Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных концепций формирования качества стального слитка
1.1. Основные изделия машиностроения и слитки, применяемые для них 24
1.2. Влияние геометрических параметров изложницы и технологии утепления прибыли на формирование структуры слитка
1.3. Влияние тепловой работы прибыли на процесс кристаллизации и макроструктуру слитка 1.4. Зависимость ликвации углерода, серы и фосфора от технологии утепления прибыли
Заключение по главе 1
Глава 2. Методика проведения исследований
2.1 Сведения о материале исследований
2.2 Методика проведения исследования процесса разливки и кристаллизации слитка на холодной модели
2.3. Выбор критериев подобия для физического моделирования кристаллизации крупного стального слитка
2.4. Определение масштабов моделирования
Глава 3. Физическое моделирование процесса кристаллизации слитков с различной технологией утепления головной части
3.1. Характеристика условий проведения экспериментов .
3.2 Обсуждение полученных результатов
Заключение по главе 3 61
Глава 4. Математическое моделирование процесса кристаллизации стальных слитков
4.1. Начальные условия для моделирования
4.2. Обсуждение полученных результатов 66
4.3. Расчёт теплового баланса захолаживающей прибыльной надставки
Заключение по главе 4 71
Глава 5. Исследование литого металла слитка стали 38ХН3МФА массой 1,53 т, полученного с использованием прибыли-холодильника
5.1. Распределение микропор по высоте слитка по высоте слитка массой 1,53 т стали 38ХН3МФА, отлитого с захолаживаемой прибылью объёмом 10,8%
5.2. Исследование распределения неметаллических включений по сечению и высоте слитка массой 1,53 т стали 38ХН3МФА
5.3. Прогностическая оценка распределения сульфидов в слитке с захолаживаемой прибылью с пониженным содержанием серы в расплаве
5.4. Исследование макроструктуры литого металла 83
5.5. Сравнение механических свойств поковок, поученных из слитков с утепляющей и захолаживаемой прибылью
Заключение по главе 5 86
Общие выводы
Список литературы
- Влияние геометрических параметров изложницы и технологии утепления прибыли на формирование структуры слитка
- Методика проведения исследования процесса разливки и кристаллизации слитка на холодной модели
- Характеристика условий проведения экспериментов
- Расчёт теплового баланса захолаживающей прибыльной надставки
Введение к работе
Актуальность темы. Классическая технология получения слитков путём разливки стали в изложницы с утепляющей прибыльной надставкой является наиболее распространённой после непрерывной разливки, имеющей свой сортамент и предназначение. Обеспечивая относительно плотную осевую зону утепление прибыли способствует интенсивному развитию ликвационных процессов по высоте слитка, особенно ликвации углерода, серы и фосфора, что отрицательно сказывается на качестве получаемых заготовок и уменьшении выхода годного.
Проблема получения качественных слитков является важной задачей современного машиностроения, над решением которой работали и работают многие российские и зарубежные учёные: В.С. Дуб, С.И. Жульев, Н.И. Хворинов, М. Флемингс, Б. Чалмерс, С.Я. Скобло, В.А. Ефимов, Е.А. Казачков, Н.А. Зюбан, А.Н. Смирнов и другие. Но и на данный момент решение этой задачи осложняется воздействием комплекса различных факторов при протекании физических, физико-химических и кристаллизационных процессов во время разливки, затвердевания и ковки слитков.
Уменьшить структурную и химическую неоднородность можно рядом технических решений — вибрационным воздействием, инокулированием, вращением слитка при затвердевании и др., однако главным условием получения качественного металла остаются правильно выбранные геометрические параметры слитка. Именно в этом случае можно получить более благоприятную макроструктуру, снизить ликвационную неоднородность и дефектность осевой зоны.
Не последнюю роль в этих процессах играет объём и конфигурация прибыли, обеспечивающей сохранение металла в жидком состоянии в осевой области слитка как можно большее время. Однако стремление к поддержанию высоких температур в осевой зоне слитка с целью снижения усадочных дефектов может привести к усилению развития химической неоднородности, в частности по углероду.
Также при производстве полых заготовок из слитков с полноразмерной утепляющей прибылью наблюдается значительный перерасход металла и снижение выхода годного (рис. 1).
Одним из методов, позволяющих совместить эти два взаимоисключающих условия, является отливка слитков с применением захолаживания прибыли, предназначенная для производства полых поковок. Использование этой технологии обусловило повышение выхода годного, перемещение усадочной раковины в осевую область, удаляемую при ковке, уменьшение ликвации углерода, серы, фосфора по высоте слитка1.
