Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности кристаллизации и строеьжя крупныхкузнечных слитков 9
1.1 Теории процесса затвердевания стального слитка 9
1.2 Современные концепции механизма кристаллизации стальных слитков 16
1.3 Роль геометрических параметров в. формировании структуры слитков 23
1.4 Дефекты стального слитка 26
1.4.1 Дефекты усадочного происхождения 27
1.4.2 Дефекты ликвационного характера 31
1.4.2.1 Механизм возникновения зональной ликвации 31
1.4.2.2 Внеосевая ликвация 36
1.4.3 Неметаллические включения в нижней части слитка 3 8
Заключение по главе 1 43
Глава 2. Объекты-и методика исследований 45
2.1 Сведения о материале исследования 45
2.2 Методика исследования структурной неоднородности 52
2.3 Методика исследования химической неоднородности 55
2.4 Разработка математической модели кристаллизации слитка 57
2.5 Методика работы с комплексом Crystal ' 58
2.6 Методика исследования металла промышленных валов 61
2.6.1 Методика определения плотности 63
2.6.2 Методика приготовления микрошлифов 63
2.6.3 Методика определения природы и размера включений 64
2.6.4 Методика исследования микроструктуры 65
2.7 Методика определения краевого угла смачивания 65
Глава 3. Исследование структурной неоднородности стальных слитков . 67
3.1 Исследование кристаллического строения стального слитка 67
3.2 Влияние геометрических параметров литейной оснастки на развитие кристаллической неоднородности нижней половины слитка 74
3.3 Исследование химической неоднородности нижней половины стального слитка 78
3.4 Особенности строения донной части кузнечных слитков массой более 20 т 84
3.5 Исследование кристаллического строения конуса осаждения 90
3.6 Исследование единичных крупных кристаллов в конусе осаждения 98
3.7 Исследование объемов металла, прилегающих к конусу осаждения 102
Заключение по главе 3 107
Глава 4. Моделирование кристаллизации слитков с различными геометрическими и технологическими параметрами 108
4.1 Начальные условия для моделирования. Их влияние на процесс кристаллизации и образование дефектов в слитке 108
4.2 Описание объектов исследования 108
4.3 Слитки сразличной температурой разливки 110
4.4 Слитки разных марок сталей 113
4.5 Слитки с различным объемом прибыли 115
4.5 Слитки с разным отношением высоты к диаметру (H/D) 118
4.7 Слитки с разной конусностью 121
4.7.1 Уширенные к верху прибыльные слитки 121
4.7.2 Уширенные к верху бесприбыльные слитки 123
4.7.3 Уширенные к низу прибыльные слитки 126
4.8 Слитки с различной массовой долей вводимых инокуляторов 128
4.9 Слитки разного развеса 131
4.10 Продвижение фронта кристаллизации во времени 133
Заключение по главе 4 137
Глава 5. Исследование природы дефектов нижней части слитка, наследуемых поковкой 13 9
5.1 Состояние производства промышленных слитков и поковок 139
5.2 Исследование дефектов в заготовках 143
5.3 Разработка технологических мероприятий по сокращению дефектов нижней части кузнечных слитков 149
5.4 Отливка промышленных слитков и результаты контроля изделий 155
Заключение по главе 5 158
Выводы 159
Приложение 161
Список используемой литературы 164
- Современные концепции механизма кристаллизации стальных слитков
- Методика исследования структурной неоднородности
- Влияние геометрических параметров литейной оснастки на развитие кристаллической неоднородности нижней половины слитка
- Описание объектов исследования
Введение к работе
Развитие отечественного машиностроения ставит задачу повышения качества крупногабаритных изделий ответственного назначения, которые находят широкое применение в энергетической, химической отраслях промышленности, а также в* судо- и машиностроении. Для, изготовления крупных поковок необходимы кузнечные слитки массой от 10 до 200 т.
Получение высококачественных тяжелых слитков осложнено большими трудностями экспериментального исследования закономерностей процесса кристаллизации металла и ограниченностью публикаций, освещающих результаты исследования крупных слитков.
