Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что к основным видам обработки металлических расплавов в условиях литейного производства относят такие важные технологические процессы, как: рафинирование, модифицирование, доводка по составу и свойствам, подавление отрицательной наследственности, гомогенизацию по свойствам и температуре и др. Определяющее значение во всех перечисленных операциях имеет интенсивность перемешивания жидкого расплава, которая влияет на конечные свойства обрабатываемого металла. Из всех известных и применяемых способов перемешивания одним из наиболее эффективных является продувка газом.
Исследованиями процесса продувки металлических расплавов, применяемых для изготовления отливок, занимались как отечественные (Героцкий В.А., Доброхотов Н.Н., Рыжиков А.А., Сидоренко М.Ф., Филиппов С.И., Явойский В.И. и др.), так и зарубежные (О. Хайда, Д. Дж. К. Робертсон, Р.И.Л. Гутри, Дж. Г. Мередит и др.) ученые.
Однако нерешенные вопросы все же остались. Среди них - непосредственно касающиеся действующего производства, сдерживающие широкое внедрение процесса в литейных цехах промышленных предприятий:
отсутствие надежных теоретической базы и расчетных методик параметров процесса, вынуждающее каждый раз накапливать и анализировать большие массивы экспериментальных данных;
зависимость параметров дутья от специфики конкретной литейно- металлургической технологии, что особенно проявляется применительно к обработке расплава в ограниченных малых объемах;
сложности выбора вариантов технических схем реализации процесса для решения различных задач обработки металлических расплавов.
Еще в 70-х гг прошлого века в г. Горьком группой ученых под руководством профессора А.А. Рыжикова был проведен целый комплекс исследований по одному из вариантов газовой продувки металлических расплавов, а именно, ковшевой (емкостью 0,8-3,0 т) продувке жидкого чугуна сжатым воздухом. Позднее этой проблемой занимались и другие представители Нижегородской школы литейщиков: Бейлинсон К.К., Ермилин А.С., Зиновьев Ю.А. и др. Настоящая работа продолжает эти исследования и направлена на решение актуальной проблемы повышения управляемости процесса продувки жидкого чугуна сжатым воздухом для обеспечения стабильности производственной технологии изготовления и качества чугунных отливок на основе совершенствования известных и разработки новых технических схем этого процесса. Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Министерства образования и науки РФ (2008-2011 гг.), а также в рамках договоров с рядом предприятий Волго-Вятского региона и была поддержана грантом ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
Цель диссертации - разработка новых эффективных технических схем внепечной продувки жидкого чугуна сжатым воздухом, обеспечивающих стабильность технологии изготовления и высокое качество получаемых отливок в условиях действующего производства.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Выявление управляемых параметров продувки сжатым воздухом (ПСВ) жидкого чугуна в ограниченных малых объемах.
-
-
Определение критерия эффективности влияния ПСВ на полноту и качество проведения внепечной обработки расплава и, как следствие, на конечные свойства материала и качество чугунных отливок.
-
Экспериментально-теоретическое определение оптимальных параметров продувки жидкого чугуна сжатым воздухом.
-
Совершенствование технических схем продувки расплавов сжатым воздухом.
-
Выработка практических рекомендаций по выбору технической схемы ПСВ для конкретной литейно-металлургической технологии внепечной обработки чугуна.
-
Разработка и практическое освоение эффективных технологий внепечной обработки металлических расплавов с использованием ПСВ, обеспечивающих высокое и стабильное качество чугунного литья.
Объектом исследования является процесс внепечной продувки жидкого чугуна сжатым воздухом в рамках технологии изготовления фасонных отливок.
Предмет исследования - технические схемы реализации данного процесса и их влияние на качество получаемых отливок.
Методы исследования
Экспериментальные: оптическая микроскопия (макро- и микроанализ) на микроскопах Zeiss с применением цифрового фотографирования; механические испытания (универсальная разрывная машина (определение временного сопротивления на разрыв ав и относительного удлинения 8), Бринелль (твердомер ТБ 5006); ультразвуковое диагностирование (USN-52, фирма Крауткремер, Германия); физическое моделирование (установка для физического моделирования на воде ковшевой обработки металлических расплавов (КН-89).
