Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение эффективности и надежности работы изделий, применяемых в авиации, космонавтике, теплоэнергетике, в газовом хозяйстве во многом определяется достигнутым уровнем служебных характеристик литых изделий из никелевых жаропрочных сплавов. Прогресс в этой области связан с использованием технологических приемов физического и химического воздействия на жидкий металл в процессе плавки, разливки, сварки. Достижение высокого уровня физико-механических свойств металла и производства годных изделий высокого качества требует решения комплекса задач практического и теоретического плана, связанного с выплавкой и формированием требуемой структуры отливок. Существенные резервы управления структурой и служебными свойствами отливок открывает использование методов энергетического воздействия на жидкий металл, среди которых важное место занимают модифицирование ультрадисперсными порошками (УДП) и высокотемпературная обработка расплавов (ВТОР).
Особо актуальной представляется проблема изготовления, высококачественных заготовок с использованием энерго- и ресурсосберегающих технологий, среди которых весьма заметную роль в последние годы играют электрошлаковые технологические процессы, такие как электрошлаковый переплав (ЭШП), электрошлаковое кокильное литье (ЭШКЛ) и электрошлаковая сварка (ЭШС). Несмотря на явные преимущества электрошлаковых технологий, разработанных в Институте электросварки им. Е.О. Патона, г. Киев АН Украины, информация о которых широко опубликована, литой электрошлаковый металл заготовок из таких материалов по механическим свойствам и служебным характеристикам изделий обычно уступает поковкам из металла: вакуумно-дугового (ВДП), вакуумно- индукционного (ВИП) переплавов. Поэтому реализация преимуществ электрошлаковых технологий при производстве таких заготовок связана, прежде всего, с решением проблемы повышения свойств литого электрошлакового металла до уровня, получаемого обработкой давлением. Достижение более высоких показателей свойств литого металла возможно в основном по двум направлениям: модифицированием его структуры путем введения УДП в процессе кристаллизации и повышением металлургической чистоты расплава в процессе переплава расходуемого электрода в плавильной емкости, а также применением технологии ВТОР.
Научный и производственный прогресс в области управления кристаллическим строением литого металла был достигнут при использовании теории суспензионного модифицирования, предложенной П.А. Ребиндером, М.С. Липманом, С.П.Попелем, А.А.Бочваром, В.И. Архаровым, И.А.Миркиным, а также Нижегородской научной школой А.А. Рыжикова и получившей дальнейшее развитие в трудах Ю.З. Бабаскина, О.Х. Фаткулина, С.С. Затуловского, В.Б. Федорова,М.Х. Шоршорова, А.Н. Черепанова, В.П. Сабурова, А.М. Микитась, и др.
Основным недостатком известных методов суспензионного модифицирования является неоднородность суспензии, обусловленная неравномерным распределением частиц в объеме расплава, возможностью седиментации по плотности и низкой устойчивостью от коагуляции и растворения. Достижения теории и практики активного воздействия на расплав при раскислении, микролегировании и модифицировании позволяют утверждать, что устранение этого недостатка обеспечит значительный эффект в направленном воздействии на структуру металла и повышения физико- механических свойств отливок.
Эффективность модифицирования может быть существенно повышена, если в металл ввести и равномерно распределить в нем тугоплавкие частицы с заранее выбранными необходимыми химико-физическими свойствами, в частности ультрадисперсные (0,01-0,05 мкм) порошки, получаемые плазмохимическим синтезом. Однако, технологический процесс модифицирования литого металла тугоплавкими инокуляторами в электрошлаковых технологиях остается малоизученным в теоретическом и практическом аспектах, а сведений об использовании УДП недостаточно, что и составило одну из основных частей настоящего исследования.
Металлургическая чистота расплава определяется степенью загрязнения его неметаллическими включениями, примесями и газами. Эта проблема особенно актуальна для тех электрошлаковых технологий, где технологически разделены процессы плавления расходуемого электрода с накоплением необходимого количества металла в плавильной емкости и кристаллизации жидкого металла в литейной форме после заливки изделия. Это связано с тем, что в целом ряде электрошлаковых технологий применяют различного рода футерованные керамические плавильные емкости - тигли, надставки, сливные устройства и т.д. В тоже время, при электрошлаковой тигельной плавке высоколегированных сталей и сплавов используются высокоагрессивные фторидные шлаки, взаимодействие которых с футеровкой плавильной емкости приводит к загрязнению жидкого металла неметаллическими включениями и выгоранию активных легкоокисляющихся элементов, имеющихся в расплаве.