Высокое качество поковок обуславливается отсутствием металлургических дефектов, равномерностью физико-механических свойств, высоким выходом годного и может быть. достигнуто только при условии достаточного качества исходного слитка. Затвердевание крупных объемов металла сопровождается значительным развитием структурной и химической неоднородностей, внутренними и поверхностными дефектами, скоплениями вредных примесей и неметаллических включений. Причем с увеличением массы кованых деталей, обусловленным постоянным увеличением мощностей агрегатов, и соответственно слитков для их производства, усиливается неоднородность металла и его пораженность различного рода дефектами.
В целях выявления внутренних дефектов каждая заготовка подвергается
ультразвуковому контролю. Практика производства заготовок из кузнечных
слитков свидетельствует о том, что одним из дефектов, как правило,
приводящим к отбраковке готового изделия на стадии сдаточного контроля,
являются неметаллические включения с нижней части поковки. Отдельные
крупные включения или скопления более мелких включений, выявляются
методом ультразвуковой дефектоскопии и видны невооруженным глазом на
дисках металла, отобранных для макроконтроля по месту дефекта. Различия
в структуре кристаллической решетки и свойствах включений и основного металла становятся причиной образования несплошностей и трещин в теле поковки, что приводит к развитию шиферного или древовидного изломов и отбраковке изделия.
Максимально допустимый размер и протяженность дефектов нормируются SEP 1921 и согласовываются между изготовителем и заказчиком в соответствии с классом надежности. Дефекты, которые по размерам превышают указанные пределы, приводят к отбраковке готового изделия, что связано с большими потерями металла.
Совершенствование технологии производства стальных слитков с целью повышения их качества должно проводиться на основе современных представлений о механизме процесса затвердевания стали и формирования слитка. В связи с этим актуально комплексное углубленное исследование дендритного строения и дефектов кристаллической структуры кузнечных слитков, а также поиск новых эффективных путей улучшения качества металла, прежде всего, за счет повышения его чистоты.
Цель работы.
Повышение качества слитков для ответственных изделий тяжелого машиностроения на основе изучения особенностей кристаллической структуры конуса осаждения и разработки новых технологических мероприятий по сокращению дефектов нижней части кузнечных слитков.
В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи;
Изучено кристаллическое строение и определен химический состав дефектной области и прилегающих объемов металла поковок конструкционных марок стали.
Исследованы морфология, природа и характер расположение неметаллических включений в дефектной зоне металла поковок.
Проведен анализ структурных и ликвационных зон нижней части стальных слитков различной массы, геометрии и технологических параметров разливки.
Проведены детальные исследования, направленные на уточнение механизма формирования конуса осаждения в нижней части стальных слитков и прилегающих к нему объемов металла.
Установлены причины образования дефектов в теле поковки, выявляемых методом ультразвуковой дефектоскопии, и- предложен способ их устранения.
Практическая ценность.
В результате исследования кристаллического строения и уточнения-механизма структурообразования стального слитка установлены характер и природа дефектов, выявляемых ультразвуковым контролем с нижней части поковок - это металлические настыли, образующиеся на торцевой части направляющей трубы при разливке металла, которые, попадая в кристаллизующийся расплав, переносятся в донную часть слитка. Разработаны мероприятия, направленные на устранение данного типа дефекта, за счет использования противопригарных, огнеупорных покрытий, понижающих смачиваемость и* повышающих стойкость огнеупорных колец * направляющих труб и разливочных стаканов. Усовершенствование процесса разливки позволило исключить появление макродефекта «светлая корочка» в нижней части слитка.
Внедрение усовершенствованной технологии отливки стальных слитков с использованием огнеупорной алюмохромофасфатной обмазки на ФГУП ПО «Баррикады» (г. Волгоград) дало экономический эффект 970,2 тыс. руб., за счет устранения брака, вызванного появлением дефектов в нижней части поковки.
