Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса. Постановка цели и задач исследования 8
1.1 Детали горно-обогатительного оборудования. Долговечность, стойкость и условия их эксплуатации 8
1.2 Состояние проблемы износостойкости грунтовых насосов 11
1.3 Влияние конструкции деталей насосов и рабочей среды на их износостойкость 15
1.4 Износостойкие чугуны, применяемые для отливок деталей насосов 20
1.5 Методы повышения технологических и служебных свойств белых чугунов 22
1.5.1 Легирование 23
1.5.2 Рафинирование и раскисление 24
1.5.3 Модифицирование 25
Глава 2 Методика проведения исследований. Оборудование и материалы. Анализ свойств износостойких чугунов 27
2.1 Шихтовые материалы и выплавка сплавов 27
2.2 Оборудование. Определение износостойкости, литейных свойств, металлографические исследования 27
2.3 Анализ износостойких чугунов 30
Глава 3 Совершенствование конструкций рабочих колес грунтовых насосов путем численного моделирования гидродинамики 47
3.1 Моделирование работы рабочего колеса и корпуса насоса 47
3.2 Результаты моделирования работы рабочего колеса и корпуса насоса 58
3.3 Изменение геометрии рабочего колеса и корпуса на основании результатов моделирования 62
Глава 4 Изучение взаимосвзяей химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости чугунов 68
4.1 Требования к высокохромистым чугунам для насосов 68
4.2 Анализ влияния легирующих элементов на свойства высокохромистых чугунов 68
4.3 Влияние механических свойств и структуры на износостойкость высокохромистых чугунов 79
4.4 Выбор химического состава 86
4.6 Исследование линейной усадки опытных сплавов 104
4.7 Оптимизация. Определение механических, специальных и литейных свойств 106
Глава 5 Опытно - промышленные испытания и внедрение в производство отливок из чугунанового химического состава 112
5.1 Изготовление отливок, исследование их структуры и свойств, промышленные испытания 112
5.2 Экономическая эффективность использования нового состава чугуна для изготовления отливок деталей насосов 116
Заключение 117
Список литературы 119
- Износостойкие чугуны, применяемые для отливок деталей насосов
- Оборудование. Определение износостойкости, литейных свойств, металлографические исследования
- Изменение геометрии рабочего колеса и корпуса на основании результатов моделирования
- Оптимизация. Определение механических, специальных и литейных свойств
Износостойкие чугуны, применяемые для отливок деталей насосов
Анализ работы насосов серии ПБ, ПС и ГР, работающих на ММК и УТОК, предназначенных для перекачивания грунтовых и рудных пород показал, что при их эксплуатации отмечается недостаточная долговечность элементов, в особенности рабочих колес. Обычно этот недостаток проявляется при переработке сильно абразивных пород. Так, например, в условиях работы УТОК рабочее колесо насоса серии ГР меняется каждые 5 суток, в условиях работы ММК срок службы подобных насосов - серии ГРАТ составляет 12 суток. В этой связи проблема повышения долговечности деталей грунтовых насосов, эксплуатируемых в тяжелых абразивных условиях, является актуальной
Большинство находящихся в эксплуатации насосов недостаточно отвечают требованиям оптимальной формы канала, обеспечивающего минимальный износ деталей в этих специфических условиях. Это можно объяснить сложностью получения экспериментальных данных, раскрывающих физическую сущность процесса движения сравнительно крупных абразивных частиц в канале насосов, а также трудоемкостью получения количественных зависимостей износа от конструктивных форм исполнения деталей.
Форма рабочих лопастей обычно определяется расчетами и позволяет определить размеры деталей проточного канала, обеспечивающие высокий коэффициент полезного действия (КПД) и высоту всасывания насоса. Вследствие абразивного изнашивания детали проточного канала насосов существенно изменяют свою геометрическую форму (рисунок 1.1). Так, например, перед профилактическим ремонтом часто можно видеть лопатки, изношенные на 30 - 40 % своей длины, и более. Естественно, насос с таким рабочим колесом значительно снижает свой напор и производительность.