В таких случаях перспективно применение водоохлаждаемых гарнисажных металлических плавильных емкостей, обеспечивающих более «стерильные» условия плавки. В тоже время, из-за повышенной теплоотдачи через стенку они имеют низкий КПД, а публикации о работах в области существенного снижения тепловых потерь и совершенствования их конструкций крайне ограничены. ВТОР позволяет подготовить металл к разливке. Она обеспечивает перевод металлического расплава в микрооднородное и микроравновесное состояние. Таким образом, актуальной задачей металлургии является разработка способов модифицирования жидкого металла ультрадисперсными порошковыми комплексами (УДПК) тугоплавких соединений с целью обеспечения высокого уровня физико-механических свойств изделий и увеличения выхода годной продукции.
Цель и задачи работы. Разработка теоретических и технологических основ применения УДПК в качестве модифицирующих добавок, позволяющих управлять процессом структурообразования и изменения физико-механических свойств изделий из жаропрочных никелевых сплавов с использованием технологии высокотемпературной обработки расплавов (ВТОР) и применением автогарнисажных медных охлаждаемых плавильных емкостей, обеспечивающих высокую металлургическую чистоту жидкого металла в процессе электрошлакового переплава и электрошлакового кокильного литья.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие теоретические и практические задачи:
!.Проанализировать существующие методы управления
структурообразованием и свойствами кристаллизующихся систем с учетом поверхностных явлений на границе раздела «УДП частица - металлический расплав»;
-
Теоретически спрогнозировать и экспериментально обосновать принципы выбора модифицирующих УДПК для обработки жидкого электрошлакового металла, разработать технологические процессы приготовления и составы модификаторов для высоколегированных сталей и сплавов;
-
Провести теоретические и экспериментальные исследования процессов образования устойчивых металлических суспензий в жидком металле для разработки и определения технологических параметров и критериев выбора химического состава модифицирующих УДПК;
-
Исследовать эффективные способы управления структурой никелевого сплава в процессе кристаллизации жидкого металла при электрошлаковом кокильном литье;
-
Установить закономерности процесса формирования кристаллической структуры, физико-механических свойств электрошлакового металла в результате модифицирования УДПК и при изменении технологических параметров ЭШКЛ;
б.Определить технологические параметры процесса модифицирования сплавов УДПК, обеспечивающих устойчивую работу частиц в жидком металле в условиях электрошлакового переплава и последующего залива модифицированного металла в металлические формы;
7.Определить основные источники загрязнения расплава при тигельной плавке и разливке, оценить их влияние на свойства получаемого электрошлакового металла и создать технические средства, обеспечивающие повышение его металлургической чистоты;
8.Определить оптимальные технологические режимы ВТОР в плавильных емкостях жаропрочных никелевых сплавов, обеспечивающих повышение физико-механических и служебных свойств изделий;
9.Разработать и внедрить технологическую оснастку, литейное и сварочное оборудование, обеспечивающие модифицирование никелевых сплавов УДПК в процессах ЭШП и ЭШКЛ.
Научная новизна.
-
-
Внесен вклад в теорию модифицирования расплавов экзогенными тугоплавкими частицами, заключающийся в обосновании образования на их поверхности переходного слоя в виде химического соединения, снижающего значения межфазной энергии на границе подложка-кристаллизирующая фаза и тормозящего процесс разрушения УДПК;
-
Разработан состав комплексного модификатора на основе TiCN и Ti, который обеспечивает равномерное распределение тугоплавких частиц в металлическом расплаве и активное инокулирующее участие в процессе образования структуры при кристаллизации сплава;
-
Предложена модель модифицированного металлического расплава, представляющая его как суспензию, в которой УДПК является гетерофазным комплексом с твердым ядром и слоем вещества, образованного продуктом взаимодействия с химическими элементами, адсорбированными из прилегающего объема расплава, кристаллизация которого осуществляется с меньшим энергетическим барьером;
-
Показана возможность управления микро- и макроструктурой жаропрочных никелевых сплавов и их физико-механическими свойствами при помощи введения в расплав частиц карбонитрида титана в виде УДПК, которые служат центрами кристаллизации;
-
Установлено, что при образовании суспензии с избирательной адсорбцией химических элементов, в условиях кристаллизации сплавов можно изменить морфологию структурных составляющих. Формирование коллоидной системы обусловлено в первую очередь химическим взаимодействием между модифицирующей частицей, ее плакирующим веществом и расплавом металла;