Основные положения, выносимые на защиту:
— результаты исследования и сравнительный анализ кристаллической
структуры и ликвационной неоднородности нижней части стальных слитков
различной массы, геометрии и способов разливки;
результаты моделирования влияния геометрических и-технологических параметров стальных слитков на структурную неоднородность и размеры конуса осаждения литых заготовок;
результаты металлографического исследования характера и природы дефектов, выявляемых методом УЗК в нижней части поковки.
Научная новизна:-
Установлено зонное строение конуса осаждения, обусловленное различными* условиями затвердевания свободно растущих изолированных кристаллов, в нижней части стальных слитков независимо от их массы, геометрии и способов разливки.
Определено существование переходной зоны в донной части стальных слитков, наличие которой свидетельствует о реализации как последовательного, так и объемного механизмов кристаллизации в процессе их затвердевания.
Выявлено наличие единичных крупных кристаллов в объеме мелкокристаллической области конуса осаждения, параметры которых идентичны равноосным кристаллам бокового фронта затвердевания вышележащих горизонтов слитка.
Показана возможность оптимального расположения зон дугообразных трещин и внеосевой ликвации посредством регулирования доли объемной кристаллизации.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались на 6 международных конференциях (Магнитогорск 2005г, 2007г, Самара 2005г, Казань 2005г, Новосибирск 2006г, Нижний Новгород 2006г), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2004-7-2007 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 марта 2003 года, а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований проект № 07-08-0051 от 02 апреля 2007 года «Изучение фундаментальных закономерностей формирования дефектов при кристаллизации сверхкрупных металлических тел» (2007 г.).
Современные концепции механизма кристаллизации стальных слитков
Кристаллизация металла, залитого в изложницу, начинается с образования корковой зоны мелкоглобулярных кристаллов. Формирование коркового слоя начинается под действием термического переохлаждения. Процесс реализуется в слое перегретого расплава, соприкасающегося с холодной стенкой изложницы по гетерогенному механизму, где роль подложек кристаллизации могут играть инородные частицы или поверхность формы. Толщина зоны глобулярных кристаллов незначительна, и лишь в крупных слитках достигает 10-15 мм.
Ширина зоны замороженных кристаллов определяется областью термического переохлаждения, которое в свою очередь зависит от начального перегрева расплава, скорости охлаждения его в изложнице, а также от активности катализаторов зарождения. В нижней части и в выступающих углах восьмигранного кузнечного слитка ширина этой зоны значительно больше, чем у поверхности граней. Это показывает, что более интенсивное охлаждение стали способствует образованию мелкоглобулярного слоя на поверхности слитка.
Возникшее вначале термическое переохлаждение снижается за счет выделения теплоты кристаллизации кристаллов корковой зоны. Наибольшее переохлаждение, которое сохраняется перед фронтом кристаллизации, равно переохлаждению необходимому для роста кристаллов при данной скорости отвода теплоты изложницей. Учитывая и тот факт, что в результате усадки кристаллизующегося металла между ним и изложницей образуется зазор, который расширяется с течением времени, условия теплоотвода меняются. На данном этапе наиболее благоприятные условия роста получают лишь отдельные кристаллы, главные оси которых совпадают с направлением теплового потока. Образуется зона столбчатых кристаллов, формирующаяся в условиях последовательной кристаллизации. Преимущественная ориентировка кристаллов столбчатой зоны, растущих всегда дендритно, возникает в результате выклинивания благоприятно ориентированных кристаллов относительно теплового потока.
Столбчатые кристаллы у поверхности слитка чрезвычайно тонки и уложены настолько плотно, что отличаются лишь трудно различимой ориентацией своих осей. По мере продвижения к оси слитка столбчатые кристаллы становятся массивнее и располагаются более свободно, при этом становятся заметны оси второго и третьего порядка [38].
Так как образование столбчатых кристаллитов большинство исследователей связывают с наличием температурного градиента по сечению слитка, то вполне логично ожидать наличия связи между шириной зоны столбчатой кристаллизации и толщиной слитка. Чем больше толщина или диаметр слитка, тем больше времени потребуется для удаления теплоты перегрева жидкой стали, уменьшения температурного градиента между жидкой сердцевиной слитка и затвердевающими периферийными слоями. Следовательно, чем толще слиток, тем больше времени будет для роста столбчатых кристаллов. Образование этой зоны можно рассматривать как образование затвердевшего слоя на поверхности слитка, толщина которого определяется формулой [39]: где 5 - толщина затвердевшего слоя; т - время затвердевания; к - константа затвердевания.
