Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное представление об управлении процессами затвер девания литых заготовок
1.1. Кристаллизация стали 11
1.2. Физико-химическая неоднородность литого металла 19
1.2.1. Дефекты усадочного характера 20
1.2.2. Внеосевая химическая неоднородность 25
1.3. Методы борьбы с дефектами в литом металле 28
1.3.1. Методы управления химической неоднородностью в литых заготовках 35
1.4. Выводы и постановка задачи исследования 39
Глава 2. Анализ процесса затвердевания литых заготовок (слитков) при различных условиях тепловой работы прибыли 41
2.1. Расчет продвижения фронта затвердевания в стальном слитке круглого сечения методом интегрального теплового баланса при граничных условиях первого рода 41
2.1.1. Результаты расчета затвердевания 8-тонного стального слитка при различной тепловой работе прибыли 56
2.2. Физическое моделирование затвердевания литых заготовок... 63
2.2.1. Моделирование 8-тонного слитка в обычной и экранируемой изложнице 63
2.2.2. Моделирование 50-тонного стального слитка в обычной и экранируемой изложнице 77
2.3. Выводы 89
Глава 3. Создание условий направленного затвердевания в стальных ли тых заготовках 91
3.1. Разработка конструкции экранов-отражателей для создания условий направленного затвердевания 91
3.2. Тепловая работа обычной и экранируемой изложницы 95
3.3. Теплотехнические расчеты в обычной и экранируемой 8-тонной изложнице 121
3.4. Исследование продвижения фронта затвердевания в вертикальном направлении 8-тонного стального кузнечного слитка в обычной и экранируемой изложнице 133
3.5. Разработка не футерованной экранируемой прибыльной надставки для отливки стальных литых заготовок при производстве локомотивных осей 137
3.6. Выводы 142
Глава 4. Исследование качествалитого металла отливок и слитков 144
4.1. Методика проведения эксперимента 144
4.1.1. Серные отпечатки продольных темплетов прибылей 8-тонных слитков, отлитых в обычной и экранируемой изложницах 145
4.1.2. Серные отпечатки продольных темплетов 8-тонных стальных кузнечных слитков, отлитых в обычной и экранируемой из ложнице 147
4.2. Анализ дефектов усадочного характера в 8-тонном стальном слитке 153
4.3. Контроль качества литого металла в подприбыльном сечении 8-тонного стального слитка радиоактивными изотопами 155
4.4. Повышение качества отливок из черных и цветных сплавов... 157
4.4.1. Получение высококачественных отливок ответственного назначения в песчано-глинистых формах с применением электрошлаковой подпитки прибыли 157
4.4.2. Саморегулирующиеся литниковые системы для отливок из сплавов на алюминиевой и бронзовой основе в песчано-глинистых формах 162
4.5. Выводы 169
Глава 5. Исследование качества деформированного металла 171
5.1. Исследование качества поковок, полученных из 8-тонного стального слитка
5.1.1. Контроль качества деформируемого металла с коэффициентом укова, равным 2, из подприбыльной части 8-тонного
стального слитка 171
5.1.2. Исследование механических свойств деформируемого металла с уковом, равным 2, из слитков, отлитых в обычной и экранируемой изложницах 175
5.1.3. Контроль качества поковок с уковом от 6,8 до 15,2,
из 8-тонных кузнечных стальных слитков, отлитых в обычной и экранируемой изложницах 178
5.2. Исследование качества кованных и термообработанных заготовок локомотивных осей из слитков 2,7 и 2,9 тонны 183
5.2.1. Контроль качества поковок локомотивных осей неразрушающими методами контроля 184
5.2.2. Исследование качества кованных заготовок локомотивных осей по макро- и микроструктуре металла 187
4т
5.2.3. Механические свойства поковок локомотивных осей 192
5.3. Выводы 195
Глава 6. Технико-экономические результаты от внедрения и промышленного применения работ по уменьшению дефектов в литом и деформируемом металле и увеличению выхода.годного металла 197
6.1. Внедрение технологии разливки слитков в экранируемые изложницы на заводе «Красное Сормово» и ПО «Ново-Краматорский машиностроительный завод» им. В.И. Ленина 198
6.2. Внедрение технологии производства черновых локомотивных осей на ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» 202
6.3. Промышленное опробование технологии при производстве отливок из алюминиевых сплавов в песчано-гл инистых формах на ЗАО ННПЦСТ «Берег-Волна» 207
6.4. Промышленное опробование технологии при отливке лопасти судового гребного винта из легированной стали методом ЭШПП в 210
песчано-глинистой форме на ОАО ННИИММ «Прометей»
6.5. Выводы 212
Общие выводы 214
Литература
- Физико-химическая неоднородность литого металла
- Физическое моделирование затвердевания литых заготовок...
