Содержание к диссертации
Введение
1 Затвердевание и химическая неоднородность крупных кузнечных слитков 8
1.1 Кристаллизация кузнечного слитка 8
1.1.1 Процессы зарождения и роста кристаллов 8
1.1.2 Теории процесса затвердевания слитка 10
1.2 Ликвация в слитках 13
1.2.1 Явление дендритной ликвации 14
1.2.2 Явление зональной ликвации 19
1.2.3 Влияние массы слитка на развитие химической неоднородности 23
1.2 А Влияние геометрии и вида утепления изложницы на развитие зональной ликвации в крупных кузнечных слитках 26
1.3 Дефекты ликвационного происхождения, наследуемые поковками 34
1.4 Заключение по первой главе 36
2 Методика исследования структуры и химической неоднородности в слитках и поковках 38
2.1 Методика исследования слитка массой 24,2т. 38
2.1.1 Сведения о материале исследований 38
2.1.2 Методика исследования структурной неоднородности 40
2.2 Методика исследования химической неоднородности в слитках различной массы и геометрии 43
2.2.1 Сведения о материале исследования 43
2.2.2 Методика исследования химической
неоднородности на продольных изломах слитков 48
2.3 Методика исследования металла поковок 50
Химическая неоднородность слитков различной массы и геометрии 53
3.1 Исследование ликвационной неоднородности обычного прибыльного слитка стали 38ХНЗМФА массой 24,2т 53
3.2 Исследование структуры литого металла обычного прибыльного слитка массой 24,2т 56
3.3 Исследование структурной и ликвационной неоднородности удлиненного сдвоенного прибыльного слитка стали 38ХНЗМФА массой 2,99т 64
3.4 Химическая неоднородность в слитках различной массы 67
3.5 Химическая неоднородность в сдвоенных слитках 70
3.6 Заключение 76
4 Исследование химической неоднородности в поковках, изготавливаемых из крупных кузнечных слитков 78
4.1 Исследование химической неоднородности в поковках роторов турбогенераторов, изготавливаемых из слитков массой 103т стали 38ХНЗМФА 78
4.2 Исследование химической неоднородности в трубных поковках, изготавливаемых из слитков массой 24,2т стали 38ХНЗМФА 83
4.3 Исследование гребных судовых валов 90
4.4 Заключение 95
5. Производство ответственных заготовок из удлиненных сдвоенных прибыльных слитков 97
5.1 Отливка опытно-промышленной партии плавок в сдвоенные изложницы 97
5.2 Заключение 108
6. Влияние технологических параметров на развитие объемной ликвации в крупногабаритных поковках 109
6.1 Влияние длительности выдержки расплава в разливочном ковше на химическую однородность
заготовок роторов турбогенераторов 109
6.2 Исследование влияния длительности отливки слитка на
развитие объемной ликвации 112
6.3 Исследование влияния температуры металла в
промежуточном ковше на химическую неоднородность
слитка 115
6.4 Отливка опытно - промышленной партии плавок с
измененными технологическими параметрами
получения слитков 118
6.5 Заключение 122
Выводы 123
Список использованной литературы
- Теории процесса затвердевания слитка
- Сведения о материале исследований
- Химическая неоднородность в слитках различной массы
- Исследование химической неоднородности в трубных поковках, изготавливаемых из слитков массой 24,2т стали 38ХНЗМФА
Введение к работе
ЗУР- '
Актуальность темы. Увеличение мощности агрегатов в тяжелой промышленности, энергетике, судостроении и др отраслях промышленности, обуславливает повышение потребности в увеличении массы крупных слитков для производства роторов турбин, судовых валов, сосудов высокого давления и т.п. С ростом веса слитка усиливаются его пораженность различного рода дефектами К таким дефектам относится общая ликвационная неоднородность, наиболее ярко выражающаяся в наличии области отрицательной ликвации в нижней трети слитка, а также в повышенном содержании ликватов в верхней части осевой зоны.
