Содержание к диссертации
Введение
1 Дефекты слитка и его напряженное состояние. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 11
1.1 Кристаллизация и строение крупных кузнечных слитков 11
1.2 Напряженное состояние в литом металле и формирование трещин 14
1.2.1 Горячие трещины 15
1.2.2 Холодные трещины 19
1.3 Дефекты крупных кузнечных слитков 21
1.3.1 Поверхностные трещины - продольные и поперечные 21
1.3.2 Осевые трещины 22
1.3.3 Дугообразные трещины 23
1.3.4 Химическая неоднородность 24
1.4 Образование дендритной структуры 24
1.5 Влияние изложницы на процесс кристаллизации 25
1.6 Влияние температуры жидкой стали 26
1.7 Влияние скорости разливки 27
1.8 Влияние химического состава стали 28
1.9 Влияние растворенных в стали газов 29
1.10 Существующие в настоящее время модели кристаллизации слитка 29
1.11 Заключение 31
2 Моделирование кристаллизации и напряженного состояния слитка 34
2.1 Программа Krisli 34
2.2 Разработка математической модели кристаллизации слитка 35
2.3 Факторы, влияющие на образование трещин в слитках 37
2.4 Описание комплекса математических моделей Crystal 39
2.4.1 Модель тепловых процессов 39
2.4.2 Модель формирования структурных зон 41
2.4.3 Модель давлений и плотности металла 41
2.4.4 Модель напряженного состояния материала 43
2.4.5 Оценка жесткости НС 45
2.5 Анализ напряженного состояния слитка 46
2.6 Интегральный критерий дефектообразования 52
2.7 Методика работы с комплексом Crystal 55
2.8 Заключение 59
3 Сравнение расчетных и экспериментальных данных исследования структуры и дефектов кузнечных слитков ... 61
3.1 Методика исследования слитков 61
3.2 Расчет и анализ слитка 24,2т стали 38ХНЗМФА (№1) 68
3.3 Расчет и анализ слитка 24,2т стали 38ХНЗМФА, отлитого с инокуляцией струи расплава (№2) 76
3.4 Расчет и анализ слитка 22,5т стали 38ХНЗМФА, отлитого с применением специального поддона (№3) 81
3.5 Обобщение результатов по трем слиткам 87
3.6 Заключение 88
4 Моделирование кристаллизации слитков с различными геометрическими и технологическими параметрами 90
4.1 Начальные условия для моделирования. Их влияние на процесс кристаллизации и образование дефектов в слитке 90
4.2 Описание объектов исследования 92
4.3 Слитки с разной температурой разливки 93
4.4 Слитки с разным отношением высоты к диаметру (H/D) 94
4.4.1 Бесприбыльные слитки 94
4.4.2 Прибыльные слитки 96
4.5 Слитки с разной конусностью 97
4.5.1 Бесприбыльные слитки 97
4.5.2 Прибыльные слитки . 98
4.5.3 Бесприбыльные слитки с обратной конусностью 99
4.6 Слитки из разных марок сталей 101
4.7 Слитки с различным объемом прибыли 102
4.8 Слитки разного развеса 103
4.9 Разная теплопроводность литейной оснастки 104
4.9.1 Разная теплоотдача от зеркала металла 104
4.9.2 Разная теплоотдача от стенок прибыли 105
4.9.3 Разная теплоотдача от стенок изложницы 105
4.9.4 Разная теплоотдача в поддон 106
4.10. Один и тот же слиток в разные моменты времени 106
4.11 Заключение 109
5 Оптимизация геометрии слитка с целью получения бездефектной поковки 110
5.1 Система автоматизированного проектирования «Выбор слитка» 110
5.2 Применение САПР «Выбор слитка» во взаимодействии с комплексом Crystal 111
5.3 Управление геометрическими параметрами слитка с целью его оптимизации 116
5.3.1 Управление высотой расположения дугообразных трещин 116
5.3.2 Выбор слитка с учетом размеров дефектных зон 118
5.4 Изготовление и макроконтроль поковок с прямой и обратной ориентацией в слитке 120
5.5 Заключение 123
Выводы 125
Список использованной литературы 127
- Существующие в настоящее время модели кристаллизации слитка
- Интегральный критерий дефектообразования
- Расчет и анализ слитка 22,5т стали 38ХНЗМФА, отлитого с применением специального поддона (№3)
- Применение САПР «Выбор слитка» во взаимодействии с комплексом Crystal
Существующие в настоящее время модели кристаллизации слитка
Когда выполнение аналитического исследования затруднено, прибегают к изучению процесса на моделях. Моделирование является весьма эффективным методом исследования. Его преимущество в возможности обобщения результатов единичного опыта и распространение его на целую группу явлений, подобных изучаемому. Проведение исследований на модели вместо натуры обусловлено еще и экономическими соображениями, опасностью для измерительных приборов и самого экспериментатора, что в данной области исследований (отливка слитков) является актуальным.