- Теплотехнические расчеты в обычной и экранируемой 8-тонной изложнице
- Серные отпечатки продольных темплетов прибылей 8-тонных слитков, отлитых в обычной и экранируемой изложницах
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современного машиностроения
выдвигает перед литейным и металлургическим производствами задачи соідания конкурентно-способных, мало-затратных технологий производства от.ншок и слитков, обеспечивающих их высокое качество и минимизацию брака.
Наибольшее влияние на брак в литейных заготовках оказывают дефекты усадочного происхождения - усадочные раковины и пористость. Они возникают в результате кристаллизации металла и затрудненности питания отдельных объемов отливок и слитков. Традиционные методы борьбы с этими дефектами, это обеспечение направленности затвердевания в литых заготовках в вертикальном направлении.
При производстве слитков - увеличение объема прибыли, повышение конусности изложницы и уменьшение отношения ее высоты к диаметру (H/D) позволяют повысить плотность осевой зоны и подавить V - образную неоднородность. Это однако не всегда целесообразно с точки зрения экономики.
Повышение плотности отливок изготовляемых в песчано-глинистых формах, обычно обеспечивается за счет использования массивных прибьшей и напусков, что определяет низкий выход годного металла.
Для уменьшения развития усадочных дефектов в литых заготовках, кроме изменения их геометрических параметров, широко используются различные способы организации утепления прибьшей с помощью засыпки экзотермическими и теплоизолирующими смесями зеркала жидкого металла. Как правило, это приводит к ухудшению условий труда и экологии, а также к увеличению стоимости продукции. В последние годы ограниченное применение, для производства крупных единичных заготовок ответственного назначения, получили такие способы, как электродуговой подогрев, различные варианты электропшакового подогрева и подпитки, электроншаковое литье и порционная электрошлаковая отливка. Эти методы значительно уменьшают развитие усадочных дефектов в отливках и слитках, но требуют сложного оборудования и значительных энергетических и капитальных затрат.
Все эти технологии направлены на создание условий для поддержания металла в головной части литой заготовки в жидком состоянии как можно дольше за счет теплоизоляции или, что более эффективно обогрева поверхности металла в форме. Однако известно, что при непрерывной разливке стали, где эти условия полностью обеспечиваются, имеет место значительное развитие осевой V - образной неоднородности в заготовках.
Одним из способов обеспечения направленности затвердевания слитков и отливок является экранирование их головной части, описанное в работах А.И. Вейника, ГА Анисовича и Е.М. Китаєва.
Эта технология позволяет управлять затвердеванием литых заготовок за счет перераспределения отходящих от кристаллизующего металла тепловых потоков и приобретает особую значимость в связи с тем, что экранирование,
кроме экономических и экологических преимуществ, может компенсировать отрицательное влияние теплоотвода в нижнюю полку кожуха прибыльной надставки при затвердевании слитка в изложнице. По мнению большинства исследователей, именно этот фактор в подприбыльной зоне является причиной образования «моста» и усадочных дефектов в стальном слитке
Поэтому разработки в области производства слитков с использованием жранирования головной части представляются актуальными в теоретическом и практическом плане.