Отмеченная зависимость между шириной зоны столбчатых кристаллов и толщиной слитка имеет принципиальное значение - она подтверждает наличие связи между ростом столбчатых кристаллов и понижением температуры в центральной охлаждающейся зоне слитка [21].
В сплавах технической чистоты сосредоточено большое количество легкоплавких примесей, понижающих температуру начала кристаллизации расплава. При этом твердая фаза, находящаяся в равновесии с жидкой, содержит их меньше, чем сама жидкая фаза. Следовательно, по мере протекания процесса кристаллизации растворенные примеси выталкиваются в расплав, обогащая его. В результате в расплаве впереди фронта кристаллизации возникает область концентрационного переохлаждения, в которой градиент распределения температуры охлаждающегося расплава меньше градиента распределения температуры ликвидус.
Согласно формуле (1.2) увеличение концентрации Со компонента в сплаве и уменьшения коэффициента ко его распределения (т.е. расширение интервала кристаллизации сплава) будут способствовать сокращению зоны столбчатых кристаллов и, следовательно, измельчению зерна- в слитках. К этому же результату приведет снижение скорости охлаждения расплава и уменьшение его пере грева перед заливкой, так как это вызывает увеличение скорости R продвижения фронта кристаллизации и уменьшения градиента распределения температуры расплава перед фронтом, а следовательно, увеличения концентрационного переохлаждения.
По мере развития процесса кристаллизации температурный градиент у фронта кристаллизации и скорость роста столбчатых кристаллов уменьшается. Замедление роста сопровождается ускорением диффузии примесей из двухфазной области в расплав, находящийся впереди фронта кристаллизации [40]. Поэтому рано или поздно концы растущих столбчатых кристаллов оказываются в жидкости с высоким содержанием примесей, которые могут почти полностью остановить их рост. Зона концентрационного переохлаждения увеличивается.
Схема образования двухфазной зоны перед фронтом кристаллизации Подложкой для роста свободного кристалла могут служить так же обломки столбчатых дендритов, образование которых происходит на границе с фронтом кристаллизации в реальных условиях литья в результате развития вынужденной конвекции во время заполнения изложницы, а также в результате развития естественной конвекции после окончания заполнения [41].
С этого момента перед вертикальным фронтом затвердевания начинается объемная кристаллизация, образующая вторую двухфазную жидко-твердую область, прилегающую к первой. Образовавшиеся кристаллики, находясь перед фронтом в переохлажденном расплаве, будут расти, отдавая теплоту кристаллизации через этот переохлажденный расплав корочке твердой фазы, нарастающей на поверхности изложницы. Реально образование центров кристаллизации во второй двухфазной области начинается, когда кристаллизация в первой еще полностью не закончи лась. Некоторое время рост столбчатых кристаллов от стенок изложницы и образование новых центров кристаллизации во второй двухфазной области происходит одновременно. Мелкие дендриты, растущие во второй двухфазной области, пришедшие в соприкосновение с фронтом кристаллизации, срастаются с ним. В результате этого фронт кристаллизации продолжает продвигаться к центру слитка, но строение фронта изменяется. Если раньше он состоял из строго ориентированных столбчатых кристаллов, тоітеперь они сменяются сросшимися друг с другом беспорядочно ориентированными мелкими кристаллами. Это» осевая зона слитка, в условиях образования!которой формируется-внеосевая неоднородность. Кристаллики, не сросшиеся с вертикальным фронтом, опускаются вместе с пограничным слоем расплава.
Как известно, после окончания заполнения- изложницы вынужденная циркуляция расплава, вызванная действием струи расплава во время заливки, сменяется свободной циркуляцией в, результате естественной конвекции перегретого расплава [42].