Аналитические: оценка микроструктур с использованием компьютерной программы «Siams-photolab» (фирма Siams, Россия) в соответствии с ГОСТ 3443-89, математическая обработка результатов экспериментов в среде MS Excel.
Научная новизна работы
-
-
-
Определены управляемые параметры ПСВ металлических расплавов в ограниченных малых объемах.
-
Получено критериальное выражение для оценки эффективности обработки металлических расплавов ПСВ.
-
Предложена классификация реагентов в металлическом расплаве, которая обеспечивает эффективные прогнозирование результатов и разработку процессов внепечной обработки.
Практическая значимость работы
-
-
-
-
Разработаны и внедрены новые технические схемы ПСВ и практические рекомендации по их выбору для конкретной литейно-металлургической технологии внепечной обработки чугуна, позволяющие получить модифицирующий, рафинирующий и гомогенизирующий эффекты.
-
Разработана технология ковшевого науглероживания комбинированием засыпки гранул карбюризатора на зеркало металла с ПСВ, показавшая свою эффективность при выплавке синтетического чугуна в условиях литейного производства.
-
Разработана технология ковшевой обработки чугуна углеродсодержащими материалами, ввода лигатур и модификаторов с использованием ПСВ при получении отливок из высокопрочного чугуна;
4. Разработана технология поздней обработки чугунного расплава с использованием ПСВ в промежуточной емкости (литниковые чаши) при изготовлении отливок из высокопрочного чугуна.
Личный вклад автора состоит в:
постановке задач исследования;
построении физических и математических моделей обработки металла при ПСВ;
проведении экспериментов по определению оптимальных параметров продувки сжатым воздухом при выплавке чугунов для фасонных отливок;
обработке и анализе полученных результатов;
выработке практических рекомендаций по выбору технической схемы ПСВ для конкретной литейно-металлургической технологии внепечной обработки чугуна;
организации опытно-промышленных испытаний и внедрении разработок в условиях действующего производства.
Основные положения, выносимые на защиту:
Принципиальная возможность применения эффективной внепечной обработки металлических расплавов с использованием ПСВ для обеспечения качества чугунных отливок.
Классификация реагентов в металлическом расплаве, позволяющая производить выбор режима обработки в зависимости от конечной цели.
Критерий эффективности воздействия ПСВ на металлический расплав.
Технические схемы продувки для обеспечения высокой управляемости и эффективности процессов обработки расплавов при получении чугунных отливок.
Практические рекомендации по выбору технической схемы ПСВ для конкретной литейно-металлургической технологии внепечной обработки чугуна.
Технологии внепечной обработки чугуна с использованием ПСВ, обеспечивающие высокое качество литья.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на четырех конференциях всероссийского и регионального уровней: 9-м Съезде литейщиков России (г. Уфа, 2009г.), Всероссийской молодежной научно-технической конференции Авто-НН-2009 (г. Н. Новгород, 2009г.), 14-ой Нижегородской сессии молодых ученых (г. Н. Новгород, 2009г.), Межрегиональной научно-технической конференции «Заготовительные производства предприятий Волго-Вятского региона» (г. Н. Новгород, 2010г.). Работа вошла в число победителей открытого Конкурса грантов ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей, в том числе три в рецензируемых научных журналах, входящих в список рекомендованных ВАК Минобразования РФ. Получено два патента на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Текст изложен на 1 62 страницах компьютерного набора и содержит 32 таблицы, 35 рисунков. Список литературы состоит из 132 наименований. В приложении имеется акт промышленного внедрения.
Похожие диссертации на Совершенствование и практическое освоение внепечной продувки металлического расплава сжатым воздухом для обеспечения качества чугунных отливок
-
-
-
-
-
-
