Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Проблемы выбора оптимального слитка для поковок 7
1.1 Производство крупных поковок 7
1.2. Основные типы кузнечных слитков 12
1.2.1 Традиционные слитки 12
1.2.2 Удлиненные сдвоенные слитки 16
1.2.3. Оптимизация выбора слитка 20
1.3 Существующие в настоящее время модели кристаллизации слитка 28
1.4 Заключение 30
ГЛАВА 2 Методика исследования структуры и моделирования слитков и поковок 31
2.1 Сведения о материале исследований 31
2.2 Методика исследования структурной неоднородности 39
2.3 Разработка математической модели кристаллизации слитка 40
2.4 Методика работы с комплексом Crystal 42
2.5 Методика исследования механических свойств поковок... 46
ГЛАВА 3 Исследование прибыльного сдвоенного ступенчаого слитка с меньшей нижней частью массой 4,07 Т 49
3.1. Основные структурные зоны ступенчатых слитков 49
3.2 Зона столбчатых кристаллов 53
3.3 Осевая зона слитка 54
3.4 Химическая неоднородность 59
3.5 Неметаллические включения 63
3.6 Заключение 68
ГЛАВА 4 Исследование удлиненного сдвоенного прибыльного слитка 70
4.1. Отливка и исследование слитка 70
4.2. Строение слитка 73
4.3. Сравнение параметров трех слитков различной геометрии 80
4.5 Заключение 84
ГЛАВА 5 Моделирование кристаллизации слитков с различными геометрическими и технологическими параметрами 86
5.1 Начальные условия для моделирования. Их влияние на процесс кристаллизации и образование дефектов в слитке 86
5.2 Описание объектов исследования 87
5.3 Слитки с разной температурой разливки 88
5.4 Слитки из разных марок сталей 91
5.5 Слитки с различным объемом прибыли 95
5.6 Слитки разного развеса 97
5.7 Один и тот же слиток в разные моменты времени 100
5.8 Заключение 104
6 Исследование заготовок из сдвоенных прибыльных ступенчатых слитков с меньшей нижней частью 106
6.1. Исследование залечивания усадочной раковины в сдвоенных ступенчатых слитках в процессе ковки 106
6.2. Исследование, свойств металла ступенчатых поковок 114
6.3. Исследование полых поковок из ступенчатых слитков с меньшей нижней частью 121
6.4 Заключение 133
Общие выводы 136
Список использованной литературы 138
Приложение 146
- Существующие в настоящее время модели кристаллизации слитка
- Разработка математической модели кристаллизации слитка
- Сравнение параметров трех слитков различной геометрии
- Исследование полых поковок из ступенчатых слитков с меньшей нижней частью
Введение к работе
Производство металлоемких изделий для энергетической, судостроительной, машиностроительной отраслей связано с получением поковок из крупных стальных слитков. Наиболее часто используемые при этом кузнечные слитки имеет значительную по относительному объему прибыльную часть и отличаются между собой отношением высоты тела к среднему диаметру и конусностью граней. Машиностроительные предприятия, имеющие соответствующий парк литейной оснастки, позволяющей получать слитки развесом от 1 до 200т и выше, производят поковки самой широкой номенклатуры: ступенчатые валы и валы с буртами, толстостенные трубы, обечайки кольца, плиты, валы, ротора.
