Введение к работе
Актуальность темы. Проблемам совершенствования технологии производства крупных кузнечных слитков и улучшению их качества всегда придается большое значение в связи с тем, что, как правило, они предназначены для ответственных заготовок энергетической, судостроительной, атомной, химической и других отраслей.
При этом требования к качеству и однородности получаемого металла постоянно возрастают. Ротора турбогенераторов большой мощности, сосуды высокого давления, судовые валы, корпуса атомных и химических реакторов - все эти ответственные изделия получают ковкой из слитков массой 20-400 тонн.
Получение качественных крупных слитков представляет собой весьма сложную научную и техническую задачу в связи с интенсивным развитием структурной и химической неоднородности, образованием и развитием неконтролируемых дефектов металла.
Проблемой получения качественных крупных слитков занимались и занимаются в настоящее время ряд российских и зарубежных учёных – Н.И. Хворинов, В.С. Дуб, С.Я. Скобло, В.А. Ефимов, Е.А. Казачков, С.И. Жульев, Н.А. Зюбан и другие.
Однако и в настоящее время получение качественных крупных слитков и поковок представляет сложную научную и техническую задачу в связи с одновременностью физических, физико-химических и кристаллизационных процессов во время разливки, затвердевания и ковки слитков.
С целью улучшения структурной и химической неоднородности слитка существует ряд методов воздействия на затвердевающий металл: инокулирование, вибрация и другие, но главными факторами, определяющими особенности формирования структуры и строения слитка, являются его геометрические параметры.
Их наилучшее соотношение обеспечивает получение благоприятной макроструктуры, подавление развития ликвационных явлений, уменьшение дефектов осевой зоны.
Большим вкладом в решение этой проблемы явился метод отливки слитков с вогнутой донной частью («выпуклым») поддоном, разработанный в ЦНИИТМАШ. Данная конфигурация слитка позволила улучшить структуру и повысить выход годного в поковку.
Применение слитков этого типа обусловило поиск оптимального сочетания их геометрических параметров с целью улучшения структуры, снижения ликвационной неоднородности, уменьшения дефектов осевой зоны. Это определило основные направления дальнейших исследований, связанных с изучением влияния геометрических параметров слитка с вогнутой донной частью на особенности кристаллизации, формирования структуры, развития внеосевой химической неоднородности, распределения неметаллических включений и уровень механических свойств полученных из этих слитков поковок.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается выполнением ее в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» рег.номер 2.1.2/9220 «Исследование фундаментальных процессов формирования структуры и свойств сверхкрупных металлоизделий в различных условиях кристаллизации больших масс металла», и грантов: РФФИ №07-08-00511а «Изучение фундаментальных закономерностей формирования дефектов при кристаллизации сверхкрупных металлических тел», гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МК-4034.2012.8 «Разработка оптимальной конфигурации и технологии отливки кузнечных слитков в вакууме, с контролируемым развитием дефектных зон литого металла с целью повышения качества и надежности крупногабаритных изделий энергетического машиностроения».
Промышленные эксперименты проводились на ОАО "ПО "Баррикады".
Цель работы. Улучшение структуры и качества крупных слитков с вогнутой донной частью за счет оптимизации их геометрических параметров, изучение особенностей кристаллизации и формирования структурной, физической и химической неоднородности, распределения неметаллических включений и уровня механических свойств слитка новой геометрии.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
-
Провести физическое и математическое моделирование процессов кристаллизации крупных кузнечных слитков;
-
Исследовать влияние H/D и геометрических параметров «выпуклого» поддона слитка на развитие дефектов осевой зоны и рассчитать оптимальные величины параметров H/Dср слитков с кюмпельной частью и выпуклым поддоном, обеспечивающие уменьшение дефектов осевой зоны при производстве сплошных кованых изделий тяжёлого машиностроения;
-
Исследовать макроструктуру крупных кузнечных слитков различной геометрии;
-
Оценить влияние геометрических параметров поддона слитка на развитие химической и физической неоднородности, распределение неметаллических включений и уровня механических свойств в слитке.
