Введение к работе
Актуальность работы. Ежегодно в мире теряется около 12 % металла в результате абразивного износа и коррозии. Развитие металлургии, машиностроения, химической, строительной и других отраслей промышленности предъявляет все более высокие требования к специальным свойствам отливок, таким как износостойкость и коррозионная стойкость. Применение высоколегированных металлических сплавов с высокими эксплуатационными свойствами зачастую становится невыгодным из-за их высокой стоимости. Кроме того, разрушению подвергается, как правило, поверхностный слой отливки, поэтому объемное легирование отливки становится нецелесообразным. Необходимо применять более дешевые альтернативные материалы, не уступающие по своим специальным свойствам металлическим сплавам.
Одним из вариантов является применение шлако-каменного литья для эксплуатации в условиях интенсивного абразивного износа и агрессивных сред. Высокие износостойкость и кислотостой-кость отливок из оксидных сплавов известны давно, однако они не нашли еще широкого применения по ряду причин: отсутствие в некоторых случаях подходящих природных материалов для получения расплава надлежащего качества, отсутствие методики выбора состава сплава с высокими свойствами в зависимости от условий работы. В большинстве регионов России, где есть условия для организации производства неметаллических отливок, как правило, нет подходящих природных материалов для их получения (базальтов), но в избытке имеются отходы металлургического производства, представляющие собой искусственные силикатные материалы, являющиеся побочным продуктом технологических процессов. Чаще всего они накапливаются в отвалах, нанося экологический ущерб воздушному и водному бассейнам. Использование отходов с незначительной подшихтовкой для получения шлако-каменных отливок не дает ожидаемого эффекта, поскольку они, в большинстве своем, по химическому составу существенно отличаются от обычно применяемых природных материалов (базальтов) и имеют пониженные специальные свойства. Кроме того, применяющиеся технологии получения отливок не позволяют оптимизировать такие параметры, как размеры и конструкцию литниковой системы, режимы затвердевания, охлаждения и кристаллизации отливок.
Поэтому развитие теоретических положений, позволяющих получать шлако-каменные отливки с высокими служебными свойствами при макси-
мальном использовании отходов производства, является важной научной проблемой, имеющей большое значение для народного хозяйства.
Цели и задачи работы. Целью работы является развитие теоретических и технологических основ получения отливок из оксидных сплавов и управления их служебными свойствами, такими как износостойкость, химическая стойкость и термостойкость, при максимальном использовании отходов металлургического производства.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработка методики выбора оксидного сплава с заданными свойствами в зависимости от условий эксплуатации и получение новых составов сплавов с высокими служебными свойствами на основе отходов производства;
установление взаимосвязи химического состава, температуры и технологических свойств расплавов;
установление взаимосвязи химического состава и параметров кристаллизации отливки;
создание моделей, позволяющих прогнозировать основные свойства расплавов и отливок;
разработка математической модели теплового состояния отливки;
разработка методики расчета параметров литниковой системы и заполнения формы с учетом особенностей петрургических расплавов;
- создание базы данных по основным свойствам шлако-
каменных расплавов и отливок.
Научная новизна. Основные научные результаты работы выражаются в следующем:
предложена методика выбора сплавов с заданными свойствами в зависимости от условий эксплуатации, позволяющая управлять служебными свойствами отливок и выбирать сплавы с заданными свойствами;
установлена взаимосвязь химического состава, температуры и технологических свойств расплавов;
предложены новые критерии для оценки влияния компонентов химического состава и температуры на технологические и кристаллизационные свойства сплавов, которые совместно с полученными нейронными моделями позволяют определять их для любого сплава в зависимости от его химического состава;
выявлены закономерности кристаллизации из расплавов и стекол, позволяющие с помощью нейронных моделей и используемых критери-
ев определять оптимальные параметры кристаллизации отливок;
- разработана методика определения критической скорости
охлаждения петрургических расплавов, с помощью которой можно
управлять кристаллизацией отливок при их охлаждении и затвер
девании;
разработана математическая модель затвердевания, охлаждения и кристаллизации отливки для определения ее теплового состояния и выбора тепловых режимов получения;
установлена взаимосвязь химического состава и теплофизи-ческих свойств сплавов, которая позволяет определять их конкретно для каждого сплава при проведении тепловых расчетов ;
разработана методика расчета параметров литниковой системы и режимов заполнения формы, учитывающая вязкость, плотность и теплоемкость сплава, конфигурацию отливки и тепловое состояние формы.