Исследования показывают, что потеря первоначальной массы деталей на 25 - 30 % из-за абразивного изнашивания и вызывает потребность замены их новыми запасными частями [1]. Затраты, вызываемые изнашиванием, складываются не только из стоимости изношенных деталей, но и в значительной степени определяются производственными простоями оборудования. Кроме того, износ снижает энергетические показатели насосов. Так, по данным И. П. Будько, предельный износ грунтового насоса вызывает снижение напора на 10 - 15 %, а производительности по грунту на 30 % и более.
Как отечественные, так и зарубежные разработчики насосов давно исследуют влияние геометрии рабочих колес на степень и характер их износа с целью увеличения всасывающей способности насоса и повышения срока службы рабочих колес. Так, например, исследователи Всесоюзного треста «Гидромеханизация» Министерства энергетики и электрификации бывшего СССР совместно с кафедрой гидравлики МИСИ им. В. В. Куйбышева модернизировали крышку всасывающей стороны и рабочее колесо грунтового насоса 20 Р-11. Сущность модернизации состояла в увеличении всасывающего отверстия до 550 мм и толщины входных элементов лопастей со стороны заднего диска колеса, где наблюдается интенсивное их изнашивание (рисунок 1.3). Естественно полагать, что лопатки с повышенной толщиной входных кромок предусмотрены с целью увеличения срока службы рабочих колес при работе на гравийных грунтах.
Как показали исследования, долговечность рабочих колес при эксплуатации их на гравийных грунтах целесообразней повышать за счет увеличения не толщины, а длины лопаток путем расположения входных кромок последних ближе к оси насоса [2].
Проточный канал грунтовых насосов подвергается как равномерному, так и местному абразивному изнашиванию. Последнее является одной из основных причин сравнительно быстрого выхода из строя деталей насосов. Локальный износ возникает там, где поток изменяет свое направление, движется с большой относительной скоростью, проявляются зоны завихрений или возникают циркуляционные массы абразивной гидросмеси. Таким образом, с целью повышения срока службы насосов необходимо предусматривать такие формы их проточного канала, которые могли бы противостоять изнашиванию или снизить степень влияния этих факторов.
При разработке износостойких конструкций улиток необходимо снижать в них скорости гидросмеси, особенно в их расчетном сечении. Это связано с тем, что, величина абразивного изнашивания пропорциональна скорости потока гидросмеси в кубической степени.
В канале улитки возникают сравнительно большие циркуляционные массы потока гидросмеси. Эта циркуляция вызывает дополнительный износ улиток. Однако в силу конструктивных особенностей, заключающихся в необходимости пропуска крупных включений разрабатываемых пород, полностью предотвратить появление циркуляционного потока у насосов не удается, однако снизить его частично - возможно. Исследования показывают, что решение этой задачи может повысить срок службы улиток грунтовых насосов [4].
Рабочий процесс в проточных частях насосов характеризуется сложным трехмерным, а во многих случаях и нестационарным течением рабочего тела, обусловленным как характеристиками рабочего тела, так и конструкцией проточной части насоса, режимом его работы.
При проектировании насоса основной задачей является получение гидроди 15 намических характеристик потока рабочего тела, обеспечивающих удовлетворительную работу насоса во всем рабочем диапазоне. При этом необходимая напорная характеристика насоса должна достигаться при достаточно высоком КПД. Помимо КПД для рудных насосов важнейшей характеристикой является длительность службы рабочего колеса и корпуса насоса, так как они работают в условиях интенсивного абразивного износа.
Опыт эксплуатации насосов с различной геометрией проточной части показал, что она во многом определяет стойкость рабочих органов насоса. При разработке геометрии необходимо минимизировать гидродинамическое сопротивление при движении рабочего тела.