Однако при использовании только обычных прибыльных слитков не учитываются специфические особенности поковок. Параметры литой заготовки обеспечивают получение плотной осевой зоны в теле и мало связаны с параметрами поковки. Выбор слитка для получения конкретного изделия производится из ряда отливаемых на предприятии слитков с учетом только массы необходимой и достаточной для его производства. Повысить эффективность производства возможно путем оптимизации параметров слитка применительно к конкретной поковке, с учетом не только ее массы, но и формы. Внедрение в производство слитков различной формы, с одной стороны - снижает отходы и трудоемкость за счет приближения формы слитка к форме поковки, с другой стороны - осложняет выбор слитка для поковки, поскольку при этом необходимо учитывать большее количество параметров,
Целью работы являлось увеличение выхода годного при ковке полых поковок большой массы и достижения более высокой стабильности механических характеристик по длине и сечению крупногабаритных тяжелых изделий.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
— разработать параметры удлиненных ступенчатых сдвоенных прибыльных кузнечных слитков и рассчитать композиции литейных форм для их отливки;
— исследовать строение реального удлиненного сдвоенного ступенчатого слитка и его усадочные дефекты;
— математическим моделированием выявить параметры усадочных дефектов и напряженное состояние металла при затвердевании слитков;
—исследовать строение опытного слитка новой геометрии и качественные параметры металла ступенчатых поковок переменного сечения откованных из него.
Практическая ценность. Предложен, исследован и опробован в производстве новый кузнечный слиток для полых длинномерных изделий переменного сечения, позволяющий минимизировать кузнечные отходы, трудоемкость ковки и повысить качество металла кованных изделий, стабилизировав показатели механических свойств металла за счет усреднения величин укова по длине;
Внедрение удлиненных ступенчатых кузнечных слитков на ФГУП ПО «Баррикады» (г. Волгоград) дало экономический эффект 808,4 тыс. руб. за счет снижения кузнечной обвези на 8% и трудоемкости ковки на 30%.
Научная новизна:
1. выявлены параметры усадочных дефектов, распределение ликвирующих элементов и кристаллическое строение ступенчатого сдвоенного удлиненного прибыльного слитка;
2. математическим моделированием широкой гаммы слитков от 4 до 233 т определены закономерности развития усадочных раковин и структурных зон при разных температурах разливки, объемах прибыли, в слитке новой геометрии;
3. установлено соотношение объемов верхней и нижней частей ступенчатого слитка обеспечивающее отсутствие усадочных дефектов в его нижней части.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 2 международных конференциях (Волгоград, 2002 г., Самара 2005.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2002-г2005 гг.).
Существующие в настоящее время модели кристаллизации слитка
Малоприбыльные слитки получают в обычных изложницах посредством неполного заполнения прибыльной надставки жидким металлом. Объем металла в прибыли равен 6...12% [11]. С уменьшением высоты прибыли глубина усадочной раковины увеличивается, и она проникает в тело слитка [18], Предназначаются данные слитки для заготовок полых изделий, получаемых методом осадки прошивки и последующей вытяжки под прессом. Усадочная раковина, проникающая в тело слитка, удаляется в "выдру" при прошивке заготовки. Применение малоприбыльных слитков позволяет сократить удельный расход металла. Использование малоприбыльных слитков большой массы осложняется тем, что при сокращений объема прибыльной части их извлечение из изложниц затруднено, из-за невозможности использования для отправки специальных приспособлений, применяемых с целью захвата за прибыльную часть, слитки извлекаются методом вытряхивания, обычно используемым при работе со слитками небольшой массы. При этом происходит преждевременное разрушение изложниц из-за сколов на внутренней части верхнего торца. Бесприбыльные слитки, как и слитки с уменьшенной прибылью применяются для изготовления полых изделий. Различают слитки с прямой с (расширяющейся книзу) и обратной конусностью. Особенностью строения бесприбыльных слитков является наличие глубоко проникающей в тело усадочной раковины, верхняя часть которой у слитков с обратной конусностью имеет недопустимо большую ширину [11]. Кроме того, околоусадочная зона поражена ликватами и неметаллическими включениями[19]. При установке изложницы расширением книзу (слитки с