Дальнейшее совершенствование и развитие этого метода требует рассмотрения
механизма и кинетики кристаллизационных процессов, протекающих в условиях
ускоренного охлаждения верхней части слитка, распределения неметаллических включений, исследования дендритной структуры и плотности литого металла с целью оценки его качества и надёжности. Это и определило направление настоящей работы, связанной с исследованием кристаллизационных процессов, структуры, формированием и распределением неметаллических включений, исследованием ликвационных процессов в слитках, отлитых с применением прибыли-холодильника.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается выполнением ее в рамках следующих грантов:
1. Грант Президента Российской Федерации 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
1 В.А. Шамрей, С.И. Жульев Новая форма кузнечного слитка для изготовления полых кованых изделий / Металлург №11, 2007 С. 49-54
машиностроения.
а
б
а — усреднённые данные, б — различные типы поковок Рисунок 1 — Баланс металла при ковке слитков для полых поковок
-
ФЦП № 14.В37.21.1065 Создание технологии производства крупных слитков для ответвленных поковок энергетического машиностроения на основе управления параметрами слитка, процессами разливки и кристаллизации стали
-
Грант РФФИ № 12-0831328/12 Исследование закономерностей кристаллизации и формирования критических дефектов при затвердевании сверхкрупных объемов металла в формах различной геометрии
Цель: Исследование влияния процесса затвердевания слитка при захолаживании его верхней части на строение, распределение неметаллических включений, физическую неоднородность и формирование внутренних дефектов с целью повышения свойств полых поковок и выхода годного.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
анализ и оценка роли теплофизических факторов и условий кристаллизации в процессах формирования структуры слитка, его дефектов, физической неоднородности;
экспериментальные исследования на базе физического моделирования особенностей кинетики затвердевания слитков при различных теплофизических условиях кристаллизации;
теоретический расчёт эффективности тепловой работы прибыли слитков, полученных в различных условиях охлаждения;
математическое моделирование процессов формирования структуры и внутренних дефектов слитка с прибылью-холодильником с целью выявления особенностей расположения усадочной области в осевой зоне слитка.
Исследование макроструктуры, внутренних дефектов, распределения неметаллических включений по составу и количеству в слитке стали 38ХН3МФА массой 1,53 т с захоложенной верхней частью с целью оценки качества и надёжности металла, полученного в условиях ускоренной кристаллизации.
Научная новизна.
В работе были получены следующие новые научные результаты: 1. по результатам математического моделирования процесса кристаллизации слитка массой 1,53 т с захоложенной прибыльной частью объёмом 10,6%, была выявлена зависимость глубины проникновения усадочной раковины в тело слитка от величины параметра H/D, с возрастанием которого от 1,4 до 2,5 относительная протяжённость усадочной раковины снижается с 41% до 21%, что позволяет разрабатывать оптимальную технологию ковки слитка.
2. теоретическим расчётом баланса тепловой работы прибыли было установлено
более чем двукратное поглощение тепла расплавленного металла с захолаживаемой
прибылью (77,7%) по сравнению со слитком с утепляющей прибыльной надставкой
(36,67%).
3. металлографическими исследованиями установлено более благоприятное
распределение неметаллических включений в слитке, отлитом с прибылью-
холодильником, по сравнению со слитками с утепляющей прибыльной надставкой:
-
на верхнем горизонте установлено снижение количества оксисульфидов от поверхности слитка к оси и соответствующее повышение содержания сульфидов, количество которых существенно меньше по сравнению с обычными слитками;
-
на среднем горизонте количество сульфидных включений резко возрастает, достигая максимума у оси слитка, что обеспечивает благоприятные условия для их удаления при прошивке слитка;
4. на основании физического моделирования установлено изменение кинетики
кристаллизации слитка, отлитого с захолаживанием головной части, заключающееся в
том, что на начальном этапе процесс вертикальной кристаллизации описывается
пропорциональной зависимостью между высотой затвердевшего слоя и временем
затвердевания. В дальнейшем интенсивность кристаллизации многократно возрастает за
счёт смыкания вертикального и горизонтального фронтов затвердевания, в результате
чего процесс смещается к объёмному типу. Для слитка с утепляющей прибылью
равномерность и стабильность кристаллизации характерна для всего времени затвердевания.