Процесс кристаллизации металла с давних пор пытались исследовать с применением расчетов на моделях. Первую упрощенную математическую модель описал Нейман в 1820 г. Она лишь в общем виде учитывала тепловую сторону кристаллизации. После этого многие исследователи пытались разрешить задачу формирования слитка с позиций более строгого и содержательного подхода. До появления достаточно мощной компьютерной техники все предлагаемые модели оставались описательными. Специалисты прикладных металлургических институтов и заводские специалисты не могли просчитать реальный слиток, в котором учитывалась бы вся полнота и сложность физико-химических процессов кристаллизации жидкого металла. Вся математика, применяемая заводскими инженерами, сводилась к подсчету времени затвердевания по так называемому «закону квадратного корня». И только с появлением вычислительных машин у разработчиков появился аппарат, расширяющий возможности физиков-теоретиков при решении такого рода задач.
Э.А. Иодко [56] рассчитывал конвективные потоки в жидкой сердцевине кристаллизующего слитка и уровень термических напряжений в его затвердевающей корочке. В его расчетной модели слиток представлялся в виде бесконечной плиты, шара или цилиндра.
А.К. Черепанов [58] использовал метод электротепловой аналогии при расчетах температурных полей и усадочной раковины рельсового слитка в продольном и поперечном сечении. Моделирование проводилось с помощью сеточной модели на базе электроинтегратора ЭИ-12.
В.А.Ефимов [86] с коллегами изучил динамику изменения температурных полей затвердевающего слитка и: ее зависимость от условий разливки и от литейной оснастки. Он считал целесообразным разработать компьютерную модель кристаллизации, учитывающую закономерности, протекающие в двухфазной зоне. В своей книге [2] он приводит формулы, описывающие процесс кристаллизации металла, с учетом тепловых процессов, а также свойств жидкой стали и оснастки.
Самойлович Ю.А. с сотрудниками [57] разработал компьютерную программу, рассчитывающую температурные поля застывающего слитка и рассматривающую твердо-жидкую фазу, как капиллярно-пористую среду, процесс пропитки которой является фильтрационным.
Ю.Н. Яковлевым [45] на основе экспериментальных данных по изменению температуры поверхности слитка и результатов моделирования с использованием электротепловой аналогии на сеточной модели была аппроксимирована зависимость температурного градиента от толщины корки и величины теплового потока от жидкого металла к ней. Установлено, что в первые моменты затвердевания вблизи фронта кристаллизации имеют место сжимающие напряжения, а на поверхности корки растягивающие. При достижении максимального градиента температур вблизи фронта появляются растягивающие напряжения, а сжимающие перемещаются в центральные части корки; на поверхности напряжения продолжают оставаться растягивающими. После прохождения точки перегиба на кривой градиента температур происходит смена знака напряжений на поверхности и они там становятся сжимающими,
К настоящему моменту проведено множество исследований процессов, протекающих в стальном слитке при его кристаллизации. Исследователями (Ефимов В.А., Скобло С.Я., Шмрга Л., Казачков Е.А., Дуб B.C., Китаев Е.М., Багмутов В.П., Яковлев Ю.Н., Самойлович Ю.А., Черепанов А.К., Дуб А.В., и др.) получены зависимости, описывающие структуру слитка, его дефекты и динамику затвердевания. При этом, несмотря на большое число публикаций по отдельным вопросам формирования слитка (в основном экспериментального характера), в настоящее время нет единого математического описания всего процесса кристаллизации, с учетом формирования структурных зон, дефектов и напряженного состояния.
Кроме того, еще до конца не решен вопрос о том, какое напряженное состояние приводит к гарантированному разрушению материала, известны лишь уровень напряжений и схемы НС, являющиеся опасными или безопасными.