На основании общих положений гидродинамики свободного движения можно представить себе следующий механизм свободной циркуляции перегретого расплава в незатвердевшеи части слитка. Вдоль твердой1 корочки слитка опускаются охлажденные струи расплава. Вместе с ним будут опускаться мелкие кристаллики, растущие перед фронтом кристаллизации. Достигнув дна и двигаясь вдоль него, струйки расплава теряют скорость, и несомые ими кристаллы медленно ложатся на дно, давая начало слою равноосных кристаллов нижней части слитка. Струйки расплава, опустившегося вниз, будут вытеснять вверх центральные слои расплава, которые приобретут направленную вверх очень небольшую скорость.
Методика исследования структурной неоднородности
На осевом макротемплете от дна по всей длине тела слитка строили секущие-горизонтали через каждые 50 мм (рис. 2.4 а). Для более подробного исследования закономерностей строения нижней трети слитков проводили дугообразные секущие через каждые 10 мм, повторяющие контур конуса осаждения в слитке (рис 2.4 б). Данный метод позволил проследить изменение структуры по высоте и сечению конуса осаждения и оценить влияние геометрии и технологии разливки на строение нижней части слитков. При изучении макроструктуры использовали графический редактор Adobe PhotoShop.
Для выявления границ структурных зон измерялись длина и угол наклона больших осей дендритов попавших на секущую. Причём, угол считался между осью и горизонталью. Данный графический редактор позволяет измерить угол наклона оси дендрита, наложив на нее по всей длине инструмент «линейка», который показывает значение угла наклона к горизонтали и длину оси (рис. 2.5).
Измерение параметров дендрита После определения параметров дендритов, попавших на данную секущую, строилась зависимость их размеров от расположения по ширине слитка. Благодаря тому, что каждая структурная зона имеет отличительную морфологию формирующих ее кристаллов, производилась идентификация структурных зон и определение их границ (рис. 2.6).
Структурную неоднородность в области конуса осаждения, с целью достижения более точных результатов исследовали при помощи микроскопа МБС-9 при увеличении х32. Определяли ряд параметров дендритной структуры: длину и толщину осей первого и второго порядка, расстояние между осями второго порядка. Полученные данные позволили, вычислить дендритный параметр (L), рассчитанный по формуле (2.1): L=X/n (2.1), где X - расстояние между первой и последней осями второго порядка, п - количество осей второго порядка.
Подсчет объемной доли дендритной структуры осуществляли с помощью универсальной компьютерной программы «Ml 11», разработанной группой аспирантов1. Разработанная программа осуществляет оценку параметров макро- или микроструктуры металла на произвольно проведенных секущих по предварительно отсканированному изображению (метод Розиваля).
Для определения химической неоднородности слитков с их продольных изломов отбирали пробы стружки на химический анализ, сверлом диаметром 12 мм и 20 мм, в зависимости от массы слитка. Для слитков малой массы, горизонты, на которых оценивали химический состав металла, соответствовали 1/10, 1/3, 1/2 и 1 высоты тела слитка (рис. 2.7 а,б,в,г,д).
Неоднородность крупных кузнечных слитков стали марки 38ХНЗМФА изучали на 16 горизонтах, через каждые 150 мм (см. рис. 2.7 е). Моделирование процесса кристаллизации слитка осуществлялось с помощью программного комплекса Crystal, разработанного совместно со специалистами кафедры «Сопротивление материалов» ВолгГТУ д.т.н., проф. Багмутовым В.П. и к.т.н., доц. Захаровым И.Н [95].
Расчеты в Crystal ведутся методом конечных разностей. Слиток представляется как тело вращения, состоящее из нескольких усеченных конусов. Расчет ведется для половины продольного сечения слитка, т.к. он имеет симметричную форму. В целях упрощения математических расчетов, считается, что слиток представляет собой в поперечном сечении круг, в то время как. в производстве используют слитки, имеющие в поперечном сечении криволинейные многоугольники различной формы (число граней слитка и их геометрия зависит от многих факторов - размеров слитка, конечного изделия и др.). Однако это упрощение допускается; т.к. площадь.поперечного сечения практически не меняется. Единственный недостаток - большая погрешность при расчете слитков, имеющих в поперечном сечении квадрат или прямоугольник со скругленными углами.