Проблемой получения качественных кузнечных слитков занимались и занимаются в настоящее время ряд российских и иностранных ученых - Н.И. Хворинов, В.А Ефимов, С.Я Скобло, Е.А. Казачков, В С. Дуб, С И. Жульев Я Е., Затуловский, D. Turnbull, Е М. Китаев и многие другие Их работы подтверждают, что получение однородного по химическому составу слитка является сложной задачей.
Неоднородность химического состава металла наблюдается как по высоте, так и по сечению слитка При изготовлении крупных и длинномерных изделий большой массы различие в химическом составе верхней и нижней частей слитка, и соответственно поковки, часто приводит к значительному отличию в механических свойствах по длине заготовки В промышленной практике для выравнивания механических свойств производят высокий отпуск с различными температурами по длине заготовок. При этом разница в величинах температур по концам поковок достигает 50 - 120С. Помимо чисто технологических трудностей в проведении данного режима термической обработки, он не стабилен и не всегда дает желаемый результат Такое положение затрудняет аттестацию и приводит к отбраковке готовых изделий на заключительной стадии изготовления.
Повышения однородности механических свойств металла крупногабаритных изделий можно достичь выравниванием химического состава по длине и сечению исходных слитков. В настоящее время разработаны способы внешних воздействий, улучшающих качество слитка, таких как: вибрация, внутренние микро и макрохолодильники, импульсная обработка и др.
Вместе с тем, не достаточное внимание уделяется поиску новых геометрических параметров слитков: отношения высоты к среднему диаметру (H/D) и оптимизации технологических параметров их разливки.
В связи с этим, актуально более углубленное исследование закономерностей изменения структуры и химического состава слитков различной массы и геометрии, а также изготавливаемых из них поковок.
Кроме того, необходимо усовершенствовать температурные и скоростные режимы отливки слитков.
Цепь работы: Получение химически однородных крупногабаритных кузнечных заготовок ответственного назначения.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.
-
Определены закономерности изменения структурной и химической неоднородности слитков, идущих на производство трубных заготовок, роторов турбогенераторов и гребных валов,
-
Проведен анализ распределения химических элементов по длине и сечению кузнечных заготовок для выявления закономерностей наследования химической неоднородности поковкой от слитка;
-
Предложен, опробован, исследован и внедрен в производство новый удлиненный сдвоенный прибыльный слиток для пргм^ргр/угва чпПН* изделий
-
Исследована и скорректирована технология*фбодіщііоВД||чНШ слитков
і BHMHOTtM і
4 обычной геометрии массой 24,2 и 50т.
Методы исследования. Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов оптической и растровой микроскопии OLYMPUS ВХ21, 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. Установлено, что в слитках массой 20-50 т обычной геометрии (H/D~2,0) из конструкционной Cr-Ni-Mo стали с содержанием углерода 0,3-0,4% зона отрицательной ликвации углерода и других химических элементов составляет примерно треть по объему и высоте слитка, что связано с интенсивным теплоотводом и особенностями кристаллизации в донной части слитка. В теле поковки зона отрицательной ликвации простирается на величину равную 1/3 .. 1/4 ее высоты, что с учетом положительной ликвации с головной части приводит к значительному разбросу показателей механических свойств.
-
Увеличение зоны интенсивного теплоотвода удлиненного слитка по сравнению с обычными и укороченными слитками той же массы приводит к более равномерному распределению ликвирующих примесей. Впервые установлено, что использование удлиненных сдвоенных прибыльных слитков с увеличенным параметром НЮ до 4 и более, позволяет снизить химическую неоднородность слитков и поковок в 3 - 4раза.
-
На основе анализа технологических факторов разливки слитков установлено, что:
изменение скорости наполнения от 1,7 до 2,5 т/мин слитков массой 24,2 и 50 т снижает ликвацию и уменьшает разницу в содержании углерода между противоположными концами заготовок, полученных из этих слитков, с 0,10 до 0,05%;
понижение температуры металла при разливке слитков также приводит к снижению ликвации углерода до 0,03 - 0,06%
Практическая ценность. Освоен новый сдвоенный прибыльный слиток массой 42,26т, что позволило повысить выход годного металла в поковку с 58 до 66%. Использование нового слитка, при удвоенном количестве поковок, снизило химическую неоднородность в Зраза и повысило стабильность механических свойств в 5раз Усовершенствованна и внедрена ускоренная технология разливки нормальных слитков массой 24,2 и 50т Данная технология снизила ликвационную неоднородность в 1,5- 2раза и повысила стабильность механических свойств в поковках в 4раза
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 5 международных конференциях (Волгоград, 2002 г, Темиртау, 2003 г, Самара 2004 -05гг, Магнитогорск 2005г), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2002+2005 гг.).