-
Рассмотрены процессы, протекающие в модифицированном расплаве, формирующие дисперсную систему с концентрационными и температурными неоднородностями, которые препятствуют росту столбчатых кристаллов, измельчают дендритное строение и изменяют морфологию и топографию избыточных фаз;
-
Получены новые экспериментальные данные о степени влияния комплексных модификаторов, состоящих из частиц карбонитрида титана плакированных титаном, на кинетику кристаллизационных процессов, структуру, механические и жаропрочные свойства никелевых сплавов;
-
Раскрыт механизм влияния высокотемпературной обработки расплава в процессе электрошлакового переплава на улучшение структуры и повышение физико-механических и служебных свойств получаемых изделий;
-
Разработано оборудование, оснастка и технологический процесс ввода УДПК и ВТОР при ЭШП расходуемого электрода, обеспечивающие повышение чистоты металла по неметаллическим включениям и газам;
-
Найден эффективный метод повышения коэффициента полезного действия (КПД) гарнисажной водоохлаждаемой медной плавильной емкости, заключающийся в создании на ее внутренней стенке щелевых выемок, образующих вместе с гарнисажем газовые полости, обладающие высоким термическим сопротивлением;
11. Разработаны физическая и математическая модели теплового баланса плавки в гарнисажной водоохлаждаемой плавильной емкости и методика расчета ее конструктивных элементов. Приведены практические рекомендации по выбору рабочих параметров процесса плавки, обеспечивающие рациональные режимы производства сплава.
Практическая значимость результатов работы заключается в разработке и внедрении:
1. Технологических процессов получения отливок путём модифицирования расплава УДПК и ВТОР в процессе литья, в создании новых технологических приёмов ЭШКЛ жаропрочных никелевых сплавов ЖС6-У, ЖС6-К, ЖС3-ДК, ЖС32 с мелкозернистой структурой и модифицированными фосфидной и карбидной эвтектиками, что обеспечивает высокий уровень физико- механических свойств изделий;
-
-
-
Теоретически обоснован, экспериментально подтвержден и реализован в производстве новый способ комплексного модифицирования никелевых сплавов активированными тугоплавкими УДП частицами полученными по технологии плазмохимического синтеза с размерами 0,01-0,05 мкм;
-
Предложенный механизм структурообразования жаропрочных никелевых сплавов позволяет дать качественную и количественную оценку взаимодействия на границе «УДПК - расплав» и прогнозировать изменения физико-механических и эксплуатационных свойств отливок в зависимости от химического состава модифицирующего УДПК;
-
Разработаны и внедрены в производство технология подготовки расплавов перед модифицированием, рецептура модифицирующих УДПК и технология их изготовления, рекомендации по температурно-временным режимам введения частиц в период плавки и разливки жидкого металла;
-
Разработаны и внедрены плавильные емкости с щелевыми пазами на внутренней поверхности, что обеспечило уменьшение тепловых потерь при плавке и создание «стерильных» условий накопления жидкого металла;
-
Разработано и внедрено устройство донного слива расплава из плавильной емкости, обеспечивающее изоляцию жидкого металла от воздуха и отделение его от шлака при сливе в литейную форму;
-
Предложена и внедрена технология электрошлакового переплава расходуемого электрода под слоем защитного флюса в охлаждаемой плавильной емкости, позволившая исключить загрязнение сплава экзогенными неметаллическими включениями и обеспечивающая заданный уровень служебных характеристик получаемых изделий;
-
Разработаны и внедрены в производство технологии модифицирования УДП комплексами объёма жидкого металла в плавильной емкости при ЭШКЛ, ЭШП, ЭШС изделий из никелевых сплавов;
-
Впервые проведены прямые замеры температуры жидкого металла и шлака в процессе ЭШКЛ на протяжении всего процесса переплава расходуемого электрода в керамической плавильной ёмкости и медной водоохлаждаемой автогарнисажной плавильной емкости.
Показана эффективность применения модифицирования активированными ультрадисперсными синтетическими тугоплавкими частицами на примере большой группы сплавов. Промышленная реализация созданных разработок подтвердила повышение физико-механических, эксплуатационных свойств литого электрошлакового металла и надежности заготовок, полученных такими электрошлаковыми технологическими процессами как переплав, литье и сварка.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы для получения высококачественных отливок ответственного назначения из никелевых сплавов. Внедрение разработанного технологического процесса ЭШП и ЭШКЛ позволило повысить физико-механические свойства изделий в процессе их эксплуатации в агрессивных средах и при высоких температурах.
