Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие металлургии в условиях свободной конкуренции характеризуется повышенными требованиями к качеству и потребительским свойствам металлопродукции. Высокие требования к качеству металла обычно рассматриваются в тесной взаимосвязи с его себестоимостью, что предопределяет актуальность проблемы снижения материало- и энергоемкости продукции на всех стадиях ее передела.
Качество и свойства литого металла, главным образом, определяются процессом кристаллизации заготовок. Традиционные методы воздействия на этот процесс (режим охлаждения и модифицирование) уже практически исчерпали свой ресурс, поэтому в последнее время исследователи активно используют различные приемы внешнего физического воздействия на кристаллизующийся металл (ультразвук, вибрация, электромагнитное перемешивание и т.п.). Соответственно, для управления процессами формирования структуры и свойств литых заготовок необходимо дальнейшее развитие теории кристаллизации металлов и сплавов в условиях силовых воздействий на затвердевающие расплавы.
Цель работы – установление закономерностей влияния внешних физических воздействий на процессы кристаллизации и структурообра-зования литых заготовок из черных и цветных металлов и разработка научно-обоснованных технологических принципов их практического использования.
Задачи исследования:
-
исследование процессов тепло- массопереноса в слитках и литых заготовках, затвердевающих в условиях электромагнитного перемешивания и вибрационного воздействия;
-
изучение механизма воздействия вибрации на зарождение и рост кристаллов, кинетику продвижения фронта кристаллизации и процесс формирования структуры литых заготовок;
-
изучение влияния параметров вибро- и газоимпульсного воздействия на гидродинамические и теплофизические условия формирования литых заготовок;
-
исследование влияния электромагнитного перемешивания (ЭМП) на процессы формирования структуры и свойств литых заготовок;
-
разработка специальных методик и создание универсальных физических моделей для исследования процессов формирования структуры и свойств литых заготовок;
-
разработка рекомендаций по выбору оптимальных параметров внешних силовых воздействий для получения качественных литых заготовок.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы современные методы физического и математического моделирования процессов тепло- и массообмена, кристаллизации и структурообра-зования модельных и реальных сплавов в условиях наложения внешних физических воздействий на затвердевающие расплавы. Величина переохлаждения, температурные интервалы и скорость выделения вторичных фаз и эвтектик в цветных и железоуглеродистых сплавах определены методом дифференциально-термического анализа. Исследование макро- и микроструктуры и механических свойств металлов в литых заготовках осуществлено по стандартным методам.
Научная новизна полученных результатов.
1. Впервые, с учетом интенсивности внешнего теплоотвода и пара
метров вибрации, установлена аналитическая зависимость между дис
персностью дендритной структуры и градиентом температур, уровень
которого должен иметь значение более 75 С/см.
2. Впервые теоретически и экспериментально установлены меха
низмы интенсификации теплопередачи через газовый зазор в кристалли
заторе МНЛЗ с учетом воздействия вибрации и теплоотдачи от медной
втулки кристаллизатора к охлаждающей воде с учетом шероховатости ее
поверхности.
3. Получили дальнейшее развитие научные основы механизма влия
ния вибрации на формирование структуры литых заготовок, заключаю
щегося в разрушении растущих дендритов и зарождении дополнитель
ных центров кристаллизации в объеме расплава, с учетом интенсивности
теплоотвода и состава сплавов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Установлена закономерность количественной взаимосвязи между
градиентом температур и динамикой роста первичных и вторичных осей
дендритов в объеме затвердевающего расплава, описываемая предло
женной аналитической зависимостью.
-
Установлены механизмы интенсификации теплообменных процессов в кристаллизаторе МНЛЗ: теплопередачи через газовый зазор между поверхностью заготовки и стенкой кристаллизатора под воздействием вибрации, заключающийся в изменении толщины зазора и динамики газов в нем; теплоотдачи от стенки кристаллизатора с наведенной шероховатостью к охлаждающей воде, состоящий в разрушении вязкого пристенного подслоя в потоке теплоносителя.
-
Определен механизм воздействия вибрации на формирование структуры литых заготовок, в том числе в зависимости от природы сплавов, и представлен в виде следующих эффектов: в разрушении и дроблении дендритов под действием знакопеременных изгибающих давлений
упругой волны; в зарождении кристаллов в объеме расплава в зонах разрежения и сжатия.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на фундаментальных закономерностях механики сплошных сред, применении современных методов исследования и сертифицированных лабораторных установок. Обоснованность применения физического моделирования для изучения натурных процессов базируется на использовании теории подобия. Достоверность математического моделирования обеспечивается использованием лицензионного программного обеспечения «ProCAST».
Значимость полученных результатов для теории и практики:
1. Разработанные универсальные методики и прозрачные физиче
ские модели могут быть использованы для проведения научных иссле
дований в области кристаллизации и структурообразования металличе
ских заготовок.
2. Полученные в диссертационной работе результаты изучения за
кономерностей кристаллизации и структурообразования металлических
слитков под воздействием вибрации позволили разработать технологию
получения литых заготовок для изготовления корпусов запорной арма
туры.
3. Разработан универсальный способ для вибрационной обработки
металлических заготовок (Патент на полезную модель RU №2593059,
27.07.2016 г.).
4. Разработана и апробирована одна из возможных эффективных
технологических схем вибрационной обработки литых заготовок в ре
альных условиях непрерывной разливки стали (Патент на изобретение
RU №2661460, 16.07.2018 г.).
5. Разработана технология получения литых заготовок под действи
ем вибрации, которая прошла опытно-промышленные испытания на базе
двух заводов при производстве ответственных корпусных деталей усть
евого оборудования нефтегазовых скважин, что подтверждено соответ
ствующими актами. В ОАО «Бакинский завод нефтепромыслового ма
шиностроения» технология рекомендована к внедрению, а в ОАО
«АЗЙОЛНЕФТМАШ» принята к внедрению в литейном цехе завода.
За счет снижения отбраковки заготовок по литейным дефектам на 40–45 % ожидаемый (расчетный) экономический эффект от внедрения составляет десять миллионов долларов США.
Личный вклад соискателя состоит: в разработке конструкций экспериментальных установок и методик физического моделирования; в проведении физического моделирования и натурных экспериментов, а также в анализе результатов исследований; в написании научных публи-5
каций; в непосредственном участии в опытно-промышленной проверке результатов работы.
Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты работы были представлены на международных и российских конференциях: «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты» в ГГНТУ им. акад. М. Д. Миллионщикова (Грозный, 2017); «Перспективы развития топливно-энергического комплекса и современное состояние нефтегазового инженерного образования в России» в ГГНТУ им. акад. М. Д. Миллионщикова (Грозный, 2018); «Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2017» (Санкт Петербург, 2018); «Наследственность в литейно-металлургических процессах» (Самара, 2018); на расширенном заседании кафедры «ТМО» СКГМИ (ГТУ) (Владикавказ, 2018).
Публикации. Основные результаты исследований изложены в 19 публикациях, в том числе 9 научных статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; а также получено 2 патента РФ на полезную модель и изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она изложена на 162 страницах машинописного текста, включает 46 рисунков, 20 таблиц, 2 приложения и содержит список литературы из 164 наименований.