Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие энергетического машиностроения ставит задачи по существенному повышению качества крупных слитков и поковок, предназначенных для изделий ответственного назначения атомной, машиностроительной и судостроительной 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 20-240 тонн углеродистых легированных конструкционных сталей.
Весь цикл их изготовления жестко регламентирован и подвержен контролю. Однако возрастающая масса отливаемых слитков повышает вероятность неконтролируемого возникновения дефектов, так как их количество при затвердевании больших объемов металла существенно увеличивается. Одним из таких дефектов, трудно поддающихся управлению и контролю, является химическая неоднородность слитка, выраженная, в частности, в виде внеосевой ликвации. Как известно, эта область представлена "шнурами", содержащими высокую концентрацию углерода, серы, фосфора. Опасность данного дефекта обусловлена тем, что в месте расположения шнура, являющегося концентратором напряжений, в любой момент может произойти разрушение эксплуатируемого изделия с непредсказуемыми последствиями в виде техногенных катастроф.
Отечественные и зарубежные исследователи на протяжении многих лет уделяли много внимания проблеме образования внеосевой ликвации в крупных слитках и поковках. Так в работах Флемингса М.К., Штейнберга СО, Хворинова Н.И., Тору Т., Танигути Н., Шмрги Л., Ефимова В.А., Смирнова Ю.Д., Тагеева В.М., Гуляева Б.Б., Затуловского С.С, Дуба B.C. и многих других рассматриваются возможные механизмы образования этого вида неоднородности и анализируются факторы, оказывающие влияние на ее развитее. Все эти исследования внесли значительный вклад в установление физико-химических закономерностей формирования структуры металла, что позволило осуществить отливку слитков массой в 420 тонн.
Однако изготовление качественных крупных поковок и до настоящего времени остается сложной научной и технической задачей в связи с сильным развитием физической, структурной и химической неоднородности слитков, в том числе и внеосевой ликвации. Расширение объемов производства крупных слитков для изделий от-
ветственного назначения требует более глубокого и детального изучения процесса формирования внеосевой ликвации в различных условиях кристаллизации металла, учитывая опасность и непредсказуемость ее последствий, с целью разработки научно-обоснованных мероприятий по управлению химической неоднородностью получаемых заготовок.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования подтверждается выполнением ее в рамках проекта Министерства промышленности, науки и технологии 6/354-03 «Разработка технологии производства металлургических заготовок повышенной однородности для изделий тяжелого машиностроения» (2003г) по распоряжению № 3.900/41-68 от 26.03.2003. И грантов Министерства образования России 6/422-03 «Разработка металлургической технологии жидко-твердой разливки крупных слитков для ответственных изделий энергетики» (2003-2004гг) по проекту АОЗ-3.17-343; 6-53/165-09 «Исследование фундаментальных процессов формирования структуры и свойств сверхкрупных металлоизделий в различных условиях кристаллизации больших масс металла» (2009-2010гг) по проекту 2.1.2/283.
Цель работы - повышение качества крупных кузнечных слитков для ответственных изделий тяжелого машиностроения на основе исследования и управления параметрами зоны внеосевой неоднородности в различных условиях кристаллизации металла.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
-исследовать особенности структуры и строения зоны внеосевой ликвации в крупных слитках, отлитых в вакууме в обычных условиях и с формированием иноку-ляторов в струе;
-установить возможное влияние инокулирования на параметры зоны внеосевой ликвации, а также на особенности расположения и геометрические характеристики шнуров;
-выявить причины уменьшения ликвационной неоднородности инокулирован-ных слитков и повышения равномерности свойств в полученных из них поковках;
-разработать новый металлографический метод оценки развития внеосевой неоднородности на базе компьютерного анализа серных отпечатков и определения объемного процента сульфидных включений.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применением современных технических средств и методов исследования и подтверждается успешной реализацией защищаемых научных и технологических решений при про-
5 изводстве крупных слитков и поковок. Экспериментальная часть работы выполнена
с применением методов оптической и растровой микроскопии МБС-9, OLIMPUS ВХ21, MUSTEK A3 ЕР, а также разработанных новых оригинальных методик с использованием компьютерных программ по определению объемного процента сульфидных включений.
Научная новизна заключается в выявлении неизвестного ранее влияния ино-кулирования металла при вакуумной разливке стали на расширение области вне-осевой ликвации в крупных слитках и поковках и разработке нового количественного метода оценки загрязненности металла сульфидными включениями.
-Показано, что при инокулировании струи протяженность зоны внеосевой лик-вационной неоднородности возрастает в 1,8 раза, и процесс формирования шнуров начинается на более раннем этапе кристаллизации по сравнению с обычным слитком.
Впервые установлено, что в вакуумном инокулированном слитке происходит разделение шнуров внеосевой ликвации на мелкие составляющие с низкими концентрациями ликвирующих примесей и более равномерным химическим составом по объему поковок.
Показана модель строения шнура, отражающая особенности ликвационных и кристаллизационных процессов, протекающих при затвердевании слитка.
Разработан новый количественный метод оценки развития внеосевой неоднородности на базе компьютерной обработки серных отпечатков и определения объемного процента сульфидных включений.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные на основании проведенных исследований выводы и результаты позволили усовершенствовать технологию жидко-твердой разливки стали в вакууме с формированием ино-куляторов в струе при отливке крупных слитков для изделий ответственного назначения. Данная технология обеспечила снижение ликвационной неоднородности слитков в 1,5-2 раза, за счет чего произошло уменьшение неравномерности свойств по объему поковок в 2-3 раза.
Внедрение на ФГУП ПО «Баррикады» результатов работы обеспечило снижение количества забракованных поковок судовых валов и уменьшение повторных термообработок готовых изделий, что дало экономический эффект 964,160 тыс. рублей в год (доля автора 25%).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 4-х международных конференциях (Волгоград 2002г, Темиртау 2003г, Самара 2005г, Магнитогорск 2007г), на Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (2001-2004гг), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2002-2009 гг).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 4 статьи в центральных рецензируемых журналах.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 153 страницы машинописного текста, 71 рисунок, 20 таблиц, список литературы из 145 наименований.
Похожие диссертации на Исследование внеосевой ликвационной неоднородности в крупных кузнечных слитках и поковках