Экранирование головной части изложницы, и применение особой конструкции нефутерованной экранируемой прибыльной надставки позволяет экономически эффективно использовать энергию, выделяющуюся при затвердевании металла для поддержания его части в объеме прибыли в жидком состоянии до полного затвердевания тела слитка. Разработанные рациональные и эффективные технологии по управлению процессами затвердевания дают возможность улучшить условия питания жидким металлом осевой зоны формирующихся литых заготовок с малой конусностью и большим отношением H/D, уменьшить развитие дефектов усадочного происхождения и увеличить выход годного металла.
Исследования проводились в соответствии с Координационным планом НИР АН СССР на 1981-1985 гг. по проблеме 2.25.1.5, по заданию 01.01 «Разработка теоретических и технологических основ управления процессами разливки металла и формирования отливок и слитков». По заказу Управления конструкторских экспериментальных работ ОАО «ГАЗ» при создании новых образцов военной техники для Министерства обороны РФ 2001 г. и по плану НИР 1.436.03 Министерства образования России на 2003 г. по заданию 1.2. «Исследование закономерностей строения и формирования крупных стальных слитков при использовании новых теплоизолирующих покрывных материалов».
Цель работы:
Развитие научных основ повышения качества литых заготовок (отливок и слитков) за счет перераспределения отходящих от кристаллизующегося металла тепловых потоков на базе разработки процессов по управлению их затвердеванием путем:
изучения влияния экранирования головной части изложницы и прибыльной надставки на продвижение фронта затвердевания в слитке и формирования дефектов усадочного происхождения;
решения проблемы, увеличения плотности осевой зоны литых заготовок и увеличения выхода годного металла за счет перераспределения тепловых потоков от кристаллизующегося металла;
разработки способов производства лить'х заготовок с использованием энергетически рациональных технологий, обеспечивающих их направленность затвердевания для уменьшения в них осевой рыхлости;
внедрения в производство практических рекомендаций по использованию разработанных технологических процессов при изготовлении фасонных отливок из различных сплавов и повышению выхода годного металла.
Фактический материал. Исследования проводились в лабораториях Нижегородского государственного технического университета, ряда заводов и НИИ на основании совместных договоров. Промышленное опробование и внедрение осуществлялось с использованием материальной и производственной базы следующих предприятий: ОАО «Красное Сормово», ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» (НМЗ), ЗАО Нижегородский научно-производственный центр современных технологий (ННПЦСТ) «Берег-Волна», ОАО Нижегородский научно-исследовательский институт машиностроительных материалов (ННИИММ) «Прометей» и ПО «Ново-Краматорский машиностроительный завод» (г. Краматорск, Украина).
Научная новизна:
-
Разработана методика расчета затвердевания стальной цилиндрической заготовки в металлической форме, учитывающая теплопередачу из прибыльной части в тело отливки (слитка) и позволяющая произвести оценку влияния экранирования головной части на развитие усадочных дефектов в осевой зоне при различной интенсивности отраженных тепловых потоков.
-
Выявлено, что при затвердевании литых заготовок в подприбыльном сечении имеют место периодические колебания температуры жидкой фазы. Этот эффект связан с перераспределением гидродинамических потоков, за счет опережающего продвижения фронта твердой фазы в металлической изложнице по сравнению с футерованной прибыльной частью. Показано, что перераспределение отходящих тепловых потоков от затвердевающей заготовки, путем ее экранирования позволяет повысить температуру металла в подприбыльной области на более длительное время и уменьшить скорость ее падения.
-
Установлена эффективность способа экранирования и разработанных устройств для его реализации (экрана-отражателя и нефутерованной экранируемой прибыльной надставки) при производстве стальных слитков. Они позволяют использовать тепловую энергию, выделяющуюся в процессе кристаллизации металла в окружающую среду как дополнительный ист очник-тепла для улучшения работы прибыли при формировании литых заготовок, подавления развития дефектов усадочного происхождения, внеосевои химической неоднородности и повышения выхода годного металла.
4. Определены геометрические и теплофизические параметры блокирующей вставки для саморегулирующейся литниковой системы с целью создания гра/шснта температур по высоте отливки и постоянства напора расплава при 'заполнении песчано-глинистых форм для получения заготовок с высокой плотностью.