Оборудование. Определение износостойкости, литейных свойств, металлографические исследования
Марганец, увеличивает во времени превращение в перлитной области при одновременном понижении температуры мартенситного превращения. При большом содержании марганца возрастает доля остаточного аустенита и снижается количество карбидов. Износостойкость, твердость и прочность в исследованных чугунах снижается (рисунок 2.6).
При увеличении содержания никеля до 2%, происходит выделении карбидов из пересыщенного хромоникелевого аустенита, при этом твердость повышается (рисунок 2.7).
Дальнейший рост содержания никеля приводит к снижению свойств, это связано с увеличением в чугуне количества остаточного аустенита. При этом повышаются вязкость и пластичность сплавов, что благоприятно для износостойких деталей, претерпевающих ударные нагрузки.
Так как эти карбиды более крупные, они легче остальных типов карбидов выкрашиваются из матрицы при абразивном износе и снижают износостойкость [94].
Анализ содержания серы и фосфора показал, что, в этих чугунах при соответствующих концентрациях элементы особого влияния не имеют. Как сказано выше, БЛМЗ изготавливает отливки деталей насосов в основном из двух марок износостойких чугунов в таблице 2.4.
Зависимость износостойкости (а), прочности (б) и твердости (в) чугуна ИЧХ28Н2 от содержания никеля Для проведения статистического анализа были исследованы составы, выплавленные в период с 2013 по 2014 год. Свойства и химический состав и этих чугунов приведены в приложении таблицы П1-ГТ2, химический состав чугунов определяли на спектрометре «Спектромакс». По этим данным строились гистограммы распределения элементов (рисунок 2.8 - 2.20). Для анализа влияния элементов в плавках чугуна на основные механические свойства и износостойкость на гистограммы были наложены графики влияния элементов на свойства.
В большинстве плавок содержание элементов в чугуне находится в более широких пределах, чем регламентировано ТУ-06-1484-87 и ГОСТ 11849-79. Варьирование концентраций легирующих элементов в таких широких пределах приводит к обширному диапазону изменения структурных составляющих. Так, например, ощутимо меняется количество аустенита, перлита, феррита в матрице. При содержании Сг 28 % и С 3,2 % в структуре появляется заэвтектические карбиды (Те,Сг)2зСб, а также карбиды (Fe,Cr)7C3, что явно снижает свойства. Аналогично действуют ледебурит и цементит, они появляются при низких содержаниях углерода ( 1,7 %) и хрома ( 16 %), что приводит к снижению износостойкости и основных механических свойств, и снижает эксплуатационную стойкость деталей насосов.
Результаты исследований показали, что необходимо снизить в чугуне марки ИЧХ28Н2 содержание кремния и марганца ниже марочного состава, так как они отрицательно влияют практически на все свойства. Их содержание не должно превышать 0,4 % для каждого элемента. Но при этом появляется опасность ухудшения технологических свойств сплава (жидкотекучести, трещиноустойчивости, обрабатываемости), что подтверждается имеющимися данными [12, 15, 19].
Таким образом, полученные результаты еще раз подтвердили необходимость замены чугуна марки ИЧХ28Н2 и ИЧ300Х18ГЗ на другой чугун, который обеспечит получение стабильных характеристик структуры и свойств деталей насосов в рабочих условиях.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: В большинстве плавок содержание элементов находится в более широких диапазонах, чем заявлено в технической документации, это приводит к получению худшей структуры в отливках, которая уменьшает рабочий ресурс деталей насосов. Установлено, что наиболее длительный ресурс работы наблюдается у отливок деталей насосов, которые были изготовлены из чугунов, обладающих фер-ритно-перлитной структурой с карбидами МС3 и М7С3, а также износостойкостью не ниже 7 ед., твердостью не ниже 600 ед. и прочностью не ниже 550 МПа.