Теоретическая значимость. Полученные результаты расширяют теорию формирования шлако-каменных отливок. Это выражается в том, что обнаружены новые закономерности формирования кристаллической структуры отливок в жидком и твердом состояниях, введены новые критерии, позволяющие однозначно оценивать технологические и кристаллизационные свойства сплавов, разработаны методы расчета критической скорости охлаждения, литниковой системы и теплового состояния отливки, установлены взаимосвязи основных свойств расплавов и отливок и их химического состава.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Предлагаемые разработки обеспечивают получение шлако-каменных отливок с высокими служебными свойствами с применением в качестве шихтовых материалов техногенных отходов, что позволяет снизить стоимость получаемой продукции, частично утилизировать металлургические отвалы и улучшить экологическую обстановку промышленных регионов.
Разработанные методики по определению технологических режимов производства отливок из шлако-каменных сплавов позволяют получать качественное бездефектное литье.
Результаты работы использованы при подготовке задания ГИПРОМЕЗу на проектирование цеха шлако-каменного литья.
Проведены промышленные испытания технологии получения шлако-каменных отливок, отлиты и испытаны песковые насадки гидроциклонов.
На основе проведенных испытаний разработана технологиче-
екая инструкция по выплавке шлако-каменных сплавов, заливке форм и термообработке отливок для ОАО «Баймакский машиностроительный завод».
На основе результатов исследований в учебный план специальности 110400 введена дисциплина «Производство отливок из неметаллических материалов», издано учебное пособие с аналогичным названием, поставлены и выполняются лабораторные работы, выполняются дипломные проекты и исследовательские работы.
На защиту выносятся
методика выбора составов оксидных сплавов для получения отливок с необходимыми специальными свойствами в зависимости от условий эксплуатации;
новые составы сплавов для отливок с высокой износостойкостью, кислотостойкостью, щелочестойкостью и термостойкостью;
результаты экспериментального исследования и нейросетевой метод анализа и прогнозирования свойств расплавов и отливок;
методика расчета критической скорости охлаждения отливок;
взаимосвязь химического состава, свойств и параметров кристаллизации отливок;
новые критерии для оценки влияния компонентов на технологические и кристаллизационные свойства расплавов и отливок;
математическая модель расчета теплового состояния отливки в процессе заливки, выдержки, кристаллизации и отжига;
методика расчета литниковой системы.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и конгрессах:
межгосударственной научно-технической конференции «Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века». -Магнитогорск, 1996;
международной научно-технической конференции «Экологические проблемы заводов Урала».- Магнитогорск, 1997;
международном симпозиуме «Окружающая среда и здоровье». - Магнитогорск, 1998.
международной научной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали».- Челябинск, 1998, 2004;
международной научно-технической конференции "Совершенствование литейных процессов". - Екатеринбург, 1999;
научно-технической конференции "Теория и технология литейных сплавов". - Владимир, 1999;
международной научно-технической конференции " Прогрессивные технологии в машиностроении". - Одесса, 2000;
- международной научно-практической конференции "Пробле
мы и перспективы развития литейного производства". - Барнаул,
2000;
- научно-технической конференции «Прогрессивные литейные технологии». - Москва, 2001;
всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра». - Санкт-Петербург, 2004;
ежегодных научно-технических конференциях МГТУ. - Магнитогорск, 1998 - 2005;
семинаре кафедры «Электрометаллургия и литейное производство» МГТУ. - Магнитогорск, 2005;
объединенном научном семинаре кафедр химико-металлургического факультета МГТУ. - Магнитогорск, 2006.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 43 публикациях, в том числе в одной монографии и одном учебном пособии с грифом УМО.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка из 335 наименований и 6 приложений. Основное содержание изложено на 276 страницах машинописного текста и включает 70 рисунков и 28 таблиц.