Практическая значимость работы заключается в том, что применение слитка с
захолаживаемой прибылью за счёт интенсификации кристаллизационных процессов и
перераспределения тепловых потоков обеспечивает улучшение структурных
характеристик металла, благоприятное распределение неметаллических включений, с преимущественной концентрацией сульфидов в осевой области, удаляемых при ковке слитка, что даёт возможность регулируемого перемещения усадочной раковины в тело слитка, с соответствующим снижением объёма головной обрези.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечена соблюдением всех методик исследования, а также использованием современного высокоточного оборудования при выполнении экспериментов, включая электронный растровый двулучевой микроскоп FEI Versa 3D LoVac, микроскоп металлографический серии ЕС МЕТАМ РВ.
Апробация результатов исследования. Основные теоретические и практические результаты исследований были представлены на международных и региональных конференциях:Инновации в материаловедении (г. Москва, 1-4 июня 2015 г.) / Ин-т металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН.; XVII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 6-9 нояб. 2012 г.; Актуальные проблемы прочности (Уфа, 4-8 июня 2012 г.) / Ин-т проблем сверхпластичности металлов РАН, Башкирский гос. ун-т.; Актуальные вопросы современной техники и (г. Липецк, 27 окт. 2012 г.) / Липецкое регион. отделение Общерос. обществ. организации «Российский союз молодых учёных»; Современная металлургия начала нового тысячелетия / ФГБОУ ВПО "Липецкий гос. техн. ун-т", ОАО "Новолипецкий металлургический комбинат". - Липецк.; Наука и производство Урала / ФГАОУ ВПО Национальный исслед. технол. ун-т "МИСиС", Новотроицкий филиал. – Новотроицк; Технические науки – от теории к практике : XLIV междунар. науч.-практ. конф. (март 2015 г.) / Сибирская ассоциация консультантов (СибАК). – Новосибирск; Инженерная мысль машиностроения будущего (ИММБ 2012) / Союз машиностр. предприятий России, ФГАОУ ВПО "Урал. федер. ун-т им. первого Президента России Б.Н. Ельцина" – Екатеринбург; Актуальные вопросы науки / V междунар. науч.-практ. конф. (16.04.2012 - Москва.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 19 работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе 7 статьи в изданиях, входящих в список ВАК и 3 статьи в изданиях, входящих в базу цитирования «Skopus».
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, библиографического списка из 102 наименований, выводов и приложения. Включает 106 страниц основного текста, содержит 37 рисунков, 7 таблиц.
Влияние геометрических параметров изложницы и технологии утепления прибыли на формирование структуры слитка
Геометрическими параметрами слитка называются определенные соотношения между его размерами, которые обеспечивают получение слитка заданной конфигурации. Наиболее важными параметрами слитка, определяющими его форму, являются: H/D - отношение высоты тела слитка к среднему приведенному диаметру; конусность; форма поперечного и продольного сечений [2, 10-12, 17, 59, 79, 81, 84, 85, 94].
Слитки соответствующей группы отличаются особенностями процесса кристаллизации и строением структуры, что и обусловливает выбор параметра H/D для изготовления конкретной поковки.
При установлении отношения Н/D руководствуются стремлением расположить усадочные пороки максимально в прибыльной части, а также условиями дальнейшей горячей деформационной обработки слитков [67]. Чем больше значение параметра H/D, тем глубже в слитке расположены усадочные дефекты: получают более глубокое расположение усадочной рыхлости и большее развитие осевой V-образной неоднородность, связанные с усадочными перемещениями жидкого металла. Глубина залегания усадочной раковины также пропорциональна этому отношению [2, 63-65, 67, 82, 90].
Выбор отношения H/D слитка также связывают с индивидуальными свойствами стали и типом процесса её получения [65]. Практикой показано, что у слитков из стали, выплавленной основным мартеновским процессом, усадочная раковина и пористость более сильно развиты, чем у слитков из стали кислого и, в особенности, кремневосстановительного процесса. В связи с этим сталь основного процесса необходимо разливать в слитки с менее высоким отношением H/D, чем сталь кислого процесса [13].
Другим важным параметром конфигурации слитка является относительный (по отношению к массе слитка) объем прибыли [69, 73]. Этот параметр может колебаться от 12 до 28%. Кроме того, существуют малоприбыльные и бесприбыльные слитки, где объем прибыли стремится к минимуму. Последние используются, в основном, для изготовления полых поковок, где дефектная осевая зона удаляется вместе с отходами [2, 16]. Не менее существенным параметром геометрической конфигурации слитка является его конусность [2, 12, 13], определяемая отношением разности линейных размеров между верхним и нижним основаниями к высоте изложницы, этот параметр выражается в процентах. Конусность для слитков, идущих под прокатку, составляет 2,5-3,5 %, а для кузнечных слитков она может возрастать до 20 % и во многом определять характер структуры слитка.