Интегральный критерий дефектообразования
Обоснование образования дугообразных трещин. В некоторых слитках исследователями [19, 89, 91, 92] обнаружены дугообразные трещины, огибающие сверху конус осаждения. Ими описана предположительная причина их образования - они возникают в момент образования твердожидкого кристаллического каркаса чуть выше нижней трети слитка, на стыках продвигающихся бокового фронта кристаллизации и затвердевающего конуса осаждения. Специфическая дугообразная форма трещин, по их мнению, объясняется различными значениями и направлениями напряжений по радиусу слитка. Стенки дугообразных трещин имеют дендритное строение, что свидетельствует об их росте в присутствии жидкой фазы. Кроме того, эти трещины расположены по границе различных зон слитка с существенно разным химическим составом, размером и ориентацией кристаллов.
Анализируя полученные результаты (рисунки 2.5, 2.6), можно дополнить вышесказанное следующим. В зоне, где в экспериментальном слитке обнаружены дугообразные трещины, сходятся сразу несколько неблагоприятных факторов, помимо отмеченных исследователями: - неблагоприятное значение параметров ц0 и \\J; - пониженная плотность металла, по сравнению с находящимся под трещинами плотным ядром; - небольшой градиент температур, следовательно небольшая скорость продвижения фронта кристаллизации, опосредованно влияющая на появление трещин . Это проиллюстрировано на рисунке 2.7, а. Этот рисунок построен таким образом: рассмотрены поля, характеризующие напряженное состояние (рисунок 2.5) и отделены те зоны, которые представляют наибольшую опасность, все эти поля наложены друг на друга. Это послужило основой для разработки интегрального критерия дефектообразования, учитывающего влияние вредных факторов в совокупности. Для сравнения зон опасного напряженного состояния с положением реальных трещин в слитке на рисунке 2.7, в приведены зоны 24,2т слитка стали 38ХНЗМФА. На рисунке жирными овалами обозначены опасные напряженные зоны и соответственно зоны с трещинами. Видно, что положение зон с трещинами и положение опасных напряженных зон близки. Методика, позволяющая осуществлять идентификацию опасных зон, а значит, прогнозировать зоны трещин в слитке, заключается в следующем: 1) Анализовались поля распределения величин, характеризующих напряженное состояние слитка и динамику его затвердевания: градиент температур ДТ, интенсивность напряжений CTj, параметры у и ц , давление р; 2) Влияние каждой величины задавалось определенным весовым коэффициентом. Доля влияния каждой из этих величин определялась экспертно исходя из близкого соответствия с картиной реального распределения трещин, подобно тому, как изображено на рисунке 2.7. Достоверность интегрального критерия была проверена примерно на 30 слитках разной массы и конфигурации, где ki — kg — весовые коэффициенты, а— интенсивность напряжений, \j/ и ц0 - параметры, характеризующие жесткость НС, р - давление, G - градиент температур, коб - коэффициент объемного расширения в твердом состоянии, зависящий от химического состава стали в данной точке, главным образом от содержания углерода, k mjn=l-10"5 1/С — минимально возможный коэффициент объемного расширения. Значения в знаменателе с индексом max -максимально возможное значение параметра в данном слитке. Члены числителя формулы (2.14) сформированы на основании характерных значений параметров \/ и ц0, приведенных в п. 2.4,5. Роль весовых коэффициентов k — ks заключается в том, что они учитывают долю каждой величины в отдельности и делают формулу безразмерной. Содержание углерода в осевых объемах слитка всегда выше, чем в периферийных из-за явления зональной ликвации. Поэтому коэффициент объемного расширения на периферии слитка (корковая зона) принимаем коб= к0б тіїт На оси слитка: ков в числителе - среднее содержание углерода в верхних горизонтах осевой зоны слитка, в знаменателе — содержание углерода в ковшевой пробе. Из формулы (2.14) видно, что значение величины критерия К лежит в пределах от 0 до 1. Чем больше это значение, тем выше вероятность возникновения дефектов в данной расчетной точке слитка. Зоны, изображенные на рисунке 2.7, б оттенками красного цвета соответствуют значениям К=0,8...1. Оттенки зеленого соответствуют К=0,6...0,8. Оттенкам синего соответствует К=0...0,6. Замечу, что интегральный критерий дефектообразования имеет экспертный характер, коэффициенты в формуле 2.14 подобраны, исходя из соображений соответствия реальному расположению дефектов на слитках. В результате многократных экспериментов более, чем на 30 слитках - геометрические параметры слитка- Пользователь выбирает изложницы, поддон, прибыльную надставку из базы данных программы. В базу данных была занесена информация о литейной оснастке для слитков, используемых на «ПО «Баррикады», кроме того, задается величина недолива; - марка стали. Пользователь также выбирает марку стали из базы данных. В базе данных по каждой марке стали имеется следующая информация - содержание углерода, легирующих элементов, температуры ликвидус и со-лидус, плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность; - начальная температура расплава; - коэффициенты теплоотдачи от зеркала металла, от стенок прибыли, от стенок изложницы, теплоотдача в поддон; - промежуток времени от начала кристаллизации, если необходимо рассчитать состояние слитка на определенный момент времени; Кроме того, задается следующая служебная информация: - скорость осаждения кристаллов.