Диссертационная работа выполнена в рамках 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.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 1 статья в центральном рецензируемом журнале.
' В детальном исследовании слитков принимали участие аспиранты кафедры «Технология материалов» Волгоградского государственного технического университета Федоров Д Н , Живов М Е , Шам рей В А, Бод К Ю , Швлухина Ю М , Мозговой А В
5 Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 140 страниц машинописного текста, 67 рисунков, 24 таблицы, 4 приложения и список литературы из 106 наименований.
Теории процесса затвердевания слитка
Процесс дендритной ликвации в литературе описывается двумя моделями затвердевания. Первая, так называемая «квазистационарная» модель, построена на теоретических соображениях Беллинга и Тиллера [39]. Согласно их теории явление ликвации во время затвердевания устанавливается прежде всего путем диффузии растворенных элементов в расплаве. Диффузией в твердом состоянии можно пренебречь. Посредством ликвации в области затвердевания сплавов пред фронтом затвердевания возникает структурное переохлаждение с пограничным слоем, обогащенным ликвирующими элементами, который не может быть путем диффузии достаточно быстро ликвидирован. Перед этим слоем идет затвердевание в квазистационарном равновесии при постоянной температуре и при постоянном градиенте концентрации. Эффективный коэффициент ликвации (отношение концентрации соответствующих элементов в малолегированных осях дендритов к средней концентрации в расплаве) определяется при дендритном затвердевании через коэффициенты распределения: где R - линейная скорость кристаллизации, р - радиус верхушки дендрита, D - коэффициент диффузии растворенных в сплаве элементов Концентрационно обогащенный слой должен скорее всего выразиться в процессе закалки испытуемого образца. Поэтому, в противоположность квазистационарной модели, Флеминге [39, 41] исходит из того, что диффузия в сплаве является достаточной для того, чтобы в рассматриваемом между ветвями элемента объеме производить постоянное выравнивание концентраций. Предполагается, что диффузия может оказывать значительное влияние на распределение растворенных элементов в затвердевающих кристаллах во время затвердевания и после него. При этом размер выравнивания диффузией определятся через коэффициент диффузии (Ds) легирующих элементов в твердом состоянии, локальное время затвердевания (Of) и половину расстояния между ветвями дендритов [41] где аа — размер выравнивания диффузии, Ds - коэффициент диффузии легирующих элементов в твердом состоянии, Of-локальное время затвердевания, аа— половина расстояния между ветвями дендритов Это соотношение в качественном отношении аналогично ранее установленной Голиковым [38] зависимости для бинарных железных сплавов.
Для описания процесса ликвации во время затвердевания сплавов в производственных условиях должны быть привлечены обе модели. Во время первой стадии затвердевания пригодна квазистационарная модель. На последующих стадиях, когда соприкасаются элементы дендритов и взаимно мешают друг другу, затвердевание происходит по модели Флемингса. При направленном дендритном затвердевании соприкосновение кристаллов происходит раньше, чем при свободном дендритном затвердевании. Поэтому степень ликвации при свободном дендритном затвердевании при одинаковых условиях выше, чем при направленном дендритном затвердевании.
В зависимости от условий затвердевания кристалл может принимать различные формы. Крайними формами являются плоский и дендритный фронты кристаллизации [42]. Глобулярнодендритная кристаллизация является особым случаем дендритной кристаллизации. Она образуется в условиях, когда более значительная область пред границей раздела фаз переохлаждена с малым температурным градиентом и при достаточно сильном переохлаждении образуются новые кристаллы. Характер дендритной ликвации непосредственно связан с кинетикой кристаллизации и формой границы раздела фаз, которая зависит от отношения температурного градиента G к корню квадратному из скорости кристаллизации R и от состава сплава [39].
