Введение к работе
Актуальность темы Производство металлоемких изделий для энергетической, судостроительной, машиностроительной отраслей связано с получением поковок из крупных стальных слитков Проблемой повышения качества слитка занимались и занимаются ряд ученых Гуляев Б Б , Скобло С Я , Казачков Е А , Шмрга Л , Ефимов В А , Дуб В С , Сивков В Л , Жульев С И , Зюбан Н А и др
Наиболее часто используемые при этом кузнечные слитки ориентированы на получение плотной осевой зоны вследствие чего имеют значительную по относительному объему прибыльную часть достигающую 12-18% и отличаются между собой параметрами H/D и конусностью Такое строение слитка сильно ограничивает возможности получения низких величин головной обрези Машиностроительные предприятия, располагающие соответствующим парком литейной оснастки, позволяющей получать слитки развесом от 1 до 100т и выше, производят поковки самой широкой номенклатуры валы роторов, толстостенные трубы, кольца, обечайки, корпусные детали и др При этом до 80% из них являются полыми
При использовании только слитков традиционной формы с утепляющей прибыльной надставкой, обеспечивающей подпитку осевой зоны, не учитываются специфические особенности готовых изделий различной конфигурации Выбор слитка производится из ряда отливаемых на предприятии и определяется массой изделия и средней величиной выхода годного для поковок требуемой конфигурации Повысить эффективность производства полых изделий возможно путем изменения параметров исходного слитка
Наиболее перспективными в смысле обеспечения качественных характеристик металла изделий и достижения низких величин кузнечной обрези являются слитки с захоложенной верхней частью Для их отливки вместо классической утепляющей надставки используется тяжелая чугунная нгдставка-холодильник с относительным объемом порядка 4% Ее предназначение в том, чтобы компенсировать усадку затвердевающего металла до тех пор, пока фронты кристаллизации, движущиеся в горизонтальном направлении от боковых стенок изложницы, не сблизятся на достаточную величину, обеспечив тем самым получение в теле слитка глубокой и узкой усадочной раковины В тоже время у поверхности головной части слитка должен затвердеть слой металла достаточной толщины, чтобы его прочности хватило для надежной фиксации горячей заготовки захватом манипулятора при ковке
Металл осевой части тела слитка, со следами усадочной раковины, удаляется в ходе последующей ковки прошивкой или сверлением заготовки Слитки с захоложенной верхней частью характеризуются повышенной химической однородностью, что обеспечивает большую стабильность величин механических свойств металла готовых изделий по их длине и сечению
В связи с этим актуальна работа по оптимизации параметров слитков с захоложенной верхней частью, обеспечивающих экономию металла при производстве полых поковок наряду с одновременным повышением однородности показателей свойств металла изделий
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, а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований «Изучение фундаментальных закономерностей формирования дефектов при кристаллизации сверхкрупных металлических тел» (2007 г ) № проекта 07-08-0051 от 02 04 2007
Цель работы Увеличение выхода годного при производстве полых поковок и повышение стабильности механических свойств металла по длине и сечению полых машиностроительных изделий
В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи
проведен анализ структурных и ликвационных зон слитков с утепляющими прибыльными надставками и надставками-холодильниками для выбора наиболее эффективной литой заготовки для ковки полых изделий,
выявлены значимые параметры и получена математическая зависимость, описывающая размеры усадочной раковины в слитках с захоложенной верхней частью,
определены предельные относительные величины диаметра усадочной раковины и параметры ковки, обеспечивающие гарантированное удаление в отходы дефектного металла и возможность использования плотного металла верха тела слитка в поковку,
исследованы качественные показатели металла полых изделий изготовленных из традиционных и предлагаемых слитков и проведен их сравнительный анализ
Методы исследования Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов оптической микроскопии и использованием новых оригинальных методик и компьютерных систем - определения параметров дендритной структуры металла, моделирования процесса кристаллизации слитка Исследование химической неоднородности производилось на фотоэлектрической установке ARL 3460 Metals Analyzer Исследование механических свойств проводили на образцах отобранных в теле полых поковок, изготовленных из слитков отлитых в изложницы с утепляющими надставками и холодильниками Производилась оценка равномерности распределения механических свойств по концам поковок
Научная новизна
Установлены закономерности влияния геометрических размеров и формы слитка на условия кристаллизации, формирование усадочных дефектов и протекание ликвационных процессов,
Развиты научные представления в области разработки новых форм кузнечных слитков для полых поковок, обеспечивающих экономию металла и повышение однородности показателей механических свойств металла изделий,
Установлены закономерности и выведены новые зависимости с помощью компьютерного моделирования процессов затвердевания слитков, определяющие степень развития физической неоднородности, что позволило локализовать усадочную раковину в узкой осевой зоне,
Определены предельные относительные величины диаметра усадочной раковины, обеспечивающие гарантированное удаление дефектного металла при ковке полых изделий ответственного назначения из конструкционных марок сталей типа 38ХНЗМФА в отходы,
— Выявлены особенности тепловых процессов в головных частях слитков традиционной и новой формы, которые обуславливают в слитке с захоложенной верхней частью смещение области максимального скопления ликвирующих примесей (С, S, Р) в осевую зону, а также изменения условий кристаллизации, проявляющиеся в уменьшении размеров конуса осаждения
Практическая ценность Предложен, исследован и опробован в производстве новый специализированный для производства полых поковок слиток с захоложенной верхней частью Его форма позволяет локализовать усадочную раковину в узкой осевой зоне и снизить головную кузнечную обрезь на 7,5% При этом снижается ликвационная неоднородность в слитке, что повысило в 1,5-4,5 раза уровень стабильности механических свойств по длине полых кованых изделий
Внедрение на ФГУП ПО «Баррикады» (г Волгоград) слитков с захоложенной верхней частью позволило снизить отбраковку заготовок полых поковок по дефектам поверхности осевого канала, уменьшить количество термических переработок готовых изделий за счет повышения их химической однородности и повысить выход годного металла в поковку, что дало экономический эффект 1686,2 тыс рублей
5 Основные положения, выносимые на защиту
результаты исследования и сравнительный анализ кристаллического строения и ликвационнои неоднородности слитков, отлитых в изложницы с утепляющими прибыльными надставками и надставками холодильниками,
результаты моделирования влияния геометрических и технологических параметров слитков на размеры усадочных дефектов и структурную неоднородность литых заготовок,
результаты исследования влияния геометрии слитка на механические свойства металла готовых поковок
Апробация работы осуществлялась на 3-х международных конференциях (Самара 2004, 2005г, Магнитогорск 2005г), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2003-2006 rr )
Публикации По материалам диссертации опубликованы 23 печатные работы Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложений Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 27 таблиц Список использованных источников включает 124 наименования