прямой конусностью) усадочная раковина в верхней части сужается за счет усиленного теплоотвода к более массивным стенкам изложницы. Сужение усадочной раковины в слитках с обратной конусностью достигают обеспечением продолжительного интенсивного последовательного затвердевания в верхней части за счет установки на верхний торец изложницы массивного чугунного холодильника [11, 20, 21, 22]. Применение холодильника позволяет уменьшить диаметр усадочной раковины в теле-слитка до 40 % от диаметра слитка. При использовании слитков, отливаемых в изложницу с холодильником в верхней части, абсолютная разность между максимальным и минимальным содержанием углерода при массе слитков 1,5...3,0 т снизилась на 0,03...0,05 [21, 22], что объясняется меньшей продолжительностью затвердевания. Одной из основных характеристик слитка является величина отношения высоты к приведенному, диаметру, определяющая развитие химической и физической неоднородности. Так при увеличении отношения H/D ухудшаются условия питания осевой зоны, что приводит к образованию повышенной физической неоднородности [12, 23, 24]. С уменьшением отношения высоты слитка к приведенному диаметру, при неизменной массе, увеличивается диаметр и появляются "шнуры" внеосевой ликвации. Меры направленные на борьбу с j осевой физической неоднородностью, противоположна друг другу, поэтому получение физически и химически однородных слитков в изложнице, является сложной проблемой. Выбор оптимальной геометрии слитка должен определяться требованиями, предъявляемыми к изготавливаемому изделию. По отношению H/D различают три типа слитков [11]:
В работах [11,25,26] отношение H/D определяется соотношением скоростей горизонтального и вертикального затвердевания. При одновременном достижении фронтом затвердевания середины верха слитка в обоих направлениях высота слитка является критической. Слитки, имеющие отношение H/D меньше критического, относятся к укороченному типу и характеризуются завершением процесса затвердевания в вертикальном направлении. В удлиненных слитках, с отношением H/D больше критического, затвердевание завершается в горизонтальном направлении.
Слитки с отношением H/D=l,5 и менее имеют плотную осевую зону и используются для сплошных поковок. Однако, увеличение диаметра таких слитков приводит к расширению зоны внеосевой ликвадии [23,27,28], что отрицательно сказывается на уровне и стабильности механических свойств готовых изделий.
Наиболее широкое распространение получили слитки нормальной конфигурации, имеющие отношение H/D около 2, поскольку они применяются, для различных типов изделий. При удовлетворительном качестве осевой зоны слитки нормальной конфигурации имеют меньшую внеосевую ликвацию [29] число «шнуров» внеосевой ликвации выявленных на поперечном темплете, отобранном на верхнем горизонте в слитке с H/D=2 в 1,5 раза меньше, чем в слитке с отношением H/D =1,5 [30].
Исследования [28] показали, что качество поковок, изготовленных из слитков массой 71,5т (H/D = 1,95) выше, чем из слитка массой 70 т (H/D=l,4). Так, брак из слитков 70т из-за зоны внеосевой ликвации составил 8 %, а из слитков 71,5-2,2%.
При постоянной массе слитка увеличение H/D приводит к уменьшению его диаметра и ослаблению химической неоднородности [31,32,33]. В тоже время, отношение H/D влияет на направленность затвердевания от боковых поверхностей изложницы и интенсивность теплоотвода. При большом отношении H/D преобладает горизонтальное затвердевание и наблюдается развитая осевая рыхлость, распространяющаяся почти по всей высоте слитка [27, 33, 34]. При увеличении H/D более 3, ускоренное затвердевание вдоль оси слитка приводит к образованию осевой рыхлости или вторичной усадочной раковины [12, 34].
По данным Л М. Ефимова [35], для получения плотной осевой зоны увеличение отношения H/D в п раз требует увеличения конусности слитка в л/праз. Однако при большой конусности и высоте слитка разность между верхним и нижним диаметром будет значительной, что создаст дополнительные трудности при дальнейших его переделах, и увеличивает объем прибыли, следовательно и потери с головной обрезью..
Разработка математической модели кристаллизации слитка
Для разработки модели кристаллизации слитка, учитывающей как его усадочные дефекты, так и напряженное состояние были привлечены специалисты с кафедры «Сопротивление материалов» ВолгГТУ д.т.н., профессор Багмутов В.П. и к.т.н., доцент Захаров И.Н., которые разработали модель, осуществляющую построение структурных зон слитка, а также зон, характеризующих его напряженное состояние.