В работе [42] путем выбора различных условий кристаллизации одной из конструкционных сталей были получены различные литые структуры и определена взаимосвязь между литой структурой и характером ликвации. Условия кристаллизации отрегулировали так, что были получены глобулярная, дендритная и столбчато-дендритная структуры. В работе показано, что расстояние ликвации (средние расстояния между междендритными областями с положительной ликвацией и осями дендритов с отрицательной ликвацией) и индексы ликвации (отношение максимального содержания в микрообъеме к минимальному) тесно связаны с первичной структурой металла.
Отмечено, что для дендритной и столбчатодендритной структур существует почти линейная зависимость между расстояниями и индексами ликвации. Установлено, что переход от дендритной структуры к глобулярной характеризуется скачком индекса ликвации в сторону более высоких значений.
В работе [44] показано как с повышением переохлаждения изменяется морфология дендритов. Ниже критического переохлаждения имеет место переход от цилиндрического к сферическому строению дендритов. На рис. 1.1 а схематически показано изменение строения дендритов в зависимости от переохлаждения.
Известно, что условия затвердевания в значительной степени определяют дендритную разветвленность и, в частности, расстояния между осями дендритов. Чалмерс [2] отмечает, что для конкретного сплава расстояние между осями дендритов довольно хорошо согласуются со скоростью охлаждения.
Межосные промежутки тем меньше, чем больше скорость охлаждения. Это объясняется тем, что с ростом скорости затвердевания времени для диффузии примеси остается меньше, а с приближением к эвтектическому составу количество оттесняемой примеси возрастает. Следовательно, длина межосных промежутков определяется диффузией, а не теплопередачей и зависит от характеристической толщины диффузионной зоны вокруг растущего дендрита.
Сведения о материале исследований
Анализом практических и литературных данных, при проведении испытаний механических свойств поковок, [86-99] замечено большое несоответствие величин прочностных и пластических свойств по различным концам изделий. Такое различие свойств обусловлено меньшим содержанием углерода с первого конца поковки (нижняя часть слитка) относительно его содержания в ковшевой пробе, и большим содержанием углерода со второго конца поковки (верхняя часть слитка).
В работах [94-99] проводилось исследование химической неоднородности на поковках типа роторных валов из слитков массой 24-Н 40т. Первый конец поковки обладает пониженными содержанием серы и фосфора 0,018 и 0,014% при плавочном составе 0,024 и 0,019%. На втором конце поковки содержание элементов по сравнению с плавочным составом повышенно 0,028 и 0,030%. Степень общей ликвации серы и углерода составляет 45 и 35% соответственно.
Кроме того, неравномерность в распределении углерода наблюдается и по ширине поковки, см. рисунок 1.11., так на концевом диске с первого конца (нижняя часть слитка) поковки содержание углерода понижается от периферии к центру, а на диске со второго конца (верхняя часть слитка) поковки углерод повышается от края к центру.
Разность в содержании углерода, серы и фосфора приводит к неравномерности механических свойств в готовых изделиях. Причем закономерность изменения механических свойств аналогична изменению содержания рассматриваемых примесей.
Рисунок 1.11. - Распределение содержания углерода по ширине диска со второго (а), и первого конца поковки (б) [94, 95]
В работах [86, 87, 89] показано, что при измерении механических свойств на образцах, отобранных по ширине кольцевых дисков, получили, что на диске с первого конца, от края к центру относительное сужение, относительное удлинение и ударная вязкость повышается, а на диске со второго конца наблюдается обратная закономерность. Различие механических свойств в поковке приводит к быстрому выходу из строя изделий, работающих под высокими нагрузками. Таким образом, можно сделать вывод о том, что разброс значений механических свойств в значительной степени зависит от содержания углерода.