На направленность затвердевания слитка влияет конусность расширяющихся кверху изложниц, чем больше конусность, тем выше направленность затвердевания снизу вверх. Конусность слитка k исчисляют в процентах как отношение разности поперечных размеров оснований к высоте, умноженное на 100: k = — 100%, (1.1) где a, b – поперечные размеры оснований изложницы, H – высота изложницы. Полученную величину конусности относят на обе стороны.
Также конусность изложницы оказывает существенное влияние на степень развития усадочной рыхлости и осевой неоднородности. В то же время повышенная конусность уменьшает перемещения осевых объемов жидкого металла при затвердевании и этим способствует получению более плотной и однородной осевой части слитка. Чем больше конусность слитка, тем короче усадочная раковина и тем меньшее развитие получает осевая неоднородность [2].
Стальной слиток имеет два основных вида дефектов: ликвационные и усадочные [1, 2, 11, 78]. Усадочные дефекты: усадочные рыхлости, осевая пористость, усадочная раковина [60, 61]. Усадочными раковинами называют открытые или закрытые полости в теле слитка, имеющие шероховатую глубокую кристаллическую поверхность со следами дендритов. Усадочная пористость представляет собой мелкие полости, расположенные между дендритами сплава по всему объему слитка или в ее центральных частях. Усадочные раковины в отличие от усадочной пористости имеют сравнительно большие размеры. Открытые усадочные раковины бывают окислены.
Усадочные дефекты литого металла пытаются устранить, как правило, улучшением питания тела слитка жидким металлов прибыли. Для этого снижают H/D слитка до 0,8 - 1,3 и увеличивают конусность его стенок до 16; прибыльная часть достигает 28 % из-за большого диаметра верхней части. Такой слиток имеет плотную осевую зону, но увеличенная масса прибыли и длительное время затвердевания приводят к увеличению ликвационной неоднородности.
Многочисленные исследования показывают, что форма слитка оказывает сильное влияние на расположение усадочных дефектов в слитке. Охлаждение слитков происходит равномерно со всех сторон, кроме верха. В начальный период охлаждения происходит только понижение уровня жидкого металла (объемная усадка), после чего с равномерным нарастанием затвердевающих слоев продолжается “опускание” жидкого металла.
На плотность структуры и усадочные дефекты стального слитка существенно влияет направленность затвердевания. То есть, необходимо организовать теплоотвод таким образом, чтобы объемы металла затвердевали последовательно, от дна к прибыльной части слитка, и при этом были созданы все условия для беспрепятственного питания всех затвердевающих участков слитка. В качестве критерия направленности процесса затвердевания служит соотношение скоростей вертикальной и горизонтальной кристаллизации слитка и, в особенности, продвижения линий изоликвидуса, при смыкании которых доступ питающего металла к нижележащим затвердевающим участкам слитка затруднен, и плотность макроструктуры нарушается.
Первостепенное влияние параметра H/D обусловлено одновременным затвердеванием слитка в горизонтальном и вертикальном направлениях. Осевая зона слитков, затвердевая последней, формируется в результате взаимодействия продвигающихся вглубь слитка вертикального и горизонтального фронтов затвердевания. В удлиненном слитке с отношением H/D, достигающим 4...5, затвердевание осевой зоны на верхних горизонтах происходит посредством смыкания боковых фронтов, продвигающихся от стенок изложницы. Такой слиток наиболее экономичен, так как при объеме прибыли 10...14 %, выход годного достигает 75...78 %, но в связи с большим развитием в этих слитках осевых дефектов их использование ограничивается в основном производством полых поковок. Укороченный слиток, к которому, как правило, относятся кузнечные слитки, имеет отношение H/D в пределах 0,8..1,5 и характеризуется опережающим развитием вертикального затвердевания. Относительный объем прибыли в укороченных слитках колеблется от 15 до 28 %, возрастая с увеличением верхнего диаметра слитка. Нормальные слитки имеют отношение H/D в пределах 1,5...2,5 и являются наиболее распространенными. Уплотнение металла осевых объемов в слитках с малыми значениями отношения H/D неоднократно отмечалось многочисленными исследованиями.
