплавах. М.: Металлургия, 1977 - 217 с.

78. Флеминге М.К. Процессы затвердевания: Пер. с англ. -М.: Мир, 1977423 с.

79. Журавлев В.А., Китаев Е.М. Теплофизика формирования непрерывного слитка. — М.: Металлургия, 1974. 215 с.

80. Баландин Г.Ф. Основные теории формирования отливки. М.: Машиностроение, 4.1, 1976.-328 е., ч.2, 1979.-335 с.

81. Борисов В.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка. — М.: Металлургия, 1987.-224 с.

82. Ефимов В.А. Состояние и перспективы развития исследовательских работ в области усовершенствования процессов разливки стали и улучшения качества стальных слитков // Проблемы стального слитка: Tp.IV Конференции по слитку М.: Металлургия.- 1969 - С. 3-24.

83. W. Poppmeir, Solidificat. Metals // London, Iron and Steel Inst- 1968 p. 326.

84. Новиков И.И., Корольков Г.А., Соловьев B.B. и др. измельчение зерна при вибрации кристаллизующегося расплава // Литейное производство-1959.-№2.-С. 8-12.

85. Горшков А.А., Вагин В.В. Влияние встряхивания и вибрации на литейные и механические свойства алюминиевых сплавов // Сб.: Вопросы теории и практики литейного производства. Труды УПИ.~ Вып.60. Свердловск: Машгиз, I960 - С. 39-44.

86. Романов А.А. Литье в вибрирующие формы. М.: Машгиз, 1959 — 64 с.

87. Говорков В.М., Шебалин К.Н. Влияние вибрации на кристаллизацию металлов // Журн.теоретич.физики 1954.- Т.24.- Вып.2.- С. 1024-1031.

88. В.И. Леонтьев // Сб. "Проблемы металловедения и физики металлов", Труды ЦНИИЧМ, вып. 4, ГОНТИ, XX, М.- 1955.- с. 237.

89. П.И. Половинкин // Сб. "Рациональные технологические процессы литья", Труды МВТУ им. Баумана, вып. 8, М.: Машгиз 1950.- с. 142.

90. J.A. Guttus,//J. Of Iron and Steel., June.- 1959- p. 273.

91. B.E. Неймарк и др. // Литейное производство, № 9 — 1962.- С. 31-32.

92. Г.Ф. Баландин, Ю.П. Яковлев // Цветные металлы, № 1.- 1961.

93. Я.Б. Гуревич и др. // Сб. " Проблемы металловедения и физики металлов", Труды ЦНИИЧМ, вып. 6, М.: Металлургиздат.- 1959 - с. 193.

94. H.J. Seemann, Blispiele angew Fohrb // Traunhofer des Munchen, 1967.

95. И.И. Теумин. // Сб. " Проблемы металловедения и физики металлов", Труды ЦНИИЧМ, вып. 7, М.: Металлургиздат- 1962- с. 205.

96. И.Г. Полоцкий, Г.И. Левин // Сб. "Вопросы физики металлов и металловедения" Изд. АН УССР, Киев - 1959.- с. 146.

97. В.И. Леонтьев. // Сб. " Проблемы металловедения и физики металлов" -М.: Металлургиздат, т. 6 1959 — с. 139.

98. Т.И. Амфитеатрова и др. // Известия АН УССР, ОТН (топливо и металлургия), №6.-1961.

99. В.И. Тыжнов. Кремневосстановительный мартеновский процесс. // ОНТИ, М- 1936.

100. С.Е. Розенфельд и др. // Литейное производство, № 11.- 1957.- с. 25.

101. С.С. Затуловский, В. А. Ефимов. Некоторые вопросы теории и технологии суспензионного литья // Сб. Суспензионное лить — Киев: ИПЛ АН УССР, 1977, с.3-29.

102. И.В. Гаврилин, А.А. Рыжиков, А.В. Панфилов. Классификация видов суспензионного литья // Сб. Суспензионное лить — Киев: ИПЛ АН УССР, 1977, с.30-34.

