Введение к работе
Актуальность работы. Мировое годовое потребление стального проката неуклонно растет, причем в условиях жесточайшей конкуренции главное внимание уделяется качеству производимого металла. Прокатные валки являются главным инструментом, обеспечивающим не только собственно процесс прокатки, но и необходимое качество прокатанного металла. Эти валки, независимо из какого материала они изготовлены, должны обладать высокими эксплуатационными свойствами, которые в основном определяются их твердостью, прочностью и термостойкостью.
Метод центробежного литья до последнего времени не был востребован отечественными вальцелитейными заводами для производства прокатных валков ввиду отсутствия теоретических и экспериментальных данных по использованию разнородных по химическому составу металлов для получения массивных композиционных отливок, обладающих необходимыми свойствами.
За последние годы ситуация изменилось. Так на ЗАО «Механоре-монтный комплекс» (ЗАО «МРК») ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК») появились две центробежные машины для отливки как листовых, так и сортовых валков. Технологические возможности центробежного литья еще мало изучены, в связи с этим брак при освоении производства центробежнолитых сортовых валков на ЗАО «МРК» довольно высок. Поэтому совершенствование технологии изготовления валков является актуальной задачей.
Целью работы является разработка рациональных технологических и температурно-временных режимов литья и совершенствование существующей на ЗАО «МРК» технологии производства биметаллических чугунных листовых и сортовых центробежнолитых прокатных валков.
Задачи исследования:
Сравнить существующие на ЗАО «МРК» две технологии производства прокатных валков, выявить их достоинства и недостатки.
При помощи компьютерного моделирования определить степень и характер влияния технологических, температурных параметров литья рабочего слоя и сердцевины на получение качественных центробежнолитых валков.
3.Проверить адекватность выполненных расчетов.
4, Разработать новые технологические режимы литья и на их основе усовершенствовать существующую на ЗАО «МРК» технологию центробежного литья чугунных биметаллических прокатных валков.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
(
Впервые проведено трехмерное компьютерное моделирование гидродинамических, тепловых и усадочных процессов при литье прокатных валков по традиционной технологии стационарной заливки и по технологии отливки рабочего слоя валка на горизонтальной центробежной машине и затем, заливки металла сердцевины в форму, извлеченную из центробежной машины и установленную в кессоне вертикально. Получены новые данные о влиянии технологических и температурно-скоростных параметров литья на среднюю скорость затвердевания металлов рабочего слоя и сердцевины валка и на образование бездефектной переходной зоны между слоями.
По результатам моделирования и экспериментальных исследований рассчитаны новые температурно-скоростные режимы литья для получения центробежнолитого рабочего слоя валка с плотной мелкозернистой микроструктурой, включениями графита 5...7 балла (ВГф1, ВГр1...ВГр2, ВГ70...ВГ85), и минимальным снижением твердости по глубине бочки (2...3 ед по Шору).
Определены температурно-скоростные режимы литья сердцевины валка, позволяющие достичь полноценного сваривания двух металлов (рабочего слоя и сердцевины), отличающиеся тем, что учитывается температура внутренней поверхности центробежнолитого рабочего слоя, соотношение масс заливаемых металлов и отношение радиуса осевого канала валка к толщине его рабочего слоя.
Обоснована возможность и установлена эффективность применения наружных холодильников - стальных бандажных колец, установленных в тело форм шеек отливки в местах формирования тепловых узлов кристаллизации, что обеспечило получение качественных центро-бежнолитых сортовых валков с повышенной глубиной рабочего слоя.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
Рассчитаны технологические и температурные режимы центробежного литья двухслойных прокатных валков. На их основе усовершенствована технология производства центробежнолитых биметаллических сортовых валков на ЗАО «МРК». В результате чего в 2008 году достигнуто снижение уровня брака при литье сортовых валков более чем на треть.
Разработана технология обработки флюсом металла рабочего слоя при литье сортовых валков, обеспечивающая полное покрытие флюсом внутренней поверхности бочки во время ее затвердевания и удаление определенной части флюса после остановки вращения для обеспечения полноценного сваривания двух металлов.
3.Разработаны и внедрены в производство новые технологические режимы литья листовых валков, позволившие увеличивать срок службы кокилей на 20...30 % без потери качества отливаемых валков.
4. Разработана технология литья сортовых прокатных валков с глубиной рабочего слоя 120...140 мм, предполагающая установку в тело формы наружных холодильников для повышения средней скорости затвердевания металла в тепловых узлах кристаллизации на 6...8 % до средней скорости затвердевания металла бочки валка. Это позволило значительно снизить брак по некачественному свариванию металлов рабочего слоя и сердцевины при литье сортовых валков с повышенной глубиной рабочего слоя.
Экономический эффект от внедрения результатов работы на ЗАО «МРК» за 2008 год составил 7,5 млн. руб.
Апробация работы и публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 статей и 1 свидетельство о регистрации разработки в отраслевом фонде алгоритмов и программ. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на VII, VIII, IX международной научно-технической конференции молодых специалистов (Магнитогорск, 2007, 2008, 2009 г), на конференции «Творческое наследие Б.И. Китаєва» (Екатеринбург, 2009 г), на IX съезде литейщиков России (Уфа, 2009 г). По результатам работы был получен грант Правительства Челябинской области в конкурсе грантов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Челябинской области (Челябинск: «ЮУрГУ», 2007, 2008 г).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 122 наименований и содержит 132 страницы машинописного текста, 56 рисунков, 9 таблиц.