Методика проведения исследования процесса разливки и кристаллизации слитка на холодной модели
Для исследования кристаллизационных процессов, протекающих в стальных слитках, использовалось устройство, схема которого представлена на рисунке 2.5 [22- 24].
Устройство представляет собой плоскую модель изложницы, содержащую металлический каркас с водоохлаждаемыми полостями 1, выполненный разъемным из трех частей, состоящий из донной части 2 и боковых стенок 3, 4, соединенных с ней с помощью шарниров 5, формирующие контур слитка; прибыльную надставку 6, выполненную из материала с высокой теплопроводностью (алюминия); штуцеры для подвода 7 и отвода 8 воды в полости боковых стенок металлического каркаса. С помощью шлангов 9, соединяются водоохлаждаемые полости 1 донной части 2 устройства с водоохлаждаемыми полостями 1 боковых стенок 3, 4. С помощью шлангов 10 вода подводится к штуцерам 11 из прибыльной надставки в водоохлаждаемые полости 1 боковых стенок 3 и 4. Крепеж боковых стенок 3, 4 к донной части 2, между которыми установлен шарнир 5, осуществляют с помощью хомутов 12 и контргаек 13, которые позволяют с помощью шарнира 5 задавать различную конусность тела слитка, как в положительную, так и отрицательную стороны, перемещая боковые стенки 3, 4. Стяжные болты 14 расположенные по периметру металлического каркаса и струбцины 15, расположенные на боковых стенках 3, 4, позволяют плотно прижимать прозрачные органические стекла 16 с обеих сторон устройства. Модель-изложница устанавливается на неподвижную опору 17. Отвод воды из устройства осуществляется через штуцер 18. 19 — внутренняя полость устройства с моделирующим веществом.
Передняя и задняя стенка изложницы выполнена из органического стекла, для наблюдения за продвижением фронта кристаллизации во время охлаждения расплава.
Максимальный объем внутренней полости модели составляет 9 л. Толщина плоской модели составляет 25 мм. Общая высота изложницы равна 500 мм. Ширина изложницы в донной части – 125 мм, в нижней части – 240 мм. Устройство для исследования процесса кристаллизации в модели изложницы слитка с захоложенной головной частью Перед заливкой моделирующего вещества, устройству задаются его геометрические параметры. Dверх, Dниз – диаметр верхнего и нижнего основания тела слитка, После того как заданы геометрические параметры слитка, задаются геометрические параметры прибыльной надставки: угол наклона стенки прибыльной надставки к боковой стенке металлического каркаса и относительный объём.
После того как устройству заданы все параметры моделируемого слитка к нему с помощью штуцеров 7, расположенных в прибыльной надставке, подводится охлаждающая жидкость - вода, которая поступает из штуцеров 8 через шланги 10 и штуцеры 11 в водоохлаждаемые полости 1 боковых стенок 3, 4, после чего через шланги 9 поступает в донную часть, для удаления в слив через штуцер 18.
После этого осуществляют процесс заливки моделирующего вещества, например натрий серноватистокислый (кристаллический гипосульфит) - Na2S2O35H2O, в модель изложницы. Разливку расплава гипосульфита проводят сверху. По окончанию заливки через произвольно заданный исследователем промежуток времени проводят замеры протяженности твердой и твердожидкой фазы закристаллизовавшейся на четырёх различных горизонтах моделируемого слитка. После полного затвердевания моделируемого слитка в модели изложницы её разбирают, извлекают закристаллизовавшейся слиток и проводят замер размеров структурных зон.
Условием проведения физического моделирования является соответствие процессов в реальном металле и модели, которое оценивается идентичностью значений критериев подобия объектов исследования [25].
Критерий подобия является безразмерной величиной, составленной из размерных физических параметров, определяющих рассматриваемое физическое явление. Равенство всех однотипных критериев подобия для двух физических явлений и систем — необходимое и достаточное условие физического подобия этих систем.
В работе сопоставимость механизмов кристаллизации на модели и реальном слитке обеспечивается соблюдением идентичности следующих критериев подобия Bi, N, Fо. Критерий Био (Bi), описывает характер соответствия между температурными условиями в окружающей среде и распределением температуры в теле: Bi= , (2.9) Я где: а - температуропроводность, м2/с; 1о- определяющий размер (высота тела слитка), м.; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК). Кроме этого, для полноты исследования рассматриваемых процессов дополнительно вводили следующие критерии [25]:
Работы [25-27] иллюстрируют возможность применения теории подобия при физическом моделировании процессов кристаллизации с тем, чтобы использовать полученные результаты с пересчетом на реальные объекты.