Получены математические зависимости, описывающие влияние химических элементов на механические свойства и износостойкость чугунов марок ИЧХ28Н2, ИЧ300Х18ГЗ, которые позволили получить пределы содержания легирующих элементов, обеспечивающих правильную структуру и нужный уровень свойств, а как следствие повысить эксплуатационную стойкость отливок деталей насосов. Регрессионный анализ влияния химического состава чугуна марки ИЧ300Х18ГЗ показал, что изменение содержания легирующих элементов в пределах марочного состава не влияет на свойства чугуна.
Проанализировав влияние химических элементов в исследуемых чугунах, установили, что исчерпаны возможности улучшения их механических свойств, поэтому для повышения стойкости необходимо предложить новый легирующий комплекс.
Изменение геометрии рабочего колеса и корпуса на основании результатов моделирования
Кремний увеличивает температуру кристаллизации, препятствует переохлаждению, увеличивает интервал эвтектического превращения, уменьшает влияние скорости охлаждения [98, 104]. Это вызывает снижение свойств (рисунок 4.4).
Марганец во всех температурных зонах превращения стабилизирует аусте-нит. Прочность, твердость и износостойкость, при уменьшении количества карбидов и возрастании доли остаточного аустенита, снижаются (рисунок 4.4).
С ростом концентрации молибдена твердость и износостойкость повышаются, при содержании Мо более 0,8 %, а прочность достигает максимальных значений в интервале 1,3-1,8 % Мо (рисунок 4.4).
Молибден распределяется между карбидами Мо2С, М7С3 и твердым раствором. В чугунах с концентрацией Мо до 1,5 % половина его связана в карбид Мо2С, около одной четверти находится в аустените, остальная часть - в карбиде М7Сз- И лишь часть молибдена ( 0,2 %) находится в растворе [94,104]. Для существенного влияния этого мало. В связи с этим, при легировании необходимы добавки Мо до 3,0 % и выше. Но молибден в силу своей дороговизны и дефицитности использовать нецелесообразно, целесообразнее его использование в комплексе с Ті, V, Си, В.
Легирование титаном белых хромистых чугунов (рисунок 4.5), позволяет существенно повысить их свойства за счет образования самостоятельных карбидов ТІС с высокой микротвёрдостью (Н5о 30000 МПа). Титан положительно влияет на свойства в пределах от 0,3 до 0,5 %. Спад свойств при содержании Ті больше 0,5 % связан с повышением пористости, газонасыщением сплавов, снижением плотности. Зависимость износостойкости, прочности и твердости от содержания меди носит максимальный характер в диапазоне 0,3 - 0,5 % Си (рисунок 4.5). Падение свойств при содержании Си больше 0,5 % связано с появлением в структуре площадей, насыщенных медью и слабо сопротивляющихся воздействию абразивных частиц [38, 40].
Влияние бора, сурьмы, кальция на износостойкость (а), твердость (б) и прочность (в) чугунов Известно что, бор способствует получению мартенсита, повышает микротвердость и общую твердость, значительно увеличивает прокаливаемость, снижает технологическую температуру разливки сплавов, при неизменной жидкотеку-чести, а так же способствует образованию дисперсных упрочняющих частиц -гексаборидов, повышающих износостойкость [95, 104]. Содержании бора в интервале от 0,01 до 0,02 % значительно влияет на износостойкость (рисунок 4.6, а). Твердость и прочность чугунов незначительно повышаются при возрастании содержания этого элемента до 0,02 %, а затем снижаются (рисунок 4.6, б и в). При таком падении HRC, Ки, ав заметно увеличивается хрупкость сплава. Это уменьшает диспергирование микрообъемов в условиях абразивного изнашивания.
Аналогичное воздействие оказывает и сурьма. Максимальные значения свойств зафиксированы при содержании сурьмы в диапазоне 0,01-0,015 % (рисунок 4.6).