Расчетное поле, представляющее собой половину продольного сечения слитка, разбивается квадратной сеткой (рис. 2.8), и все характеристики рассчитываются в каждом узле сетки, попавшем на продольный разрез моделируемого слитка. Размеры ячеек сетки в принципе могут быть любыми, слишком большие размеры ведут к появлению большой погрешности, слишком малые - к накоплению ошибки. Намшбрались размеры ячеек сетки примерно 10x10 мм.
Влияние геометрических параметров литейной оснастки на развитие кристаллической неоднородности нижней половины слитка
Проведенное исследование кристаллического строения; двенадцати слитков показало, что кроме массы.наразвитие;структурных зон;оказывает влияние геометрия слитка способ утепления его верхней части и: технология разливки. Важное значение имеют различия- в строении; центральной зоны, составляющие индивидуальные особенности слитков. Здесь, прежде всего, обращает на себя внимание значительная разница; в размерах области конуса осаждениям
Необходимо отметить, что при:отливке исследуемых слитков, представленных на рисунке 3:1 (а,б,в,г,д,е), применяли изложницы; одинаковой: геометрии. Удлиненные сдвоенные слитки, отливались в составную из. двух по-луформ: изложницу того же типа, исключение составляет ступенчатый; слиток, для, которого в; качестве верхней полуформы, использовалась изложница большего размера; В результате донная часть исследуемых слитков имела одинаковые геометрические параметры.
Бесприбыльные слитки массой 1,4 т каждый (рис. З.Г а,б), отличались конусностью граней: один уширен кверху, другой уширен книзу. В слитке уширенном кверху (обратной конусности) высота и объем, конуса меньше и составляет 256 мм и 3%,. по сравнением со слитком уширенном книзу (прямой конусности) с параметрами конуса 292 мм и; 5;5% соответственно (табл. 3.1). Такое строение можно объяснить захватыванием изолированных кристаллов боковым фронтом затвердевания; В уширенном книзу слитке оседающие кристаллы- беспрепятственно достигают донной: части слитка, так как нижележащее сечение: больше. При обратной конусности граней часть свободных кристаллов оседает на продвигающемся фронте кристаллизации, имеющем форму воронки; Из чего можної предположить, что с увеличением конусности в слитках уширенных кверху, объем конуса должен уменьшаться: В слитке массой 1,53 т (рис. 3.1 в) той же геометрии, с использованием вместо утепляющей прибыли надставки - холодильника, область конуса осаждения занимала меньший объем по сравнению с обычным слитком массой 1,4 т - 2,2% (табл. 3.1). Изменение относительной протяженности зон объясняется интенсивным теплоотводом в верхней части слитка, обусловленным наличием массивной- теплоаккумулирующей надставки-холодильника. Ускоренное затвердевание способствует преимущественному развитию последовательного механизма кристаллизации в горизонтальном направлении и уменьшению объема жидкого ядра.
Исследование сдвоенного бесприбыльного слитка массой 2,6 т (H/D=3,98) показало, что с увеличением массы последнего практически в два раза, по сравнению с обычным бесприбыльным слитком 1,4 т (H/D=l,99), объем конуса осаждения составил всего 1,83% (рис. ЗЛд, табл.3.1).
В удлиненных слитках работает большая" площадь внутренней поверхности, осуществляющая теплоотвод. Поэтому увеличение параметра H/D слитка приводит к росту доли последовательной кристаллизации. В результате уменьшается область расплава, в которой происходит объемное зарождение кристаллов, ответственных за формирование области конуса осаждения.
Об образовании конуса посредством оседания кристаллов, свидетельствует кристаллическое строение нижней части сдвоенного прибыльного слитка массой 2,99 т. Конус осаждения здесь, имеет размер и объем 530 мм и 3,08% соответственно, по сравнению с удлиненным бесприбыльном-слитком - 327 мм и 1,83% (рис. 3.1 г, табл. 3.1).