В практике моделирования возможны упрощения методик исследования [25]. В частности, на физических моделях рассматривать гидродинамические и тепловые процессы затвердевания: движение жидких и твердых фаз в жидком металле в обычных условиях теплоотвода и при различных внешних воздействиях.
Для того чтобы получить достаточно достоверные результаты при физическом моделировании, обязательным условием является предварительное значение тепло физических свойств моделирующих сред, к которым относится:
Число подобия затвердевания N является физическим параметром и соблюдение его идентичности при физическом моделировании невозможно, поэтому пользуются идентичностью комплексных чисел BiN = idem.
При затвердевании в интервале температур и формировании кристаллической структуры для обеспечения подобия на модели необходимо также соблюдение равенство относительных величин, характеризующих тепловые процессы, происходящие в двухфазной зоне, связанные с возникновением и ростом кристаллов.
Характеристика условий проведения экспериментов
Для исследования кристаллизационных процессов, протекающих в стальных слитках, использовалось устройство, схема которого представлена на рисунке 2.5 [22- 24].
Устройство представляет собой плоскую модель изложницы, содержащую металлический каркас с водоохлаждаемыми полостями 1, выполненный разъемным из трех частей, состоящий из донной части 2 и боковых стенок 3, 4, соединенных с ней с помощью шарниров 5, формирующие контур слитка; прибыльную надставку 6, выполненную из материала с высокой теплопроводностью (алюминия); штуцеры для подвода 7 и отвода 8 воды в полости боковых стенок металлического каркаса. С помощью шлангов 9, соединяются водоохлаждаемые полости 1 донной части 2 устройства с водоохлаждаемыми полостями 1 боковых стенок 3, 4. С помощью шлангов 10 вода подводится к штуцерам 11 из прибыльной надставки в водоохлаждаемые полости 1 боковых стенок 3 и 4. Крепеж боковых стенок 3, 4 к донной части 2, между которыми установлен шарнир 5, осуществляют с помощью хомутов 12 и контргаек 13, которые позволяют с помощью шарнира 5 задавать различную конусность тела слитка, как в положительную, так и отрицательную стороны, перемещая боковые стенки 3, 4. Стяжные болты 14 расположенные по периметру металлического каркаса и струбцины 15, расположенные на боковых стенках 3, 4, позволяют плотно прижимать прозрачные органические стекла 16 с обеих сторон устройства. Модель-изложница устанавливается на неподвижную опору 17. Отвод воды из устройства осуществляется через штуцер 18. 19 — внутренняя полость устройства с моделирующим веществом.
Передняя и задняя стенка изложницы выполнена из органического стекла, для наблюдения за продвижением фронта кристаллизации во время охлаждения расплава.
Максимальный объем внутренней полости модели составляет 9 л. Толщина плоской модели составляет 25 мм. Общая высота изложницы равна 500 мм. Ширина изложницы в донной части – 125 мм, в нижней части – 240 мм.
Устройство для исследования процесса кристаллизации в модели изложницы слитка с захоложенной головной частью
Перед заливкой моделирующего вещества, устройству задаются его геометрические параметры. Dверх, Dниз – диаметр верхнего и нижнего основания тела слитка, После того как заданы геометрические параметры слитка, задаются геометрические параметры прибыльной надставки: угол наклона стенки прибыльной надставки к боковой стенке металлического каркаса и относительный объём.
После того как устройству заданы все параметры моделируемого слитка к нему с помощью штуцеров 7, расположенных в прибыльной надставке, подводится охлаждающая жидкость - вода, которая поступает из штуцеров 8 через шланги 10 и штуцеры 11 в водоохлаждаемые полости 1 боковых стенок 3, 4, после чего через шланги 9 поступает в донную часть, для удаления в слив через штуцер 18.
После этого осуществляют процесс заливки моделирующего вещества, например натрий серноватистокислый (кристаллический гипосульфит) - Na2S2O35H2O, в модель изложницы. Разливку расплава гипосульфита проводят сверху. По окончанию заливки через произвольно заданный исследователем промежуток времени проводят замеры протяженности твердой и твердожидкой фазы закристаллизовавшейся на четырёх различных горизонтах моделируемого слитка. После полного затвердевания моделируемого слитка в модели изложницы её разбирают, извлекают закристаллизовавшейся слиток и проводят замер размеров структурных зон. Выбор критериев подобия для физического моделирования кристаллизации крупного стального слитка
Условием проведения физического моделирования является соответствие процессов в реальном металле и модели, которое оценивается идентичностью значений критериев подобия объектов исследования [25].