Практическая ценность работы
1. На основе анализа причин возникновения дефектов усадочного характера в стальном слитке разработаны конструкции экрана-отражателя и нефутерованной экранируемой прибыльной надставки. Внедрены технологии разливки стали с их использованием. Применение этих устройств при отливке слитков массой 2,7т, 8т, 57т и 63т обеспечило одновременное повышение плотности осевой зоны слитков и выхода годного металла на 2-3%. Это обеспечило повышение качества металла в литом и деформируемом состоянии и позволило получить экономический эффект на ОАО завод "Красное Сормово" 19,9 тыс. рублей (в ценах 1982 года); ПО "НКМЗ" 232,9 тыс. рублей (в ценах 1983 года); ОАО "НМЗ" 1429 тыс. рублей (в ценах 2003 года). 2. Разработаны технологии производства отливок из легированных сталей и алюминиевых сплавов в песчано-глинистых формах с созданием градиента температур по их высоте за счет обогрева прибыли или охлаждения горячих узлов, что обеспечило повышение плотности и выхода годного металла на 20%.
-
Промышленное опробование новых технологий с созданием градиента температур по высоте литых заготовок предоставило возможным получать отливки из стальных и алюминиевых сплавов в песчано-глинистых формах с повышенной плотностью и увеличение выхода годного металла. Ожидаемый годовой экономический эффект составит на ОАО ННИИММ «Прометей» 320 рублей на тонну годного металла или 784 тыс. рублей в год (в ценах 2002 года), на ЗАО ННГЩСТ «Берег-Волна» 480 тыс. рублей (в ценах 2001 года).
-
Разработанные конструкции и технологии защищены пятью авторскими свидетельствами и патентом РФ,
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Методика расчета затвердевания стального слитка (отливки) круглого сечения в изложнице (в кокиле), учитывающая теплопередачу из прибыльной части в тело литой заготовки и позволяющая произвести оценку влияния экранирования головной части на развитие усадочных дефектов в осевой дане при различной интенсивности отраженных тепловых потоков.
-
Результаты физического моделирования затвердевания 8-й 50-тонных стальных кузнечных слитков. Влияние различной интенсивности отраженных
тепловых потоков на продвижение фронта затвердевания, конфигурацию и глубину усадочной раковины. 3 Выявленные возможности управления тепловыми поюками от формирующегося слитка с помощью экранирования и обеспечивающие последовательность вертикального затвердевания слитка и подавления осевой рыхлости с одновременным уменьшением глубины -залегания усадочной раковины.
4. Разработанные и защищенные авторскими свидетельствами и патентом РФ
устройства экранирования тепловых потоков от кристаллизующегося спитка,
обеспечивающие повышение качества металлургической продукции без
дополнительного подвода энергии и загрязнения окружающей среды.
5. Результаты анализа эффективности воздействия экранирования на уменьшение
осевой рыхлости в литых заготовках различной массы, увеличение выхода годного металла и повышение качества поковок с различной степенью деформации.
6. Разработанные технологии повышения плотности фасонных отливок из
цветных металлов и легированной стали в песчано-глинистых формах путем
создания градиента температур по их высоте.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на всесоюзных, всероссийских, межреспубликанских, региональных, межотраслевых и областных научно-технических конференциях, семинарах, которые проводились в городах: Москва (1998 г.), Киев (1982, 1983 г.), Мариуполь (Жданов) (1987 г.); Краматорск (1981, 1985г.), Владимир (1998 г.); Арзамас (2001г.), Волгоград (1990 г.), Чебоксары (1986 г.), Н. Новгород (Горький) (1978, 1979, 1982, 1983, 1986, 1988, 1998, 2000, 2002, 2003 и 2004 г.).
В диссертационную работу вошли материалы, за которые автор был удостоен звания Лауреата премии Горьковского комсомола в области науки и техники (1979 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 32 печатных работах, в том числе в 2 книгах, в 5 авторских свидетельствах и патенте РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 252 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 35 таблиц, библиографию из 211 наименований и приложение на 14 страницах машинописного текста.