Неоднородность свойств приводит к тому, что в изделиях со значительной разницей углерода и механических свойств по длине поковки свойства приходится выравнивать термическими переработками. / Л Ш Ш ТШ ШШШ т л ш-ш I - накапливание горячих поковок (650-г750С); II - выравнивание и выдержка (630-ь650С); III - нагрев (860-г890С); IV - выравнивание (860ч-890С); V - выдержка (860ч-890С); VI - охлаждение с печью (650С); VII - охлаждение с печью (240ч-280С); VIII - выдержка (240ч-280С); IX - нагрев (630ч-660С); X - выравнивание (630-ь660С); XI - выдержка (630-г660С); XII - охлаждение с печью под правку (60(М-550С); XIII - нагрев и выравнивание (55(к600С); XIV - выдержка (550-г600С); XV - охлаждение с печью (150ч-200С); XVI - выдержка (150-г200С) Рис. 1.12. -Технология отжига поковок [100-104] С увеличением содержания углерода прочностные характеристики выше, а пластические ниже [100 - 104]. В соответствии с этим приходится назначать различные температуры отпуска по концам одного изделия.
На «ПО «Баррикады» для поковок из стали 38ХНЗМФА применяют полный отжиг (см. рисунок 1.12), целью которого является повышение пластичности и вязкости, снятие внутренних напряжений, измельчение зерна и подготовки структуры к последующей термической обработке, улучшение обрабатываемости резанием. Окончательной термической обработкой таких изделий является, как правило, нагрев под закалку до температуры аустенизации, охлаждения в масле и высокий отпуск, который необходим для снижения твердости [63, 100 - 104].
В кузнечных слитках объемная химическая неоднородность выражается, в основном, в наличии области отрицательной ликвации в нижней трети слитка, а также в повышенном содержании ликватов в верхней части осевой зоны. Неоднородность химического состава металла наблюдается и по сечению слитка.
С увеличением, массы слитка его химическая неоднородность возрастает. При этом суммарное различие химического состава от плавочного в головной и донной частях больше 2раз. В нижней части слитка количество ликватов от периферии к центру снижается. При этом снижение содержания ликватов наблюдается на расстоянии 20%) от радиуса слитка (степень ликвации достигает -25%). На середине высоты слитка химический состав металла соответствует плавочному составу. В верхней части слитка наблюдается увеличение содержания элементов от периферии слитка к центру при этом максимальная ликвация в слитке массой более 50т достигает выше +60%. Разливка стали в бесприбыльные слитки уменьшает степень развития химической неоднородности на 30%.
В поковках сильно развита химическая неоднородность по длине и ширине. При массе слитка 24т и среднем содержании углерода в стали 0,36%, в верхней части слитка содержание углерода достигает 0,52%, а в нижней не превышает 0,24%. Такое содержание углерода в верхней части слитка может являться причиной растрескивания поковки при резком ее охлаждении. Это различие в содержании углерода значительно осложняет назначение и проведение режима термической обработки, в частности, температуры отпуска, и затрудняет получение равных значений механических свойств (главным образом предела текучести).
Для уменьшения химической неоднородности в поковках, необходимо освоение новых технологических процессов отливки, обеспечивающих снижение развития ликвационной неоднородности в слитках и изготавливаемых из них поковках, а также поиск новых геометрических форм кузнечных слитков, обеспечивающих подавление ликвационных процессов и повышение выхода годного металла.
Химическая неоднородность в слитках различной массы
В осевой зоне наряду с большим количеством физических дефектов, вызванных усадкой стали (трещины, повышенная пористость и т.д.), наблюдается наибольшее скопление примесей. При сравнении размеров кристаллов со значениями твёрдости на одинаковых высотах не замечено какого-либо существенного влияния их величины на твёрдость.