Критерий подобия является безразмерной величиной, составленной из размерных физических параметров, определяющих рассматриваемое физическое явление. Равенство всех однотипных критериев подобия для двух физических явлений и систем — необходимое и достаточное условие физического подобия этих систем.
Выбор критериев подобия осуществляется на основе метода анализа размерностей. Процесс разливки и кристаллизации модельного слитка можно описать с помощью следующих физических величин: ш; г; g;p; v; о; /; /і/г../n . где: — скорость потока разливки стали, м/с; — время, с; g — ускорение свободного падения; — плотность, кг/м3; v — кинематическая вязкость, м2/с; а — коэффициент поверхностного натяжения жидкости; / основной геометрический размер системы; hJ2J„ — другие линейные размеры; В основной системе единиц СИ (L, М, Т) (м, кг, с - длинна, масса, время) указанные величины выразятся (dim от dimension - размер, измерение) поэтому выбранные величины примут вид: dim со = LT1 ; dim т = Т; dim v = L2T1 ; dim g = LT2 ; dim a = MT2; (2.3) dim p = MT3 ;dim 1= dim /n = L. Доступно несколько способов получения безразмерных комплексов с помощью анализа размерностей, воспользуемся следующим приемом. Выразим размерности величин через размерности со, р, I.
Число подобия затвердевания N является физическим параметром и соблюдение его идентичности при физическом моделировании невозможно, поэтому пользуются идентичностью комплексных чисел BiN = idem.
При затвердевании в интервале температур и формировании кристаллической структуры для обеспечения подобия на модели необходимо также соблюдение равенство относительных величин, характеризующих тепловые процессы, происходящие в двухфазной зоне, связанные с возникновением и ростом кристаллов.
Расчёт теплового баланса захолаживающей прибыльной надставки
Особенности процесса кристаллизации металлов и сплавов на макро и дендритном уровнях обусловливают возможное образование микронесплошностей в различных объёмах металла за счёт активного развития усадочных и ликвационных явлений. Несмотря на дифференцированную скорость кристаллизации слитка (наибольшую в корковой зоне и на половине радиуса слитка, наименьшую - в осевой области) на наличие микропор в слитках, в том числе и крупных, указывается в работе [34] и др. Так как процесс формирования микропор непосредственно связан с теплофизическими условиями затвердевания, то необходимо было оценить влияние захолаживания на распределение микропор по высоте исследуемого слитка.
Исследование распределения микропор по размеру проводилось на трёх горизонтах слитка: нижнем, среднем и верхнем.
Наибольшее количество составили относительно мелкие микропоры диаметром до 4,28 мкм. Средние, диаметром 4,28-8,56 мкм, и крупные (до 12,84 мкм) находились в слитке в существенно меньшем количестве. Динамика распределения микропор по сечению слитка носит неоднозначный характер и представлена на рисунке 5.1 [52].