Расчет и анализ слитка 22,5т стали 38ХНЗМФА, отлитого с применением специального поддона (№3)
Нами был проведен анализ технологического процесса получения крупного кузнечного слитка, начиная от разливки и заканчивая его затвердеванием. Среди всех параметров технологического процесса были выбраны те, которые существенно влияют на процесс кристаллизации слитка. Влияние этих параметров изучено и описано в литературе такими исследователями, как Скобло С.Я., Ефимов В.А., Жульев СИ., ОЙкс Т.Н., Явойский В.И. и др. Ниже приводится некоторая систематизация всех полезных и вредных факторов, влияющих на процесс кристаллизации слитка с учетом его напряженного состояния.
Марка стали влияет на ход затвердевания слитка, т.к. разные стали характеризуются разными температурами ликвидус и солидус, разными величинами теплопроводности и теплоемкости, разным коэффициентом объемного расширения. Исходя из заданной марки стали, подбирают температуру, а иногда и технологию разливки.
Геометрические параметры слитка. Основными определяющими величинами, зависящими от геометрической формы слитка, являются отношение высоты тела слитка к его приведенному диаметру (H/D) и конусность, которую можно посчитать по формуле где Нтела высота тела слитка, DBepx и ишжи - соответственно его верхний и нижний диаметр.
В литературе широко описано влияние геометрической формы слитка на размеры его дефектных зон. H/D. При увеличении значения H/D, т.е. при увеличении высоты слитка, протяженность осевых дефектов увеличивается из-за затрудненности пропитывания глубинных слоев слитка жидким металлом из прибыли. При больших H/D в теле слитка возникает развитая осевая рыхлость или даже вторичная усадочная раковина. При малых (порядка 1,5) осевые дефекты в теле слитка отсутствуют. Однако, с уменьшением H/D увеличивается время затвердевания слитка (при неизменной его массе), следовательно увеличивается величина зональной ликвации. Конусность. С ростом этого параметра снижается развитие осевой физической неоднородности. Но увеличивается внеосевая ликвация, повышается объем прибыли и как следствие уменьшается выход годного из слитка в поковку. Слиток с большой конусностью сложнее поддается ковке. Относительный объем прибыли. С уменьшением этой величины ухудшается тепловая работа прибыли, однако увеличивается выход годного. Объем прибыли стараются подобрать таким образом, чтобы осевых дефектов не было и в то же время, чтобы он был минимально возможным. Литейная оснастка — изложницы, поддоны, прибыльные надставки. На теплопроводность в начальные моменты затвердевания влияет толщина стенок изложницы, ее начальная температура нагрева и обмазка. Масса поддона обуславливает теплоотвод в нижней части слитка. Ускоренное затвердевание нижней части слитка способствует уменьшению осевых дефектов. Материал теплоизоляции, форма и объем прибыльной надставки должен обеспечивать максимально долгое затвердевание металла в прибыли с целью лучшего питания осевых объемов тела слитка. Начальная температура расплава. Чем выше эта температура, тем дольше в прибыли будет оставаться жидкий металл. Однако перегрев металла влечет за собой увеличение времени остывания слитка, приводящее к развитию химической неоднородности, а также рост термических напряжений, приводящих к трещинам. Длительность затвердевания. Правильное определение времени за- твердевания имеет большое значение. Для получения здорового металла необходимо не дать слитку остыть, чтобы он не потрескался от внутренних напряжений, а немедленно отправить его в термообработку. Вместе с тем, это необходимо сделать только после окончательного затвердевания, т.к. известно, что встряхивания и другие внешние воздействия на кристаллизующийся металл могут усилить ликвационные дефекты. Была поставлена задача проследить влияние каждого из вышеперечисленных факторов в отдельности. 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.