Научная новизна
В работе были получены следующие новые научные результаты:
- выявлены особенности кристаллизации слитка с вогнутой донной частью, обусловливающие опережающее развитие вертикальной составляющей кристаллизации, в 1,4 раза превышающей аналогичную характеристику для обычного кюмпельного слитка, что обеспечивает интенсификацию процесса затвердевания и оказывает положительное влияние на формирование структуры и химической неоднородности;
- установлено, что за счёт захолаживающего воздействия «выпуклого» поддона на осевые объёмы слитка улучшаются условия подпитки осевой зоны жидким металлом прибыли, в результате чего её протяжённость сокращается на 450 мм, а диаметр на 50 мм;
- показано, что ускорение кристаллизационных процессов в нижней части опытного слитка приводит к интенсивному перераспределению примесей в процессе формирования шнуров внеосевой ликвации: количество их увеличивается, в 1,7 раза, а диаметр уменьшается в 1,5 раза, что приводит к снижению химической неоднородности по всему объёму слитка.
- выявлено уменьшение среднего размера оксидных, сульфидных и оксисульфидных включений в 6, 2,5 и 1,3 раза, соответственно, по сечению и высоте опытного слитка за счёт интенсивного продвижения фронта кристаллизации в вертикальном направлении;
- промышленными экспериментами обоснована и показана эффективность применения слитка с вогнутой донной частью, обеспечивающего повышение качества металла поковок.
Практическая значимость работы заключается в том, что предлагаемый опытный слиток с вогнутой донной частью по своим структурным и качественным характеристикам превосходит слиток обычной геометрии. Его получение не требует изменения технологии и вложения затрат, что делает его производство экономически целесообразным. Ожидаемый экономический эффект составляет 569520 рублей.
Полученные результаты дают возможность проводить целенаправленный выбор соответствующей конфигурации слитка, обеспечивающей изготовление качественной поковки с минимальным развитием дефектов осевой зоны и улучшенными структурными характеристиками.
Получен патент на полезную модель 110667, РФ, МПК B 22 D 7/08 / Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / Зюбан Н.А., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., [и др.] – Опубл. 27.11.2011. Бюл. №33.
Получен патент на полезную модель 114281, РФ, МПК B 22 D 7/08 / Устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице / Зюбан Н.А., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б., [и др.] – Опубл. 20.03.2012. Бюл. №8.
Апробация работы
Основное содержание диссертационной работы отражено в 11 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии. Получены два патента на полезную модель РФ.
Материалы диссертационной работы докладывались на 2-х международных конференциях (Самара, 2009 г.; Санкт-Петербург, 2010 г.), на 2-х Всероссийских научно-практических конференциях (г. Камышин, 2008-2009 гг.), на 3-х региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (20082010 гг.), на 3-х Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов (г. Магнитогорск, 2008-2010 гг.), на научно-технической конференции «65 лет ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П.Бардина"» (г. Москва, 2009 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (20072012 гг.).
Достоверность результатов полученных в работе обеспечивается применением: современных технических средств, методов исследования и подтверждается успешной реализацией защищаемых научных и технологических решений при производстве крупных слитков и поковок. Экспериментальная часть работы выполнена: с применением методов оптической и растровой микроскопии SMZ-143N266, МИМ, OLIMPUS BX21, EP NEOFOT NU2/E, твердомеров, а также разработанных новых оригинальных методик с использованием компьютерных программ – определения плотности кристаллической структуры и моделирования процесса кристаллизации слитка (универсальная компьютерная программа «МГП», программный комплекс «CRYSTAL», прикладной пакет DEFORM 3D); использованием адекватных физических моделей, подробно описанных в научной литературе и соответствующих современному уровню исследований в области рассматриваемых явлений.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературных источников из 167 наименований, содержит 165 страниц машинописного текста, 60 рисунков, 20 таблиц.