Распределение пор по размерам и количеству на трёа х горизонтах слитка стали 38ХН3МФА массой 1,53 т с захоложенной головной частью На нижнем горизонте (рис. 5.1, а) количество мелких (до 4,28 мкм) и средних микропор (4,28-8,56 мкм) микропор от края слитка к центру повышается, что обусловлено постепенным снижением температурного градиента от края слитка к оси и развитием, с течением времени, усадочных процессов [35]. На среднем горизонте (рис. 5.1, б) количество мелких (до 4,28 мкм) микропор увеличивается к оси слитка более интенсивно и по абсолютному значению в 2 раза превышает количество мелких пор на нижнем горизонте. Также в этих же пределах возрастает количество средних (4,28-8,56 мкм) микропор. Распределение пор в верхней части слитка (рис. 5.1, в) показывает равномерное распределение мелких (до 4,28 мкм) микропор при незначительном возрастании средних (4,28-8,56 мкм) и крупных (более 8,56 мкм) микропор. В целом количество мелких микропор на верхнем горизонте незначительно превышает их количество на нижнем горизонте, однако по мере снижения температурного градиента в процессе кристаллизации на верхнем горизонте создаются условия для коагуляции мелких микропор в более крупные (4,28-8,56 мкм и крупнее). Поэтому их количество несколько возрастает к оси слитка, в то время как в донной части из-за более интенсивного отвода тепла массивным поддоном число средних и крупных пор хотя и возрастает, но не в таких количествах как на верхнем горизонте. Наиболее поражённой микропорами является осевая, удаляемая при дальнейшей деформационной обработке слитка [91], зона среднего горизонта, что обусловлено расположением в ней теплового центра и интенсивным развитием усадочных процессов. Фотографии некоторых микропор в осевой зоне слитка представлены на рисунке 5.2. Следует отметить их “угловатый” внешний вид и разрозненное расположение, что указывает на кристаллизационный характер их происхождения на фоне протекания усадочных процессов. Рисунок 5.2 — Внешний вид наиболее крупных микропор в осевой зоне на среднем горизонте слитка стали 38ХН3МФА, полученном с использованием прибыли-холодильника при увеличении 300 5.2. Исследование распределения неметаллических включений по сечению и высоте слитка массой 1,53 т стали 38ХН3МФА
Наличие неметаллических включений в слитках и поковках является технологически неизбежным и, в зависимости от количества, вида, расположения и формы они могут оказывать самое негативное влияние на качество и уровень свойств готовых изделий. Наиболее распространёнными включениями в рассматриваемой марки стали являются оксиды, сульфиды и оксисульфиды [37, 55, 56, 80]. Наиболее опасными из них являются сульфиды. Сера в жидкой стали обладает неограниченной растворимостью и очень малой растворимостью в твердом состоянии (рис. 5.3).
Предельная растворимость S в железе при 1365 С составляет 0,05 %, а при 1000 С 0,013 %. Значение растворимости серы в – Fe крайне мало. Вследствие понижения растворимости во время кристаллизации стали и ее охлаждения сера выделяется из раствора в виде включений сульфидов FeS или оксисульфидов FeS – FeO, имеющих температуру плавления 930 – 988 оС. Это обусловливает позднее затвердевание этих сульфидов, расположение их по границам зерна и ослабление прочностных свойств металла (а возможно и разрушение) при дальнейшей деформационной обработке слитка.
К проблеме распределения неметаллических включений в слитке обращались многие исследователи, однако наиболее полно результаты исследований представлены в работе [39] и статьях [40, 93, 96, 100]. В исследовании [39] показано, что сульфиды распределяются в слитке массой 24,2 т стали 38ХН3МФА по его высоте весьма неравномерно. Наименьшее количество сульфидов содержится в донной части слитка, на среднем горизонте количество сульфидов несколько возрастает, увеличиваясь от края слитка к его осевой области. Относительно высоким является содержание сульфидов в головной части слитка, уменьшаясь от периферии к оси слитка.
Радиальное распределение ликватов в кузнечных слитках [40] В работах [40, 54] по экспериментальным данным и данным компьютерного моделирования затвердевания слитков различной массы от 10 до 360 т составлена обобщённая схема распределения ликватов (в том числе и серы) по высоте слитка, рис. 5.4.
Видно, что в подрибыльной части содержится наибольшее количество ликватов, увеличиваясь к оси слитка, на среднем горизонте ликватов несколько меньше, наименьшее их количество находится в донной части слитка. Таким образом, данная схема обобщает закономерности распределения ликватов в обычных слитках с утепляющей прибылью, главной особенностью которого является их возрастание к верхним горизонтам слитка.
Для выявления особенностей распределения сульфидов и других включений в слитке с захолаживаемой прибылью массой 1,53 т стали 38ХН3МФА исследовали их содержание на трёх горизонтах по высоте слитка.
При этом исследовали загрязнённость оксидами, сульфидами и оксисульфидами и оценивался их химический состав. Распределение индекса загрязненности слитка неметаллическими включениями на нижнем, среднем и верхнем горизонтах приведёно на рисунке 5.5 [51, 92, 97], их внешний вид — на рисунке 5.6. Особенностью расположения неметаллических включений в слитке с захоложенной прибылью является пониженное содержание сульфидов в головной части, и их значительное возрастание (в 3 – 4 раза) на среднем горизонте, особенно в области осевой зоны.
Это обусловлено особенностями кристаллизации захолаживаемого слитка, заключающимися в ускоренном затвердевании, как нижней, так и верхней его частей. Это обусловливает формирование теплового центра на среднем горизонте и способствует интенсивному образованию сульфидных включений в этой области, удаляемых при дальнейшей деформационной обработке слитка [91].