Наименование параметра Структурные зоны слитка зона столбчатых кристаллов крупныеразличноориентированныекристаллы мелкие различноориентированныекристаллы осеваязона изонаконусаосаждения
Среднее содержаниеуглерода С, % науровнях от дна слитка:(Спл=0,39%) 2600 мм1365 мм975 мм565 мм300 мм 0,36 0,37 0,38 0,38 0,38 0,42 0,36 0,39 0,40 0,36 0,41 0,40 0,40 0,36 0,47 0,41 0,41 0,33 0,30 Среднее содержание серы S, % на уровнях от дна слитка:(S =0,010%)2600 мм1365 мм975 мм565 мм300 мм 0,009 0,010 0,009 0,010 0,009 0,012 0,013 0,009 0,010 0,009 0,011 0,009 0,009 0,013 0,014 0,009 0,008 0,008 Продолжение таблицы 3.4 Среднее содержаниефосфора Р, % на уровняхот дна слитка:(Рпл=0,014%)2600мм1365 мм975 мм565 мм300 мм 0,011 0,011 0,011 0,014 0,014 0,015 0,012 0,011 0,015 0,014 0,011 0,010 0,013 0,014 0,013 0,011 0,012 0,013 Средняя длина кристаллов, мм на уровнях от дна слитка:2600 мм1365 мм975 мм565 мм300 мм 19,4 22,8 25,7 30,2 27,5 10,69,49,29,58,2 5,4 6,1 6,1 7,8 5,6 5,0 4,8 4,3 4,9 Средняя твёрдость металла, ед. НВ на уровнях от дна слитка:2600 мм1365 мм975 мм565 мм300 мм 277 278 281 265 275 281 281 276 269 277 281275 272 276 284 268 258 267274
Можно сказать, что химическая неоднородность тесно связана со структурной неоднородностью (связь химического состава стали с размером кристаллов) и физической неоднородностью (осевая зона). Установленные особенности структуры и закономерности изменения химического состава металла, исследуемого слитка, позволили уточнить механизм кристаллизации отдельных зон.
В начале разливки, при заполнении нижних горизонтов слитка, между жидким металлом и стенкой изложницы возникает максимальный температурный градиент, за счёт чего в переохлаждённых, пограничных с изложницей объёмах металла образуются центры кристаллизации и формируется корковая зона мелких наружных равноосных кристаллов. Химический состав в этой зоне близок к ковшевому, это можно объяснить тем, что в данный момент времени скорость кристаллизации настолько велика, что диффузионные процессы, приводящие к возникновению ликвации в слитке подавляются, так как известно [48, 58], что скорость диффузии примеси в расплав на два порядка ниже скорости роста кристалла.
По мере развития этой зоны интенсивность отвода тепла уменьшается, образовавшийся корковый слой начинает играть роль теплового сопротивления, и процесс образования мелких кристаллов прекращается, образуется зазор между корковым слоем и изложницей. Температурный градиент остаётся ещё достаточно высоким, за счёт чего начинается процесс образования вытянутых столбчатых кристаллов. Своими вершинами они направлены к тепловому центру в осевой зоне слитка. На фронте затвердевания постепенно скапливается слой ликвирующих примесей за счёт их различной растворимости в твёрдой и жидкой фазах. Ликвационный слой достигает заметной толщины к концу формирования зоны столбчатых кристаллов. Сопоставление относительных площадей структурных зон слитка с зонами макроликвации (см. таблицу 3.5) показало их совпадение. Относительная площадь зоны столбчатых кристаллов соответствует площади зоны так называемой нулевой ликвации, или одинакового химического состава стали. Зона столбчатых кристаллов занимает 19,6%, а зона макроликвации с неизменным химическим составом, включающую в себя корку и зону столбчатых кристаллов 23,3%.
С окончанием формирования столбчатой зоны изложница достаточно прогрета. Зазор между ней и слитком увеличивается, что также сокращает интенсивность теплоотвода от жидкой фазы и снижает скорость кристаллизации. Это, в свою очередь, за счет усиления избирательной кристаллизации увеличивает накопление легкоплавких примесей перед фронтом кристаллизации, формируя область концентрационного переохлаждения. В этой области зарождаются центры кристаллизации, а структура меняется из столбчатой на равноосную.