Совместно с ними был разработан программный комплекс Crystal, который моделирует процесс кристаллизации и производит анализ НС слитка, используя математические методы [55]. Комплекс Crystal дополняет и развивает созданную ранее программу Krisli.
В создании универсальной компьютерной программы «МГП» принимали участие аспиранты кафедры «Технология материалов» Волгоградского государственного технического университета Титов К.Е., Руцкий Д.В., Федоров Д.Н., Живов М.Е., Бузииов Е.И. Расчеты в Crystal ведутся методом конечных разностей. Решается термодинамическая задача. 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 (рисунок 2.6), 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. Нами брались размеры ячеек сетки примерно 10x10 мм. Для небольших слитков сетка бралась еще более мелкой.
В качестве исходных данных задается: - 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 солидус, 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; - количество узлов сетки по вертикали и горизонтали; Конкретные численные значения взяты из работ В.А. Ефимова, Скобло С.Я., Шмрги Л., Жульева СИ., Титова К.Е. и др. [11, 23, 56, 57, 58, 15]. Опираясь на эти исследования, а также на систему описанных ранее моделей, программа Crystal осуществляет построение многоцветных плоских графиков (полей): температурного поля, поля градиентов температур, поле распределения напряжений (осевых, окружных, радиальных, касательных), плотностей и давлений, распределение параметров цст и \/, а также рассчитывает кристаллические зоны слитка. Все эти поля могут быть построены для любого момента времени, начиная от начала кристаллизации. На рисунке 2.7, а разными цветами обозначаются зоны слитка. Ярко красным - корковая зона, красным - столбчатые дендриты, желтым - зона различноориентированных дендритов, зеленым - конус осаждения, светло-зеленым - крупные различно ориентированные дендриты, серым - усадочная раковина. Как видно из рисунка, изображения во всех остальных ячейках имеют различные переходы цветов, свидетельствующие об изменении значения определяемой величины по поверхности продольного сечения слитка.
Сравнение параметров трех слитков различной геометрии
В удлиненных слитках, отливаемых в составную из двух полуформ изложницу, опережающее затвердевание металла в подприбыльном горизонте объясняется наличием интенсивного теплоотвода через нижнюю полку прибыльной надставки и утолщенную стенку изложницы.
В слитке с массивной верхней частью образование "моста" не произошло в следствии того, что металл из прибыли "ушел" для компенсации усадки тела слитка быстрее, чем успели сомкнуться фронты затвердевания в верхней более широкой части слитка.
Дефектами в удлиненных сдвоенных слитках являются: усадочная раковина (открытая или закрытая), V-образные трещины, продольные осевые трещины. V-образные трещины расположены между конусом осаждения и усадочной раковиной, кроме того, нижнюю часть вторичной усадочной раковины обрамляют трещины, имеющие V-образную форму.
В литературных источниках существуют разноречивые сведения о механизме формирования V-образных трещин. А. А Бочвар [68] установил, что образование трещин происходит в эффективном интервале кристаллизации. За верхнюю границу этого интервала принимается температура образования кристаллического каркаса, нижней границей является температура реального солидуса. Сторонники последовательной кристаллизации объясняют неплотности структуры осевой зоны результатом недостаточной пропитки разобщенных "мостами" участков. Образование "мостов", по их мнению, происходит в результате смыкания отдельных участков твердо-жидких зон противоположных боковых фронтов в затвердевающем слитке [12, 69].