В работе приведены результаты, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками Нижегородского государственного технического университета и перечисленных выше организаций При этом автору принадлежат: постановка проблемы в целом и отдельных задач в частности; проведение экспериментов и анализ их результатов; разработка теоретических основ в использовании тепловой энергии, выделяемой в процессе кристаллизации литых заготовок и непосредственное участие в освоении и внедрении результатов работы.
Физико-химическая неоднородность литого металла
В литом металле может быть большое количество различных видов дефектов, которые формируются по многим причинам и выражаются в отливках и слитках в большей или меньшей степени. Предпосылки к образованию дефектов на поверхности и внутри металла могут произойти еще во время плавки стали (сплава), разливки и в процессе его затвердевания. Безусловно, что любой, казалось бы, самый незначительный дефект может проявиться в процессе эксплуатации готового изделия и привести к аварийным ситуациям или самым печальным последствиям. Поэтому получение качественного металла — основная задача металлургического производства. Наружные дефекты легче обнаружить и по возможности устранить, но значительно сложнее выявить и ликвидировать или уменьшить внутренние. К внутренним дефектам относится усадочная раковина, осевая рыхлость и химическая осевая й внеосевая неоднородность.
К сожалению, и в настоящее время с внедрением новых технологий полностью не решен вопрос с производством бездефектных отливок и слитков. Изучить и понять природу образования дефектов, проанализировав накопленный опыт, позволяет ближе подойти к решению этих проблем.
Усадочная раковина образуется вследствие разности плотности металла, находящегося в твердом и жидком состоянии. Кроме этого, на конфигурацию усадочных раковин, их размеры (глубина проникновения) влияют следующие факторы: химический состав сплава, температура заливаемого сплава, скорость разливки и время заполнения формы (изложницы), способ разливки, конусность формы (изложницы), конфигурация отливки, отношение высоты формы к ее диаметру, теплопроводность формы и эффективность утепления прибыли, а ее проникновение в тело отливки или слитка недопустимо [30].
Если затвердевание металла в прибыли в процессе затвердевания отливок и слитков происходит с большими скоростями, что связано с плохой или недостаточной эффективностью утепления прибыли, то в результате получаем глубокую усадочную раковину, которая может проникнуть и в тело литой заготовки. Хорошая изоляция прибыльной надставки, естественно, приводит к тому, что усадочная раковина имеет полусферический вид с неглубоким залеганием только в прибыли, не поражая тело отливки или слитка [31].
Одно из важнейших условий получения слитка с плотной осевой зоной заключается в том, чтобы жидкий металл в прибыли затвердевал значительно позже, чем в теле слитка.
Устранению осевой рыхлости слитков уделялось и уделяется огромное внимание. Эти вопросы освещены в работах А.И. Вейника [30], В.А. Ефимова [31], Г.А. Анисовича [32], А.А. Скворцова [33; 34], А.А. Рыжикова [35], Б.Б. Гуляева [36], Ю.А. Самойловича [37], И.Б. Куманина [38], С.Я. Скобло, Е.А. Казачкова [39], Е.М. Китаєва [40; 41] и во многих других работах известных ученых-металлургов и литейщиков.
Образование дефектов осевой зоны отливок и слитков происходит главным образом из-за ухудщения условий подпитки жидким металлом кристаллизующихся объемов. Дефекты усадочного характера возникают в области ускоренного затвердевания [39], то есть при смыкании фронтов затвердевания от боковых стенок изложницы. Более раннему образованию подприбылыюго «моста» способствует большая масса каркаса прибыльной надставки изложницы, которая поглощает большое количество теплоты, что приводит к нежелательному процессу, а именно: к более быстрому охлаждению верхней части слитка. В области контакта нижней части прибыльной надставки и верхнего торца изложницы металл кристаллизуется с большей скоростью, что приводит на этом уровне к образованию «моста». Это сопровождается ликвидацией подпитки жидким металлом еще не затвердевшего расплава в теле слитка и способствует возникновению осевой рыхлости [12]. Кроме того, массивная прибыльная надставка поглощает тепло от верхней части изложницы, что также создает неблагоприятные условия формирования осевой зоны слитка. На формирование усадочных дефектов влияет и интенсивный теплообмен между слитком и изложницей при его затвердевании.
