Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее важной задачей, стоящей в настоящий момент перед предприятиями металлургического сектора, наряду с уменьшением себестоимости продукции и производством изделий, удовлетворяющих мировым стандартам качества, является освоение новых сегментов рынка. Анализ рынка металлопроката показал, что наиболее перспективным направлением развития предприятий этой отрасли, является усложнение профиле - марочного сортамента выпускаемой продукции и, в частности, увеличение в ней доли сортового проката большого диаметра.
Вместе с тем, переход предприятия на новый вид продукции, как правило, сопровождается увеличением количества брака, что приводит к удорожанию производства и, как следствие, снижению его конкурентоспособности. Это связано с тем, что выбор слитка для получения крупносортового проката производится из ряда отливаемых на предприятии, наиболее подходящих по массе и, в большинстве случаев, не предназначенных для изготовления других типоразмеров данной продукции.
Однако при этом, зачастую, не учитывается тот факт, что с увеличением диаметра сортового проката снижается степень обжатия исходной заготовки - слитка. При достижении некоторого критического значения степени обжатия дефекты, неизбежно присутствующие в теле слитка (как правило, это дефекты усадочного происхождения, сконцентрированные по оси слитка), не устраняются в ходе обработки давлением, наследуются готовым изделием и выявляются в самом конце производственного цикла при сдаточных испытаниях.
Наиболее часто используемые для производства сортового проката слитки имеют прибыльную часть, ориентированную на компенсацию усадочных дефектов в кристаллизующемся слитке. Недостаточное количество исследований по анализу её тепловой работы на этапе проектирования слитка приводит к малоэффективному использованию металла прибыли, что, наряду со значительной величиной её относительного объема (13 – 18%), приводит к низким показателям выхода годного и, как следствие, к увеличению себестоимости продукции.
В связи с этим оптимизация параметров слитков для производства крупносортового проката, обеспечивающая снижение дефектов в готовой продукции, а так же максимально эффективное использование металла прибыли слитка, позволяющее увеличить выход годного с одновременным повышением однородности показателей свойств металлопроката, является актуальным направлением в области повышения качества отечественной металлопродукции и её конкурентоспособности.
Диссертационная работа выполнена в рамках проектов РФФИ № 07-08-00511 «Изучение фундаментальных закономерностей формирования дефектов при кристаллизации сверх крупных металлических тел», Министерства образования РФ «Исследование фундаментальных процессов формирования структуры и свойств сверхкрупных металлоизделий в различных условиях кристаллизации больших масс металла» рег. номер 2.1.2/283 и государственного контракта №02.525.11.5006 «Разработка технологии и комплекса универсального модульного оборудования для переработки металлосодержащих отходов с выделением товарных металлов».
Цель работы: Улучшение качества крупносортового проката за счет снижения количества дефектов, выявляемых ультразвуковым контролем, посредством оптимизации геометрических параметров слитка и технологических факторов.
В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:
— выявлены значимые параметры и получена математическая зависимость, описывающая размер зоны осевой рыхлости исследуемых слитков;
— определены оптимальные параметры слитка для производства крупносортового проката, использование которого обеспечивает отсутствие дефектов УЗК в готовом изделии;
— изучены условия формирования осевой зоны слитков, предназначенных для производства крупносортового проката;
— исследованы качественные показатели металлопроката, изготовленного 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 изменения температуры поверхности изложниц и прибыльных надставок производилось с использованием инфракрасного пирометра Impac Infrared IN15.
Научная новизна:
— В результате комплексного исследования сортового слитка и математического моделирования процесса формирования структурных зон впервые определены его геометрические параметры, позволяющие увеличить долю вертикальной составляющей процесса кристаллизации и обеспечивающие направленность продвижения фронта затвердевающего металла к тепловому центру слитка, что улучшает питание его центральных объемов металлическим расплавом прибыли;
— Установлено влияние геометрии и способа утепления прибыльной надставки на скорость затвердевания металла прибыли, это позволило увеличить её тепловую работу, что, наряду с более эффективной компенсацией усадки затвердевающих объемов стали, обеспечивает снижение физической и химической неоднородности готовой продукции;
— Получена математическая зависимость, позволяющая прогнозировать и управлять развитием дефектных зон в слитке, начиная с этапа его проектирования.
Практическая ценность работы заключается в том, что использование установленных закономерностей и выведенных зависимостей позволило разработать новый слиток, обеспечивающий минимально допустимый уровень развития усадочных пороков в теле слитка, и, как следствие, отсутствие брака по дефектам УЗК на сортовом прокате диаметром до 340мм. При этом оптимизация геометрии прибыльной части слитка, в совокупности с применением теплоизоляционных плит и утепляющей смеси, обеспечила увеличение тепловой работы прибыли на 24,93%, что позволило снизить головную обрезь на 1,73% и увеличить химическую однородность готовой продукции по углероду и фосфору в 1,7 раза, а по сере – в 1,6 раза.
Внедрение на ЗАО ВМЗ «Красный октябрь» (г. Волгоград) теплоизоляционной смеси EXOLUPU 30-J-590/S и плит ПВК в качестве утепления прибыли слитков массой 7,0 т позволило снизить отбраковку сортового проката больших диаметров по дефектам, выявляемым УЗК, что дало экономический эффект 2210 руб/т.
Основные положения, выносимые на защиту:
— результаты моделирования влияния геометрических параметров и технологических факторов на развитие зоны осевой рыхлости в сортовом слитке;
— результаты термометрирования и сравнительный анализ теплового баланса прибыльных надставок слитков, предназначенных для производства сортового проката диаметром до 340мм;
— результаты исследования влияния геометрических параметров и технологических факторов слитка на качество сортового проката диаметром до 340мм.
Апробация работы осуществлялась на 2-х международных конференциях (Самара 2004г., Казань 2006г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2006, 2007 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 3 в центральной печати и 1 патент на полезную модель.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературных источников. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 22 таблицы. Список использованных источников включает 125 наименований.