Наряду с последовательной кристаллизацией различно ориентированных дендритов начинается объёмная кристаллизация в жидком ядре. На первом этапе, когда в изложнице находится, в основном, перегретый металл, нижняя часть осевой зоны слитка - конус осаждения - формируется за счёт оседания имеющихся в жидком ядре обломков кристаллов в донную часть слитка. Эти первые кристаллы, образовавшиеся из расплава при высоких температурах более чисты по вредным примесям (сера, фосфор), а также обеднены углеродом. Их оседание приводит к тому, что нижняя часть слитка имеет пониженное содержание всех ликвирующих элементов. На втором этапе, когда снимается перегрев всего жидкого ядра, происходит зарождение центров кристаллизации и рост крупных кристаллов по всему его объёму. В слитке зона конуса осаждения совпадает с зоной пониженного содержания углерода. Относительная площадь этих зон составляет 12,6 и 14% (см. таблицу 3.5).
При нарастании твердого остова слитка, с одновременным увеличением теплового зазора между слитком и изложницей, и повышением температуры последней, теплоотвод еще более замедляется. Это снижает скорость роста кристаллов от поверхности, усиливая ликвационные процессы, что приводит к увеличенному содержанию С, S, Р в осевой зоне. Площади структурной и зоны макроликвации составляют 8 и 11% соответственно (см. таблицу 3.5). Выявленное распределение ликватов в кузнечном слитке, позволяют прогнозировать реальные качественные характеристики металла при его использовании в изделиях.
Исследование химической неоднородности в трубных поковках, изготавливаемых из слитков массой 24,2т стали 38ХНЗМФА
Исследования, проведенные в главе 3, показали, что крупный стальной слиток обычной геометрии имеет по высоте и сечению значительную химическую неоднородность, которая в дальнейшем наследуется поковкой. В главе 3 доказана возможность повышения химической однородности за счет использования сдвоенных прибыльных слитков (H/D 4). Сравнение химической однородности сдвоенных и обычных слитков (H/D-2) показало, что слитки новой геометрии имеют меньшую ликвацию элементов, чем сравнительные. Геометрические параметры литейной оснастки представлены в таблице 2.3.
По существующему технологическому процессу трубную заготовку (см. рисунок 4.3, 4.5) изготавливают из слитка массой 24,2т с выходом годного 58%. С целью экономии металла, увеличения пропускной способности вакуумного оборудования электросталеплавильного цеха, снижения химической неоднородности слитка и повышения качества указанных заготовок было отлито 6 слитков. Для проведения этой работы было отлито 4 нормальных слитка массой 24,2т и 2 слитка новой геометрии (сдвоенные двухконусные с прямой и обратной конусностью соответственно в верхней и нижней части) массой 42,26т с последующим изготовлением из него 2-х заготовок с выходом годного 66%.
Слитки отливались в вакууме через 8 - тонный промежуточный ковш с диаметром стакана 40мм. Химический состав и параметры плавки приведены ниже (см. таблицу 5.1)
Слитки массой 42,26т, с прямой и обратной конусностью, отливались в составные из двух изложниц 18/23 формы (см. рисунок 5.1) с сопряжением со стороны больших внутренних диаметров, и с прибыльной надставкой от 19т слитка. Геометрические параметры слитков представлены в таблице 5.2.
По окончании кристаллизации слитков они были отправлены в кузнечно-прессовый цех. Слитки извлекались из изложниц методом вытряхивания. Для этого, сначала снималась верхняя полуформа. Далее цепями
Высота тела слитка, мм Максимальныйдиаметр верха теласлитка, мм Максимальныйдиаметр низа теласлитка, мм 1я2юs о, ссеВо оИ Диаметр прибыли вверху, мм Диаметр прибыли внизу, мм Высота кюмпельной части, мм Максимальныйдиаметр кюмпельнойчасти, мм Минимальныйдиаметр кюмпельнойчасти, мм Объем прибыли,% СЄн я Н оQ 2415 1216 1144 740 950 1107 200 940 560 28 2,05 4830 1216 ь 1144 770 840 976 200 940 560 15 4,33 за цапфы поднималась нижняя полуформа вместе со слитком, после чего слиток вытряхивался на пол цеха и цепями укладывался на платформу. Ковка слитков осуществлялась по следующей технологии: Из слитка массой 42,26т были откованы по две поковки (I руб, нижняя часть слитка и II руб, верхняя часть слитка) (смс рисунок 5.2): 1 вынос - биллетировка, закатка цапф с прибыли и поддона (для закатки цапфы с поддона прихватить 220мм слитка), проков на 0 1200мм., рубка на две поковки (I и II рубы) У к. 1,2. 2-3 вынос - осадка плитой до высоты 1100мм. Ук 2,2 4-5 вынос - осадить до 640мм., прошить пустотелым прошивнем 0 700мм., выровнять стенки и раскатать 0 1990мм. Ук 1,7 6-7 вынос - поправить торцы и раскатать до размеров. Ук 1,5 Технология ковки сравнительных слитков массой 24,2т на трубные заготовки не отличается от ковки сдвоенного слитка за исключением лишь того, что при его ковке во время первого выноса осуществляются лишь операция биллетировки и закатки цапфы с прибыльной части слитка.