Физическое моделирование затвердевания литых заготовок...
Физическое моделирование нашло широкое применение в исследованиях, проводимых как в нашей стране, так и за рубежом. Моделирование позволяет с минимальными затратами воспроизвести процессы и явления, изучение которых в реальных условиях требует больших капитальных затрат, а порой и просто невозможно [170]. В работах [171-175] рассмотрена методика физического моделирования слитков, а в работах [176-180] детально описана техника проведения эксперимента.
Масштабы моделирования определялись при условии соблюдения идентичности основных критериев подобия. При исследовании формирования 8-тонного кузнечного стального слитка моделирование производилось таким образом, чтобы количество отводимой теплоты соответствовало эффекту экранирования. Моделирующей средой являлся парафин.
Теплофизические параметры парафина, определенные экспериментально, приведены в таблице 2.4. В случае затвердевания металла, толщина затвердевшей корки будет зависеть от следующих величин: , = f{a,At,x,X,c,y,T,qKp), (2.38) где а - коэффициент теплоотдачи на поверхности слитка или коэффициент теплоотдачи от поверхности к охлаждающей воде, Вт/м -К; At — перепад температур между температурой кристаллизации и температурой окружающей среды, К; х- определяющий размер, в м; X коэффициент теплопроводности затвердевшего металла, Вт/м-К; с - удельная теплоемкость затвердевшего металла, кДж/кг-К; 7кР — удельная теплота затвердевания, кДж/кг; т - время, ч.
В соответствии с теоремой Букенгема определим количество критериев и симплексов, в которые можно свести имеющиеся в уравнении (2.38) величины. Общее количество величин N = 9. Количество величин с неодинаковыми размерностями будет: п = 8. Количество размерностей К = 5 (кг, м, Вт, час, К).
Число критериев - Яр = «-АГ=8-5 = 3 Число симплексов - S=N-n—9—%=i В соответствии с этим будем иметь следующую критериальную зависимость: 8-i-/(Bi,N,Fo), (2.39) где 5 = — - безразмерная величина затвердевшей корки; X ( X Зі-—L. _ критерий Био, характеризующий интенсивность Л теплоотдачи с поверхности слитка; JSI = - критерии затвердевания, характеризующий физические 7кр свойства затвердевающего металла; р0-— „ критерий Фурье, характеризующий время протекания х процесса. Так как критерий N = не может быть одинаковым для натуры ікр (стали) и моделирующей среды, то для возможности моделирования приходится пользоваться комплексным критерием Bi.N = . . (2.40) Компенсируя разницу в физических свойствах (параметрах) условиями теплоотдачи с поверхности, получим бЛ.Дві.Н.Ро) / ; ; ]. (2.41)
Исходя из этого соотношения и были выбраны масштабы при физическом моделировании.
Временный масштаб подсчитывал ся, исходя из условий Fo = idem Мт= --- --М;2. (2.42) тм ад Линейный, или геометрический, масштаб был принят Л/, =- -= 20. Индекс «Д» относился к величинам, характеризующим действительный процесс, а индекс «М» — к величинам моделирующей среды, тогда временный масштаб
Теплотехнические расчеты в обычной и экранируемой 8-тонной изложнице
С увеличением грузоперевозок железнодорожным транспортом и с более интенсивным использованием подвижного состава с вводом в эксплуатацию скоростных локомотивов вопрос дальнейшего повышения качества и эксплуатационных характеристик локомотивных осей является одной из важнейших задач.
ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» более 40 лет является поставщиком заводам Министерства путей сообщения (сейчас ОАО «Российские железные дороги») черновых локомотивных осей для вагонов, электровозов и тепловозов. Заготовки для локомотивных осей получают методом горячей деформации на прессах из слитков развесом от 0,95 до 3,3 т. Поэтому вопрос о получении высококачественных исходных заготовок крайне актуален на сегодняшний день. Да и более жесткий контроль качества осей осуществляется после ковки слитков. Самыми массовыми при производстве осей электровозов и тепловозов являются слитки развесом 2,5; 2,7 и 2,9 т.
