Введение к работе
Актуальность работы и степень ее изученности
Основными задачами промышленности Украины в настоящее время является удовлетворение потребности народного хозяйства в высококачественной конкурентноспособной продукции. В соответствии со стратегией развития черной металлургии, направленной на повышение технико-экономических показателей производства, предъявляются более высокие требования к качеству отливок и слитков.
Одним из основных средств решеїшя задачи повышения качества литых изделий, при одновременном снижении расхода энергии и материалов, является переход на более прогрессивные технологии, в том числе и литье в металлические формы. При этом резко улучшаются условия и производительность труда, снижаются припуски на обработку, повышаются служебные свойства отливок и слитков. Доля отливок получаемых литьем в кокиль, постоянно растет.
Анализ существующих способов отливки крупногабаритных слитков и отливок позволил установить, что основными отрицательными свойствами технологии литья в кокиль являются высокая химическая ги структурная неоднородность литых изделий, повышенная склонность отливок к образованию трещин.
Качество слитков и отливок в значительной степени связано с явлениями происходящими в расплаве до его затвердевания, и при переходе металла из жидкого состояния в твердое. В этот период происходит формирование физической, химической и структурной неоднородности в затвердевающих сплавах, которые практически не изменяются при дальнейшей обработке литых изделий. С увеличением массы слитков и отливок значительно возрастают трудности экспериментального изучения процессов гидродинамики и тешюпереноса при их затвердевании. В этом случае все большее значение приобретают методы математического моделирования.
Задача повышения качества слитков и отливок при литье в кокиль обуславливает целесообразность дальнейших исследований и разработки рациональных режимов заполнения литейных форм, определения параметров затвердевания отливок в кокиле.
Цель работы.
Разработка и освоение новых технологических процессов производства крупногабаритных отливок ( в том числе и биметаллических) при литье в кокиль, обеспечивающих повышение их эксплуатационных свойств при минимальных материальных затратах.
В работе основным методом исследования принят метод комплексный метод математического и экспериментального моделирования тешюфизических и гидродинамичесюк процессов в соответствии со специально разработанными планами активного и пассивного экспериментов. Вместе с тем, с целью проверки результатов моделирования этот метод дополнен исследованиями механических
характеристик отливок, анализом металлографических и химических свойств отливок с использованием стандартных методик и оборудования.
Научная новизна
Основные положения, характеризующие научную новизну, заключаются в
следующем:
=> разработана математическая модель гидродинамики заполнения расплавом с учетом свободной поверхности формы под действием внешних сил и процессов теплопереноса при формировании отливки (слитка) с учетом теплового взаимодействия системы отливка - термическое покрытие - кокиль;
=> разработана инженерная методика определения тегшофизических характеристик материалов и сплавов на основе обработки данных экспериментов и решения обратной задачи теплопроводности;
=> определены рациональные параметры заливки серого чугуна в кокиль при отливке тюбингов метрополитенов;
=^ определены рациональные режимы заполнения изложницы под действием центробежных сил при отливке двухслойных листопрокатных валков и оптимальные параметры цикла отливки, обеспечивающих качественную рабочую поверхность валка;
=> установлены рациональные режимы получения слитков качественных марок сталей с использованием шлакообразующего материала в виде выплавляемого стержня, получены критериальные соотношения позволяющие определить параметры шлакового стержня при разливке слитков сифоном.
Автор выносит на защиту:
математическую модель и алгоритм расчета процессов гидродинамики заполнения и затвердевания слитков (отливок) в изложнице;
инженерную методику определения теплофизических характеристик металлов и сплавов;
результаты комплексного исследования по определению рациональных режимов получения чугунных тюбингов, двухслойных валков и слитков в кокилях;
разработашше новые технологические процессы литья тюбингов в кокиль и центробежную отливку двухслойных валков;
новую технологию получения крупных слитков качественных марок углеродистых и низколегированных сталей при разливке сифоном с использованием шлакообразующих стержней.
Практическая ценность работы:
О в результате проведенных исследований определены параметры литниковой системы для отливки тюбингов в кокиль; подобрана соответствующая кокильная краска для предотвращения поверхностного отбела отливки и обеспечивающая требуемые пределы прочности изделия;
0 определены оптимальные технологические режимы отливки валков для листопрокатных станов центробежным способом, позволяющие получить требуемую глубину и твердость рабочего слоя; О определены рациональный состав и параметры шлакового стержня при получении крупногабаритных слитков. Промышленная отливка показала на значительное повышение качества слитков, снижение головной обрези, уменьшение ликвации и пористости, и улучшение структуры слитка.
Результаты работы прошли опытно-промышленную проверку и внедрены на Лутугинском объединении по производству валков, Опытном заводе НЙИМехчермет и Днепровском металлургическом комбинате. Результаты работы внедрены также в учебный процесс на металлургическом факультете при чтении лекций и проведении практических занятий по курсам "Моделироваїше и оптимизация процессов в литейном производстве", "Разливка и кристаллизация стали". Экономический эффект, полученный при внедрении составил на эксперимента льном литейном производстве НЙИМехчермет 111 тыс.руб в 1988 г. и на Лутугинском объединении по производству валков 1090 тыс.крб в 1992 г.
Апробация работы
Материалы диссертациошюй работы докладывались и обсуждались на Зональной научно-технической конференции "Применение ЭВМ для разработки технологических процессов дитья, проектирования оснастки и анализа качества отливок" (г.Ярославль, 1987 г.), IV научно-технической конференции "Автоматизация проектирования и управления качеством отливок" (г.Санкт-Петербург,1991 г.), Международной научно-техгагческой конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в турбулентных течениях" (г.Алушта, 1992 г.), VIII международной научно-технической конференции "Теория и практика кислородно-конвертерных процессов" (^Днепропетровск, 1994 г.).
Публикации
По материапам диссертации опубліковано 11 печатных работ.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 180 наименований и приложения.