Ковка заготовок из сдвоенных слитков (H/D=4) и обычных прибыльных (H/D=2) показала, что количество поковок, получаемых из нового слитка, как правило, вдвое превышает число поковок, откованных из традиционного прибыльного слитка, что сокращает трудоёмкость и время ковки. Фактические параметры ковки слитка приведены в таблице 5.3
Исследование заготовок из сдвоенных и обычных слитков производилось с целью получения дополнительных сведений о структуре металла, расположения дефектов в теле поковки, ликвации элементов по высоте и сечению слитков.
С этой целью, взрывом вдоль оси было разорвано четыре слитка. Два массой 2,99 и 2,88т (см. рисунок 3.7а, б) стали 38ХНЗМФА и два слитка массой 50т и 51т (см. рисунок 3.7в, г) стали 20.
Анализ стружки, отобранной по высоте осевой зоны на содержание углерода, показал, что нижняя часть слитка характеризуется более однородным и пониженным содержанием углерода. В верхней части содержание углерода повышено, что соответствует общепринятым представлениям о ликвации в крупных кузнечных слитках.
Сравнение развития ликвационной неоднородности в металле сдвоенного прибыльного и обычного прибыльного слитков показало следующее: степень ликвации в обычном слитке составляет примерно 100%, в то время как в сдвоенном прибыльном только 68%, т.е. химическая неоднородность снизилась примерно в 1,5 раза (см. рисунок 3.5).
Схема расположения поковок относительно тел обоих слитков представлена (см. рисунок 5.3). После предварительной термической обработки проведённой в различных садках по одинаковым режимам каждая заготовка с двух концов подвергалась макроконтролю и механическим испытаниям.
Пробы для исследования качественных характеристик металла готовых изделий отбирались из колец толщиной 20мм, отрезанных от каждого конца поковок соответствующего донной и прибыльной частям слитка.
Структура металла контролировалась после электрохимического травления в 20% растворе серной кислоты. Для получения более точного результата по распределению ликвирующих примесей в поковке контроль металла концевых дисков по развитию ликвационной неоднородности производился по пробам металла, отобранным с трех точек кольца (см. рисунок 5.4).
Сравнение химической неоднородности поковок изготовленных из сравнительных и опытных слитков показало следующее.
Ликвация углерода в сравнительных поковках колеблется в пределах от 8 до 12%, причем в нижней части заготовок содержание углерода имеет тенденцию к понижению от края слитка к его центру, в верхней части наблюдается обратная закономерность.
Распределение других ликвирующих примесей аналогично распределению углерода. Ликвация серы находится в пределах от 7 до 46%, фосфора 7 - 32% соответственно.
В трубных заготовках, полученных из опытных слитков, распределение наиболее ликвирующих примесей более однородно, чем в поковках полученных из сравнительных слитков. Максимальная ликвация углерода достигает 3%, серы 7% и фосфора не более 14%. Из графиков представленных на рисунке 5.5, 5.6 видно, что химическая однородность заготовок, полученных из удлиненных сдвоенных прибыльных слитков, выше, чем из обычных прибыльных. Ликвация по углероду снизилась в 4раза, по сере и фосфору в среднем в Зраза, а на некоторых поковках в 5раз.
