Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Полые слитки находят широкое при-іенение для изготовления крупных пустотелых изделий различ-ого назначения, в том числе транспортных контейнеров для тработанного ядерного топлива. Применение полых слитков для зготовления пустотелых поковок,наряду с повышением качества зделий, обеспечивает сокращение расхода металла на 25-30%, асхода топлива на нагрев заготовок и сокращение общего цик-а изготовления изделий. Однако, несмотря на разнообразие етодов получения полых слитков, технология их производства стается сложной, что объясняется трудностями подготовки и становки внутренних стержней-дорнов, плохой поверхностью олых слитков, наличием в них внутренних трещин и других гфектов. Все это создает значительные трудности в произ-эдстве полых слитков. Еще более сложные проблемы возникают ри получении крупных полых заготовок из аустенитных высоко-егированных сталей в связи с особенностями структурообразо-зния сталей этого класса и возникновением большого количе-гва дефектов при горячем переделе.
Проблемы получения высококачественных полых слитков ус-зшно решаются на основе применения технологии электрошла-эвого литья (ЭШЛ). Метод ЭШЛ обеспечивает высокое качество зготовок и их форму, максимально приближенную к готовому зделию. Однако метод ЭШЛ дорог и энергоемок. Поэтому весьма эрспективным является метод получения качественных полых питков с использованием внутренних кристаллизаторов, азвитию и совершенствованию этого метода получения каче-:венных крупнотоннажных полых слитков из углеродистых и лсоколегированных сталей посвящена данная работа.
Целью работы является разработка и совершенствована технологии получения качественных полых слитков из углероді стых и высоколегированных сталей на основе лабораторных промышленных исследований и математического моделировани процессов формирования таких слитков с использованием вну ренних кристаллизаторов.
В связи с этим решались следующие задачи: 1.Исследование и анализ теплофизических процессов взаимодеі
ствия внутренних кристаллизаторов с металлическим распл;
вом. 2.Физическое моделирование процесса' формирования полых ели' ков из углеродистой и аустенитной стали с внутренними крі
сталлизаторами на «горячих» моделях. 3.Разработка математической модели процесса затвердевани
крупнотоннажных полых слитков с внутренними кристаллизат<
рами. 4.Исследование качества полых слитков, отлитых с применен] ем внутренних кристаллизаторов.
5.Разработка промышленной технологии получения полых крупні тоннажных слитков с внутренними кристаллизаторами.
ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРАКТИЧЕСКО ЦЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ, НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Методом мат< матического моделирования и прямыми экспериментами установлен характеристики плавления плоских и цилиндрических внутренних кри< таллизаторов в расплавленной углеродистой и легированной ст; ли.Разработана математическая модель процесса затвердевания крупні тоннажных полых слитков с внутренними кристаллизаторами
-5-определены основные параметры затвердевания таких слитков в зависимости от положения внутреннего кристаллизатора в слитке и его размеров.
С помощью оригинальной методики «горячего» моделирования установлено влияние внутренних кристаллизаторов на процесс кристаллизации слитка аустенитнои стали. Выявлены ха-характеристики литой структуры и дана оценка химической однородности металла полых слитков аустенитнои стали, отлитых с внутренними кристализаторами. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено существенное улучшение литой структуры полых слитков из аустенитнои стали и их химической эднородности за счет применения внутренних кристаллизаторов.
На основе математического анализа вариантов теплоотво-\а от внутренней поверхности полого слитка установлены технологические параметры его отливки, обеспечивающие получение заготовки высокого качества.
Разработаны конструкции внутренних кристаллизаторов, шециализированной оснастки и промышленная технология для )тливки полых слитков из аустенитнои и углеродистой стали.
Показана технико-экономическая эффективность новой тех-юлогии производства корпусных элементов изделий энергома-ииностроения из полых АКМ-заготовок и высокое качество круп-ютоннажных полых АКМ-слитков.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ВНЕДРЕНИЕ іАУЧНЬІХ РАЗРАБОТОК. На основе выполненных в диссертации ісследований и разработанной промышленной технологии для отливки юлых слитков из аустенитнои и углеродистой стали, в концерне Азовмаш» отлиты полые слитки массой Ют из аустенитнои стали іарки 12Х18Н10Т, из которых изготовлены криогенные сосуды
высокого давления. На основе разработанной технологии получения крупнотоннажных слитков с применением внутренних кристаллизаторов в концерне «Азовмаш»изготовлена партия транспортных контейнеров (типа ТК-10 и КТК-1). За счет применения новой технологии при изготовлении только транспортных контейнеров КТК-1 получен экономический эффект в размере 816588 рублей ( в ценах 1990 г.).
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.Материалы диссертации были доложены на XI Всесоюзной конференции по проблемам слитка (г.Волгоград, 1990г), Всесоюзном совещании «Моделирование физико-химических и технологических процессов в металлургии» (г.Новокузнецк, 1991г) и опубликованы в 13 статьях. Новизна результатов диссертационной работы защищена 10 авторскими свидетельствами на изобретения. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.
Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы, включающего 161 наименование отечественных и зарубежных источников, и содержит 100 страниц машинописного текста, 74 рисунка и 11 таблиц.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД ДИССЕРТАНТА В РАЗРАБОТКУ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ, КОТОРЫЕ ВЫНОСЯТСЯ НА ЗАЩИТУ. На основе математического и физического моделирования установлены закономерности процесса плавления макрохолодильников различной геометрии в перегретом расплаве с учетом условий теплообмена и степени перегрева расплава. Используя методику «горячего» моделирования, установлено влияние внутренних кристаллизаторов на характеристики
-7-литой структуры и химическую неоднородность полых слитков аустенитной стали. Исследовано влияние внутренних кристаллизаторов на механические характеристики литой стали. Выполнен анализ условий затвердевания крупнотоннажного полого слитка с различными вариантами установки внутреннего холодильника. Разработана промышленная технология получения полых крупнотоннажных слитков с внутренними кристаллизаторами. Показана возможность и целесообразность промышленного производства корпусных элементов изделий ответственного назначения из металла полых АКМ-слитков.
МЕТОДОЛОГИЯ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Методика исследований включала использование математического и физического моделирования, проведение экспериментов на «горячих» моделях, про-зедение прямых экспериментов на натурных крупнотоннажных :литках. Расчеты по математическим моделям выполнялись на іерсональньгх ЭВМ по специально разработанным программам. Ре-іультатьі расчетов сопоставлялись с экспериментальными данными, полученными в специально организованных опытах. Для опре-іеления химической неоднородности литого металла использова-іись современные методы химического анализа. Обработка ре-ультатов по химической неоднородности литого металла произ-юдилась с использованием методов математической статистики, 'емпературные измерения выполнялись методом термо-э.д.с. с ірименением стандартных термопар. Оценка структуры литого іеталла производилась с использованием метода глубокого трав-ения образцов от натурных слитков.