Сторонники объемной кристаллизации также не исключают возможности образования перемычек в затвердевающей осевой области. По их мнению такие перемычки могут образовываться вследствие застревания сгустков кристаллов, оседающих в узком осевом канале слитка. Разобщение осевой зоны на отдельные участки является причиной образования рыхлости и пористости, а также ослабления границ кристаллов. Авторы работы [70, 71, 72] считают, что определяющим параметром при образовании дефектов усадочного происхождения является соотношение вертикального затвердевания и предельной скорости пропитки твердо-жидкого осевого участка если скорость вертикального затвердевания меньше предельной скорости пропитки твердо-жидкой зоны, то осевая зона слитка, получается плотной и наоборот.
Дефекты усадочного характера возникают в области ускоренного затвердевания, то есть в области смыкания фронтов затвердевания от боковых стенок изложницы. Однако, на характер дефектов оказывает влияние не только абсолютная величина скорости, но и направленность вертикального затвердевания [44]. Для исследуемых слитков в нижних объемах характерна нормальная (снизу вверх) направленность, а в верхних объемах - обратная, от низа прибыльной надставки к середине слитка.
Участкам осевой зоны с V-образной формой дефектов соответствуют участки слитка с нормальной направленностью затвердевания, где нижележащие объемы затвердевают раньше, чем вышележащие. При этом степень развития V-образных трещин зависит от скорости вертикального затвердевания. С увеличением скорости затвердевания размер трещин и объем усадочных дефектов увеличивается. Максимальная скорость вертикального затвердевания и ширина V-образных трещин наблюдается в местах изменения направленности затвердевания, то есть в средних объемах сдвоенного слитка.
Формирование усадочной раковины в теле слитка происходило в момент, когда металл в осевой зоне находился в двухфазном состоянии. Как было показано выше, ширина зоны двухфазного состояния зависит от соотношения кривизны кривой охлаждении слитка и величины интервала кристаллизации [23]. Максимальная протяженность двухфазной зоны будет в момент смыкании изотерм ликвидуса в центре слитка.
В зависимости от количества выделившейся твердой фазы по сечению твердо-жидкой зоны в ней различают три участка [71, 73, 107], расположенных последовательно от температуры ликвидус до температуры солидус. Первый участок у изотермы ликвидус представляет собой область макроскопических перемещений расплава. В нем взвешенные кристаллы свободно перемещаются и подпитка образующихся усадочных полостей осуществляется без затруднений. Следующий участок - область локальных перемещений расплава, в которой жидкая фаза может перемещаться между дендритами на расстояния, соизмеримые с их размерами. Питание усадки в этой области осуществляется фильтрацией. Эти две области разделены границей выливаемости. и, наконец, последний участок, примыкающий к изотерме солидус - область микроскопических перемещений расплава в которой ветви дендритов разделяет расплав на обособленные объемы, следствием чего является образование микропористости при затвердевании и усадке этих разобщенных микрообъемов. Граница между вторым и третьим участком названа границей питания.
Долю выделившейся твердой фазы, соответствующей границе выливаемости для стали принимают 0,3, а границе питания - 0,8 [74]. Таким образом длина участка питания зависит от закона выделения твердой фазы в пределах твердо-жидкой области.
Исследование полых поковок из ступенчатых слитков с меньшей нижней частью
Особое внимание следует уделить осевой зоне, которая кроме значительной величины в размерах имеет отличительные от нормального слитка типы дефектов и последовательность их расположения по высоте.
В осевой зоне удлиненного сдвоенного прибыльного слитка можно выделить три типа дефектов 1) V-образные трещины 2) продольные трещины 3)вторичная усадочная раковина. Открытая усадочная раковина полностью локализована в прибыльной части слитка и имеет копьеобразную форму. Глубина раковины составляет 300 мм при высоте прибыли 380 мм. Полость открытой усадочной раковины свободна от затвердевшего в виде сот металла характерного для усадочных раковин в нормальных прибыльных слитках.
Под открытой усадочной раковиной расположен мост плотного металла протяженностью 455 мм. Видимые на макроструктуре V-образные дефекты непосредственно под усадочной раковиной в зоне моста являются следствием растравов межкристаллитных прослоек заполненных маточным расплавом. Протяженность этого участка составляет 130 мм при диаметре 35 мм. Ниже этого плотного участка расположен участок V-образных трещин небольшой протяженности (50 мм) и диаметром 65 мм Ширина трещин достигает 0,5 мм.