Сурьма, увеличивает количество эвтектики и измельчает ее, сдвигая эвтектическую точку в сторону меньшего содержания углерода [104]. Под воздействием оптимальных добавок сурьмы стабилизируется скорость кристаллизации ау-стенита, карбидной фазы - в высоколегированных и цементита в низколегированных чугунах [104, 118].
Кальций очищает расплав от серы, фосфора и газов, то есть оказывает рафинирующее действие. Добавки кальция способствуют росту износостойкости белых чугунов, а чрезмерные - снижают ее [104]. В исследованных чугунах рост всех свойств наблюдается при содержании Са более или равным 0,001 % (рисунок 4.6).
Из таблицы 4.5 и уравнений (4.4) - (4.6) видно, что наибольшее влияние оказывают Н и qK. В исследованных чугунах добиться оптимального сочетания прочности, износостойкости и твердости достигается при наличии в структуре 33 - 47 % карбидов (рисунок 4.7). Тип и количество карбидов определяются соотношением хрома и углерода. Наиболее максимальная износостойкость присуща эвтектическим чугунам с соотношением Сг/С = 3,5 - 10,0, в которых отсутствует карбиды типа М3С и М2зСб и образовываются карбиды типа М7Сз. При повышении микротвердости карбидов механическая устойчивость чугунов непрерывно возрастает (рисунок 4.8).
Высокое значение износостойкости определяется и металлической основой, в которой закреплены карбиды. Из анализа данных таблицы 4.5 и рисунка 4.7 видно, что сильное воздействие на свойства оказывает qa. Так как в наблюдаемых условиях абразивного изнашивания остаточный аустенит не стабилен, он снижает износостойкость исследованных чугунов. Остаточный аустенит, который наклёпывается при трении в условиях больших деформаций, превращается в мартенсит и может не снижать износостойкость белых чугунов [104]. Однако в ряде случаев наблюдается и падение износостойкости при превращении аустенита в мартенсит в результате возникновения растягивающих напряжений [101, 104].
Оказывает влияние на свойства белых чугунов, и микротвердость матрицы, с ее увеличением свойства возрастают (рисунок 4.8) [104].
При анализе влияния эксплуатационных свойств на износостойкость чугунов была выведена весьма характерная особенность: для одной механической характеристики всегда существует множество значений износостойкости [20, 98, 99]. Видимо каждая характеристика косвенно влияет на величину сопротивления износу, и чтобы выявить роль каждой характеристики был проведен анализ парных взаимосвязей (рисунок 4.9). Отдельно прочность и твердость различно влияют на величину сопротивления износу и совместное их влияние более ощутимо. При увеличении прочности и низких значениях твердости достигается высокая износостойкость и наоборот. Методом регрессионного анализа получили адекватную математическую зависимость износостойкости от твердости, прочности и от их совместного влияния:
Оптимизация. Определение механических, специальных и литейных свойств
Прослеживается связь влияния скорости охлаждения на количество и размер карбидов. При увеличении скорости затвердевания происходит измельчение карбидов титана и ниобия. Снижение скорости затвердевания (заливка в ПГФ) приводит к повышению объемной доли этих карбидов. Влияние объемной доли карбидов на свойства показано на рисунке 4.19. Увеличение доли карбидов приводит к повышению износостойкости, твердость при этом падает в следствии обезугле-раживания металлической основы.
Кроме карбидов титана и ниобия в исследуемых чугунах присутствуют карбиды хрома, количество которых гораздо больше (от 12 до 22 %), поэтому основное влияние на свойства будут оказывать именно карбиды хрома. Для определения влияния характеристик карбидов хрома на свойства чугуна были построены зависимости, представленные на рисунках 4.19- 4.21.
С увеличением микротвердости карбидов хрома и их количества износостойкость повышается. Также на свойства оказывает влияние и межкарбидное расстояние. С сокращением его износостойкость повышается за счет того, что абразивные частицы при износе больше контактируют с карбидами, чем с мягкой металлической основой.