Результаты исследований внедрены и приняты к использованию более чем на 20 предприятиях России, Украины, Казахстана, что подтверждается актами внедрения работы. Суммарный экономический эффект от внедрения разработок составил 345 600 000 (триста сорок пять миллионов шестьсот тысяч рублей) в ценах 2002-2010 гг.
Основные положения, выносимые на защиту:
!.Теоретическое исследование процесса суспензионного модифицирования жаропрочных никелевых сплавов УДПК, рассматриваемыми как искусственная гетеронизация жидкого металла перед кристаллизацией с помощью тугоплавких плакированных частиц, способствующих зарождению центров кристаллизации и упрочнению сплавов;
-
-
-
-
Механизм процесса зародышеобразования экзогенной тугоплавкой частицы в расплаве;
-
Выбор состава комплексного модификатора УДПК содержащего в качестве инокуляторов ультрадисперсные частицы карбонитрида титана, а активирующей добавки - титан;
-
Выбор материалов и технологических процессов производства УДПК, обеспечивающий получение устойчивой металлической суспензии для модифицирования жаропрочных никелевых сплавов при ЭШП и ЭШКЛ;
5.Закономерности влияния комплексного модификатора на кристаллизационные процессы происходящие при остывании отливки;
-
-
-
-
-
Совокупность экспериментальных результатов комплексного исследования микро- и макроструктуры, физико-механических свойств никелевых сплавов типа ЖС6-У, ЖС6-К, ЖС3-ДК, ЭИ-698, ВЖЛ12-У, ВЖЛ14-У, ЭП-202, ЖС-32, ВКНА-4У после технологического процесса проведения высокотемпературной обработки расплава и модифицирования жидкого металла УДПК при ЭШП и ЭШКЛ;
-
Конструкцию медной водоохлаждаемой гарнисажной плавильной ёмкости с повышенным КПД, обеспечивающей «стерильные» условия переплава расходуемого электрода и накопления жидкого металла в
плавильной емкости при электрошлаковом кокильном литье;
8.Разработанное новое литейное оборудование ЭШКЛ, оснастка и технологический процесс донного слива металла из плавильной ёмкости в предварительно разогретую литейную металлическую форму, установленную в печи нагрева;
Личный вклад автора. Основные научные результаты диссертационной работы базируются на исследованиях, выполненных под руководством или с непосредственным участием автора. В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад автора состоит в постановке задач исследования выработке направлений и методов решения технологических проблем, непосредственном участии в получении экспериментальных данных и обобщении полученных результатов. Освоение и внедрение в производство разработанных технологий осуществлялось при непосредственном участии автора.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований и практических результатов докладывались и обсуждались на 16-ти Международных и Российских научно-технических конференциях: (г.Челябинск, 1992 г., г.Ижевск,1997 г., г. Барнаул, 2000, 2002 г., г. Омск, 1999, 2003, 2004, 2005, 2007, 2008 г.); VII Съезд литейщиков России (г.Новосибирск, 2005 г.); VIII Съезд литейщиков России (г. Ростов на Дону, 2007 г.); IX Съезд литейщиков России (г.Уфа, 2009 г.); 16-я Международная выставка «Металл- Экспо-2010» (Москва, 2010 г.). Награжден серебряной медалью лауреата международной выставки «Металл-Экспо-2010» коллектив ГОУ ВПО «МГВМИ» (Коростелев А.Б., Жеребцов С.Н., Соколов И.П., Чумак-Жунь Д.А. и др.) «За разработку и внедрение промышленной технологии использования комплексных инокуляторов для модифицирования сталей и жаропрочных хромникелевых сплавов с целью достижения качественно нового уровня литых узлов и элементов конструкций».
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 200 печатных работах, из них 80 по перечню ВАК России, основные из которых приведены в автореферате.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 350 наименований, содержит 444 страниц машинописного текста, 200 рисунков, 80 таблиц, приложения.
Автор работы чтит память и выражает большую благодарность своему учителю доктору технических наук, профессору Виктору Петровичу Сабурову, заведующему кафедры «Литейного производства» Омского политехнического института (ОмПИ) г. Омск, оказавшему большое влияние и своевременную помощь в определении направления научных исследований, разработке теоретической базы процессов модифицирования металлов, за помощь в проведении экспериментальных и исследовательских работ, в обработке и осмыслении полученных результатов, которые были использованы в дальнейшем при написании диссертационной работы.
Похожие диссертации на Исследование, разработка и внедрение технологии модифицирования никелевых сплавов ультрадисперсными частицами карбонитрида титана при электрошлаковом переплаве с целью получения изделий с высокими физико-механическими свойствами
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