Тепловая работа прибыльной надставки приводит к тому, что металл в верхней части слитка длительное время находится в жидком состоянии. Таким образом, увеличивается время его затвердевания. Медленное охлаждение верхней части создает благоприятные условия для зарождения и роста кристаллов, участвующих в формировании конуса осаждения, в результате объем конуса осаждения по сравнению с бесприбыльным слитком увеличивается.
Изучение сдвоенного ступенчатого слитка массой 4,07 т с максимальным отношением H/D=4,59 показало, что объем конуса осаждения достигает только 0,9% от тела слитка.
Незначительная величина области конуса объясняется высокой скоростью роста горизонтального фронта затвердевания и подавлением вертикальной (объемной) кристаллизации слитка. При одинаковой скорости оседания кристаллов, зависящей только от свойств расплава, в удлиненном слитке с высоким отношением высоты к диаметру и скоростью горизонтального затвердевания большая часть оседающих кристаллов захватывается продвигающимися боковыми фронтами, не успевая достичь дна слитка. Чем больше высота слитка и конусность его тела, тем вероятнее этот процесс. Также необходимо учитывать, что различный верхний диаметр составных изложниц образует ступеньку в литейной оснастке, которая усиливает интенсивность теплоотвода от затвердевающего металла и ускоряет процесс кристаллизации в этой области. Большая протяженность зоны последовательной кристаллизации на среднем горизонте слитка могла послужить препятствием для течения нисходящих конвективных потоков, переносящих изолированные кристаллы в нижнюю часть.
Из вышеизложенного следует, что на кристаллическое строение большое влияние оказывает отношение H/D слитка, и чем больше этот параметр, тем меньше доля металла, затвердевающая по объемному механизму.
На рисунке 3.2 приведено расположение структурных зон крупных слитков массой выше 20 т одинаковой геометрии, отличающихся способом их разливки.
При прочих равных условиях обычный слиток и слиток с вогнутой донной частью имели разную геометрию их донной части, что привело к изменению формы конуса осаждения, продольное сечение которого напоминает остроугольный треугольник. Одинаковая для данных слитков площадь внут ренней поверхности изложницы, вдоль которой зарождаются и растут кристаллы, объясняет незначительную разницу размеров конуса осаждения, что в очередной раз подтверждает преимущественную роль объемной кристаллизации в его формировании.
Влияние массивного поддона в слитке с вогнутой донной частью отражается на величине кристаллов, образующих конус осаждения. Ускоренное охлаждение нижней части слитка приводит к измельчению кристаллической структуры конуса по сравнению с обычным слитком (раздел 3.4).
Два других слитка, представленных на рисунке 3.2, отличались от обычного методами их разливки. Один отливали с инокулированием струи металла в процессе разливки, другой с доливкой прибыли. Доливку осуществляли через 63 мин после отливки тела слитка. Оба слитка имели развитую область конуса осаждения.
Внесенные со струей металла инокуляторы облегчают процесс формирования конуса осаждения, так как являются дополнительными центрами кристаллизации. В результате мелкокристаллическая область конуса занимает 7,57% и распространяется на высоту 950 мм от низа слитка. Объем конуса осаждения в слитке с доливкой прибыли в 1,5 раза больше по сравнению с обычным слитком и достигает 10,8%. Необходимо учесть, что поддон к моменту доливки уже нагрет первой порцией горячего металла, что понижает его теплоаккумулирующую способность. Очевидно, большая протяженность конуса осаждения 1100 мм обуславливается увеличением числа затравок, попадающих в расплав от зеркала металла и обломков ранее закристаллизовавшихся дендритов.