Применение САПР «Выбор слитка» во взаимодействии с комплексом Crystal
Моделировалось разное утепление зеркала металла от -5 до 5 единиц. За единицу принималось теплоотдача при зеркале металла, засыпанном пес Лж ком (по данным Ефимова В. А. [2]) равная 150. При отрицательной теплоотдаче (т.е., когда зеркало металла не охлаждается, а наоборот нагревается) усадочная раковина неглубокая, с пологим дном. При увеличении теплоотдачи она вытягивается и становится заостренной снизу. Поэтому на рисунке 60 глубина усадочной раковины растет. На зону столбчатых дендритов теплоотдача сверху влияния не оказывает. Конус осаждения уменьшается в размерах (рисунки 61, 62, 65) из-за более быстрого охлаждения, металл меньше времени находится в двухфазном состоянии. При большой теплоотдаче прибыль перестает выполнять свои функции и осевые дефекты становятся больше и в глубину и в ширину, как показывает расчет дефектообразования по интегральному критерию (рисунки 63, 64). Моделировались слитки с разной величиной теплоотдачи от стенок прибыльной части от 0 до 4 единиц. За единицу принята теплоотдача при ис Дж пользовании некоторой условной прибыльной надставки равная 310— =-1 . С ростом теплоотдачи прибыль затвердевает быстрее, усадочная раковина становится глубже (рисунок 66) и более заостренной книзу. Тепловой центр слитка опускается ниже границы между прибылью и телом слитка. На столбчатую зону удаленных от прибыли зон повышенная теплопроводность прибыльной надставки влияния не оказывает. Конус осаждения становится меньше (рисунки 67, 68, 71) из-за более быстрого охлаждения, металл меньше времени находится в двухфазном состоянии. Осевые дефекты становятся больше (рисунки 69, 70) из-за ухудшения работы более теплопроводной прибыльной надставки.
Моделировались слитки с разной величиной теплоотдачи от стенок изложницы от 0,3 до 5 единиц. За единицу принята теплоотдача при использо вании некоторой условной изложницы развеса 24,2т равная 3150 2
При низких значениях теплоотдачи в изложницу появляется вторичная усадочная раковина (рисунок 72), т.к. в таком случае прибыль остывает почти наравне с изложницей. С ростом теплоотдачи от стенок изложницы усадочная раковина сокращается, т.к. больше металла из прибыли успевает уйти в тело слитка. Зона столбчатых дендритов увеличивается по линейному закону (рисунок 73), она напрямую зависит от теплоотвода. Конус осаждения уменьшается (рисунки 75, 76), т.к. при более быстром остывании за время кристаллизации успевает осесть меньшее количество кристаллов. Повыше-ниє теплоотдачи от стенок изложницы благотворно сказывается на качестве осевых объемов слитка, т.к. металл в прибыли дольше будет питать тело слитка, тепловой центр будет выше. Осевых дефектов следовательно тоже будет меньше, это показывает и расчет дефектообразования (рисунки 77, 78). Однако теплоотдачу нельзя увеличивать бесконечно, т.к. исследования показывают, что при увеличении толщины стенок изложницы более 55мм тепло-отвод существенно не увеличивается [61],
Моделировались слитки с разной величиной теплоотдачи от стенок поддона от 0,4 до 5 единиц. За единицу принята теплоотдача при использо Лж вании некоторого условного поддона равная. Теплоотдача в поддон оказывает существенное влияние только на нижние горизонты слитка. Усадочная раковина при увеличении теплоотдачи в поддон остается практически без изменений (рисунки 80). Зона столбчатых дендритов в поддоне увеличивается (рисунок 81), она напрямую зависит от теплоотвода. Высота конуса осаждения снижается, т.к. быстрее продвигается вертикальный фронт затвердевания и последовательная кристаллизация начинает преобладать над объемной. Ширина конуса осаждения остается практически неизменной (рисунки 82, 83). Плотное ядро уменьшается из-за преобладания в нижней части слитка последовательной кристаллизации (рисунок 86). Глубина осевых дефектов сокращается из-за ускорения роста вертикального фронта кристаллизации (рисунок 84). Их диаметр остается без изменений (рисунок 85).