При производстве слитков имели случаи их брака по внутренним и наружным дефектам: а) по осевой рыхлости, глубокому проникновению усадочной раковины; 138 б) по поперечным, продольным трещинам и заворотам.
По старой технологии выплавка осевой стали производилась в основной 50-тонной мартеновской печи. Окончательное раскисление и модифицирование позволило получить сталь с высокими литейными и физико-механическими свойствами [197, 198]. Разливка стали в изложницу осуществлялась сверху через воронку. С одной плавки заливалось 16 слитков, температура заливки 1560-1580С, разливка одного слитка составляла 2-2,5 минуты. По окончании разливки зеркало металла в прибыли утеплялось прокаленной песчано-керамзитовой смесью (в соотношении 50 на 50 %). Толщина теплоизолирующего слоя составляла не менее 20 мм.
Известно, что 70% тепла поглощается футеровкой и корпусом прибыльной надставки (30-32% корпусом и 40-38% футеровкой). Следовательно, уменьшая массу кирпичной футеровки, можно значительно улучшить тепловую работу прибыли.
Одним из направлений решения этой задачи было выбрано более эффективное использование тепловой работы прибыли слитка и тем самым создание условий направленного затвердевания для повышения плотности осевой зоны и уменьшения усадочной раковины. С этой целью была разработана новая конструкция прибыльной надставки [199], принципиальная схема которой представлена на рисунке 3.17. Она состоит из литого чугунного каркаса /, внутренняя поверхность представляет воздушную полость 2, выполняющую роль теплоизолятора. Для уменьшения теплового потока от прибыли в окружающую среду во внутренней полости прибыльной надставки была предусмотрена установка одной или нескольких металлических обечаек 5, выполняющих роль отражателей. Для более эффективной работы прибыльной надставки в воздушную полость 2 установлены утеплители 4. В первоначальный момент после заполнения прибыли жидким металлом внутренняя часть чугунной надставки быстро аккумулирует тепло, а благодаря воздушному зазору 2 замедляет теплопередачу тепловой энергии. Поверхность стальной обечайки 3 отражает ее, возвращает на внутреннюю поверхность чугунного каркаса надставки, а утеплитель 4, установленный за обечайкой 3, уменьшает теплопередачу на вторую внутреннюю обечайку через воздушный зазор.
Для определения эффективности тепловой работы прибылей контрольной и опытной прибыльной надставки на их наружных стенках (на половине ее высоты) были установлены термопары, которые показали, что температура в обычной надставке достигла максимума до 360С, а в опытной-310С.
Серные отпечатки продольных темплетов прибылей 8-тонных слитков, отлитых в обычной и экранируемой изложницах
Экранировались не только боковые стенки прибыльной надставки, но и зеркало металла в прибыльной надставке. При этом значительно (в 4 раза) уменьшились потери тепла непосредственно от расплава, и он больше времени находится выше температуры ликвидуса состояния. Поэтому в меньшей степени развивается область двухфазного состояния. Примеси равномернее распределяются в расплаве и удаляются в прибыль. Происходит естественная рафинировка расплава. Можно предположить меньшее развитие термогравитационной конвекции в опытном слитке, так как тештоотвод теплоты от верхних объемов расплава значительно уменьшен [200]. Угол наклона внеосевой химической неоднородности зависит от первоначальной скорости конвективных потоков после разливки и эффективности работы прибыли. Поэтому в слитках, отлитых сифонным способом, угол наклона относительно вертикальной оси слитка будет меньше, чем в слитках, отлитых сверху. При экранировании головной части изложницы уменьшается величина скорости конвективных потоков и условия образования «усов», так как они смещаются ближе к центру и угол их наклона в верхней части слитка меньше, чем в нижней его части.
Характеристика и размеры дефектов стальных слитков, отлитых в изложнице с обычной прибыльной надставкой, футерованной шамотным кирпичом (контрольной), и в экранируемую (опытную), приведены в таблицах 4.3 и 4.4.