Ниже V-образных трещин подприбыльного моста расположены продольные трещины с раскрытием 0,2 мм. Трещины прерывистые протяженностью 13...40 мм и расположены в зоне диаметром 45 мм.
Наличие V-образных трещин и отдельных продольных, небольшой протяженности, в зоне подприбыльного моста не может стать причиной проникновения газов в закрытую усадочную раковину. Поэтому зону моста можно считать плотной способной надежно изолировать усадочные дефекты в теле слитка от окисления в процессе его последующих переделов [86].
На расстоянии 455 мм от открытой (первичной) усадочной раковины располагается вторичная усадочная раковина отделенная от открытой мостом плотного металла. Протяженность закрытой усадочной раковины составляет 575 мм (29,3 % от высоты тела слитка). Максимальный диаметр усадочная раковина имеет в среднем по высоте сечении 30 мм (6,1 % от среднего диаметра слитка). К концам усадочная раковина сужается. В верхней части вторичная усадочная раковина сужается более плавно переходя в щель. Стенки раковины имеют отчетливо выраженную дендритную структуру. Но строение металла вдоль усадочной раковины изменяется. В верхней половине стенки усадочной раковины плотные без трещин и пор. В нижней половине вдоль полости расположены V-образные трещины шириной до 1 мм.
Под усадочной раковиной на протяжении 120 мм расположены усадочные полости V-образной формы разобщенные мостами металла. Ширина полостей достигает 10 мм. С удалением от усадочной раковины вниз полости переходят в V-образные трещины. Ширина трещин уменьшается с 0,5 мм вверху до 0,2 мм ближе к нижней части слитка. Протяженность этой зоны 255 мм. Ниже осевая зона слитка плотная.
Общая протяженность усадочных дефектов в теле слитка 1275 мм, что составляет 65 % от его высоты. Значительное развитие усадочных дефектов в удлиненном сдвоенном слитке не позволит их заварить в процессе ковки при принятых на предприятии величинах обжатия и степени укова, поэтому использовать данный слиток для сплошных поковок нельзя. Однако малый диаметр дефектной зоны гарантирует ее полное удаление при изготовлении полых изделий. Но и осевую зону нормального прибыльного слитка (с отношением H/D около 2 и более), имеющую V-образные трещины нельзя считать достаточно плотной. Поэтому при изготовлении особоответственных изделий (роторов турбогенераторов) она удаляется высверловкой . Изучение слитка показало, что удлиненный сдвоенный прибыльный слиток в основном по сечению имеет плотное строение. Все дефекты сосредоточены в узкой осевой зоне. Вторичная усадочная раковина изолирована от открытой мостом металла высотой 455 мм. В удлиненном сдвоенном слитке массой 2,99 т отсутствуют «шнуры» внеосевой ликвации. Для сравнения брались три различных слитка: — сдвоенный прибыльный ступенчатый слиток с меньшей нижней частью массой 4,07 сталь 25; — сдвоенный прибыльный слиток постоянного сечения массой 2,9 сталь 38ХНЗМФА; — обычный прибыльный слиток отлитый по традиционной технологии 4,5т сталь 30; Результаты исследований макроструктурной, физической и химической неоднородностей обычного прибыльного, сдвоенного и ступенчатого слитков представлены на рисунке 4.5 и в таблице 4.4. Наблюдается существенное различие в параметрах основных структурных зон обычного и сдвоенных слитков. Конус осаждения в обычном слитке заметно больше, чем в сдвоенных и составляет 43% от общей высоты слитка тогда как в сдвоенном 16% и 8% в ступенчатом.
Похожие диссертации на Исследование удлиненных ступенчатых прибыльных слитков для полых поковок