103. Ю.Я. Скок, И.Н. Виноградский. В.А. Ефимов и др. Способы получения эндогенных суспензий металлических сплавов // Сб. Суспензионное лить -Киев: ИПЛ АН УССР, 1977, с.34-40.

104. М.А. Старосельский, Р.В. Чуднер, И.В. Гаврилин, Ю.Д. Железнов. Исследование железных порошков и их влияние на содержание неметаллических включений в металле при суспензионной заливке // Сб. Суспензионное лить Киев: ИПЛ АН УССР, 1977, с.40-50.

105. Г.А. Соколов. Внепечное рафинирование стали М.: Металлургия, 1977; 208 с.

106. А.Н. Морозов, М.М. Стрекаловский, Г.И. Чернов. Я.Е. Кацнельсон. Внепечное вакуумирование стали М.: Металлургия, 1975, 288 с.

107. Н. Knuppel. Desoxydation und Vakuumbehandlung von Stahlschmelzen. Band 1. // Dusseldorf: Verlag stahleisen M.B.H., 1970, p.312.

108. Авт. свид. № 850303 / С.И. Жульев, А.И. Чижиков, Б.Н. Мангасаров и др. Устройство для отливки слитков в вакууме с инокуляторами. Заявлено 07.12.1979г. Опубл. в Б.И., 1981, № 28, с.23

109. Б.В. Линчевский. Вакуумная металлургия стали и сплавов- М.: Металлургия, 1970, 257 с.

110. В.А. Пазухин, А .Я. Фишер. Вакуум в металлургии. — М.: Металлургия, 1956, 240 с.

111. А.Н. Морозов. Водород и Азот в стали. М.: Металлургия, 1968, 284 с.

112. Б.В. Линчевский. Вакуумная индукционная плавка. М.: Металлургия', 1975,240 с.

113. С.И. Филиппов, С.Н. Падерин, B.C. Лактионов, Е.Г. Петерков. Теоретические основы дегазации металла и продувка стали аргоном в ковше. / Науч. тр. № 79. Взаимодействие металлов и газов в сталеплавильных процессах, М.: Металлургия, 1973, с 262-266.

114. R.L. Hadley, LM. Bianchi. Vacuum Metallurgy Symp. Electrochem. Soc., 1954, v.10, № 6-7, p. 106—112.

115. E.G. Vogt, T.L. Robertschaw. Vacuum Symp. Trans. Boston, Mass., 1956, p.42-44.

116. С. Дэшман. Научные исследования вакуумной техники, перевод с англ-М.: ИЛ, 1950.

117. В.Г. Левич. Физико-химическая гидродинамика— М.: Физматиздат, 1959, 699 с.

118. И.А. Андреев, И.В. Полин./Ж. Сталь, 1941, № 11-12.

119. Б.В. Линчевский, А.Л. Соболевский, Ю.В. Тараканов и др. Раскислительная способность углерода в вакууме./ Науч. тр. №79. Взаимодействие металлов и газов в сталеплавильных процессах, М.: Металлургия, 1973, с.225-230.

120. С.И. Жульев, Ю.В. Кряковский, О.В. Долгов. Отливка крупных кузнечных слитков с инокуляторами, формируемыми из струи расплава // Сб. Формирование стального слитка М.: Металлургия, 1986, с.35-38.

121. П.В. Гельд, Р.А. Рябов. Водород в металлах и сплавах- М.: Металлургия, 1974, 272 с.

122. С.И. Жульев, Н.А. Зюбан. Производство и проблемы качества кузнечного слитка: Монография / ВолгГТУ- Волгоград, 2003, 168 с.

123. Ю.И. Славский, М.М. Матлин. Экспресс-контроль физико-механических свойств металлоизделий методами упругопластического контактного деформирования: Учеб. пособие. Волгоград: Типогафия «Политехник» ВолгГТУ, 1996.-48 с.

124. П.П. Коростылев. Лабораторные приборы технического анализа. М.: Металлургия, 1987, 288 с.

125. Х. Вашуль. Практическая металлография. Методы изготовления образцов / М.: Металлургия, 1988, 320 с.