Описание объектов исследования
Знание конкретного, количественного влияния этих факторов позволит в определенной степени осуществлять управление процессом кристаллизации, добиться некоторой их оптимизации. Для этого было смоделировано и проанализировано множество слитков. Это множество было разбито на группы. Для «чистоты эксперимента» в каждую группу входили слитки, отличающиеся друг от друга одним параметром при неизменных остальных. Такая возможность - это еще одно из преимуществ моделирования перед натурным экспериментом. На практике очень сложно отлить два абсолютно одинаковых слитка. Были промоделированы следующие группы слитков: 1. Слитки с температурой заливки металла от 1540 до 1700С; 2. Слитки с различным относительным объемом прибыли от 23,9% до 0% (бесприбыльные слитки); 3. Слитки с различным содержанием углерода (марки 08; 20; 35; 40; 45; У8; У12); 4. Слитки с отношением H/D от 1,04 до 3,67; 5. Слитки с различной конусностью 5.1 слитки обратной конусности от 0 до 16, 5.2 слитки обратной конусности прибыльные и бесприбыльные, 5.3 слитки прямой конусности от - 16 до 0; 6. Слиток с различной массовой долей вводимых инокуляторов от 0% до 5%; 7. Слитки разного развеса (1,7; 4,15; 7,31; 13,56; 29,50; 58; 83; 103; 125; 140 т) при одинаковых пропорциях; 8. Слиток в различные моменты затвердевания (просчитан весь период его кристаллизации с интервалом 33 минут) и последующего охлаждения.
Составлена база данных литейной оснастки, в которой содержится информация о геометрических параметрах изложниц, поддонов и прибыльных надставок, а также параметры дополнительно введенной оснастки, чтобы проследить влияние таких параметров, как H/D и конусность (приложение 1). По методике измерений, изложенной в главе 2, строились графики, которые приведены в п.п. 4.3 - 4.10 Ниже приводится описание проведенных расчетов с объяснением полученных зависимостей.
Это дало возможность смоделировать ранее отлитый слиток массой 24,2 т, в котором были подробно изучены структурные зоны, их размеры, кристаллическое строение, ликвационная неоднородность, объемная доля дендритной осей. Исследования были использованы для их сопоставления с результатами моделирования в Crystal. Программа показала высокую сходимость.
Низкая температура разливки способствует развитию осевой рыхлости (см. рис. 4.1), так как жидкотекучесть сравнительно холодного металла резко снижается, что препятствует заполнению раковин и пор, образующихся во время усадки осевой зоны слитка. Перегрев жидкой стали над температурой плавления к моменту разливки, благодаря большому температурному градиенту, приводит к расширению области последовательной кристаллизации. С повышением доли последовательно затвердевшего металла уменьшаются размеры и площадь конуса осаждения (см. рис. 4.3 - 4.5), при этом плотное ядро конуса смещается к средним горизонтам слитка. Моделировался один и тот же слиток массой 24,2 т, но выбирались разные марки стали. Полученные зависимости приведены на рисунках 4.6 - 4.10. При изменении марки стали трудно проследить закономерность в изменении процесса кристаллизации, т.к. существует большое многообразие сталей, с различным химическим составом. Поэтому зависимости строились только для сталей с различным содержанием углерода от 0,08 до 1,2%. Изменение содержания углерода слабо отражается на развитии структурной неоднородности в теле кристаллизующегося слитка. Некоторое увеличение размеров конуса осаждения на 4% с ростом содержания углерода (см. рис. 4.8) можно объяснить увеличением эффективного интервала кристаллизации. Сталь дольше находится в двухфазном состоянии, при этом облегчается возможность зарождения дендритных кристаллов в объеме расплава.
С увеличением недолива прибыли уменьшается ее объем с 24% до 0%, что приводит к развитию осевой рыхлости, как по ширине, так и вглубь слитка (см. рис. 4.11, 4.12). Это связано с уменьшением объема металла, которое компенсирует усадку затвердевающего металлического каркаса. С уменьшением объема прибыли снижается протяженность и площадь конуса осаждения в 1,3; 1,4 раза соответственно (см. рис 4.13, 4.15), так как фактически уменьшается тепловая работа прибыльной надставки. В результате снижается время затвердевания и доля участия объемной кристаллизации в формировании слитка. Ширина же конуса остается постоянной (см. рис. 4.14). Бесприбыльный слиток имеет минимальную площадь конуса осаждения 6,2% по сравнению с нормальным прибыльным слитком 8,5%.