Сравнительные исследования качества продольных осевых темплетов слитков массой 8 тонн по различным технологиям показывают, что использование экранов-отражателей позволяет уменьшить глубину усадочной раковины на 39-40 %. В контрольных же слитках прибыльная часть полностью поражена усадочной раковиной. Кроме того, значительно сократилась зона осевых дефектов. Если в контрольном она составляет 66-67 % (относительно площади тела слитка), то в экранируемом всего 16-19%. А протяженность дефектов осевой зоны относительно высоты тела слитка у опытного слитка уменьшилась в 3 раза [201-203].
Все эти данные позволяют сделать вывод о целесообразности утепления верхней части слитка экранами-отражателями и осуществлении регулирования процесса затвердевания металла за счет использования тепла, выделяемого при кристаллизации слитка [204].
Физическая неоднородность литого металла исследовалась на установке ГУТТСО 50-3 с использованием радиоактивного изотопа Со-60 активностью 50 грамм-эквивалента радия. При фокусном расстоянии 800 мм с временем экспозиции в 40 минут (чувствительность 1,5) были просвечены образцы литого металла (толщиной 80 мм) из подприбыльного сечения.
Схема раскроя образцов из подприбыльного сечения приведена на рисунке 4.7, а результаты рентгеновского контроля согласно ОСТ 5.9217 и ОСТ 5.906-77 представлены в таблице 4.5.
Из приведенных в таблице 4.5 данных следует, что в корковой зоне опытного (образец 01) и контрольного (образец 1) слитков имеет место наличие пор и загрязнений в незначительном количестве. Осевая зона контрольного слитка (образец 3) поражена дефектами усадочного характера, причем 65,2 % составляют дефекты усадочной рыхлости, 23,4 % - неметаллические включения и 11,4 % - газоусадочная пористость. В осевой зоне (образец 03) опытного слитка дефектов усадочного характера обнаружено не было.
Результаты этого контроля показывают положительное воздействие экранов-отражателей на формирование слитка и целесообразности внедрения их в производство [205].
В первой главе отмечалось, что получение качественных отливок и слитков с минимальными энергетическими затратами одним из специальных видов литья является электрошлаковая подпитка прибыли (ЭШПП). Этот процесс позволяет создать условия направленного затвердевания за счет градиента температуры по высоте отливки с минимальным расходом металла на прибыль. В то же время химически активный горячий шлак взаимодействует с песчано-гл инистой формой, разрушая ее. Австрийская фирма «ФЭВ» (бывшая «Бёллер») при отливке лопастей гидротурбин с ЭШПП использует металлические шлакоудерживающие надставки, что приводит к значительному расходу электроэнергии (380-400 кВт ч/т).
С целью значительного уменьшения расхода электроэнергии нами было предложено использовать в качестве шлакоудерживающей и одновременно прибыльной надставки шамотный кирпич на глиняной связке. Следует отметить, что целью данной работы было изучить возможность повышения выхода годного меатлла при производстве лопастей судовых винтов, так как в настоящее время расход металла на прибыли при отливке лопастей судовых винтов из легированной стали составляет 38-45 % от массы заливаемого металла.
Сущность этого способа заключается в следующем. После заливки металла в форму на зеркало жидкого расплава наводится шлаковая ванна, в которую погружается расходуемый металлический электрод. В цепь «электрод - шлаковая ванна - отливка» подается напряжение. Поскольку шлаковая ванна обладает большим электросопротивлением, то при прохождении через нее электрического тока происходит разогрев шлака до температуры в пределах от 1550 до 1800С. Вследствие этого электрод оплавляется, и каплями электродного металла происходит подпитка затвердевающих объемов отливки, тем самым создаются условия направленного затвердевания.
Эксперименты проводились на макетах отливок массой 300 кг в пес-чано-глинистых формах из стали марки 08Х15Н4ДМЛ (ГОСТ - 977), выплавляемой в электропечи ДСП-1,5.
Электрошлаковая подпитка проводилась на модернизированной флю-соплавильной печи У-350, питаемой от двух параллельно включенных сварочных выпрямителей ВДМ-1601. В качестве расходуемого электрода использовались литники диаметром 160 мм марки 08Х15Н4ДМЛ.