Четкого влияния скорости охлаждения на количество карбидов хрома не прослеживается, но размер карбидов с увеличением скорости охлаждения уменьшается (таблица 4.10). При этом они в основном располагаются в эвтектике. Со снижением скорости охлаждения появляются крупные первичные карбиды хрома (рисунок 4.22).
При проектировании технологии изготовления отливок из износостойких чугу-нов возникают определенные сложности из-за низкой теплопроводности, пластичности, высокой усадки, склонности к образованию холодных и горячих трещин, поэтому необходимо знать их литейные свойства. Для этого определили свободную линейную усадку опытных чугунов (таблица 4.16).
Хром оказывает наибольшее влияние на усадку. При повышении его содержания величина линейной усадки снижается за счет увеличения объемной доли карбидов. Ниобий и бор также влияют на усадку чугунов за счет изменения объемной доли дендритов аустенита, морфологии и количества карбидной фазы.
На рисунке 4.23 представлена кинетика начальных участков процесса линейной усадки чугунов, по которой видно, что перлитное расширение происходит лишь в сплавах № 1, 3 и 8.
Под действием напряжений в исследуемых чугунах возникают горячие трещины, которые развиваются в процессе усадки в начальный период затвердевания (рисунок 4.23). Проанализировав тенденции видно, что наибольшую склонность к трещинам имеют составы № 1,6, 7, из-за усиления скорости усадки происходит нарастание внутренних напряжений, это неблагоприятно влияет на трещино-устойчивость чугуна.
Поэтому при проектировании технологии формы и конструировании литых деталей из данных чугунов, необходимо добиться минимального затруднения усадки и выравнивания температур в различных сечениях отливки.
Для оптимизации состава чугуна использовали математические модели (зависимости износостойкости от химического состава), полученные по результатам ДФЭ и коэффициенты влияния. Оптимизацию химических составов вели по наибольшему значению износостойкости. Оптимизированные составы их свойства и структурные характеристики оптимизированных чугунов приведены в таблицах 4.17-4.20.
Для повышения износостойкости, а соответственно и стойкости отливок, было принято решение повысить содержание углерода до 2,2-2,6 % и хрома до 20 - 25 %. Именно углерод и хром являются главными регуляторами количества карбидной фазы, а она определяет износостойкость чугуна. Для выплавки сплавов на БЛМЗ используют отходы собственного производства и отработанные детали из чугуна ИЧХ28Н2, поэтому в состав сплава попадает никель. Его содержание не превышает 1% и не снижает при этом свойств чугуна. Поэтому в состав сплава был введен никель.
Микроструктура чугуна состоит из аустенита и продуктов его распада, которые с карбидами хрома образуют хромистую эвтектику микротвердостью от 700 до 965,4 ед. по Виккерсу. В зависимости от того, на каком уровне находится содержания углерода и хрома, количество аустенита в структуре меняется от 11 до 32 %, а его твердость от 472,9 до 637,6 ед. по Виккерсу. Также меняются и размеры дендритов аустенита.
Количество карбидов хрома в структуре изменяется от 20,2 до 28,8 %, причем изменение их количества сильно влияет на свойства. С увеличением объемной доли карбидов твердость увеличивается с 47 до 51 ед. по Роквеллу, а коэффициент относительной износостойкости от 6,1 до 8,5. Средний размер карбидов хрома составляет 4,63 - 5,20 мкм, при этом межчастичное расстояние между ними меняется от 11,0 до 14,2 мкм. Увеличение межчастичного расстояния и снижения объемной доли карбидов приводит к падению износостойкости чугуна.
Присутствие в чугуне самостоятельных карбидов титана и ниобия благоприятно сказывается на износостойкости, так как микротвердость их карбидов достигает 2750 ед. по Виккерсу.
Показано влияние химического состава на величину линейной усадки и получен ряд влияния легирующих элементов на неё. Установлено, что линейная усадка данных чугунов определяется в основном содержанием хрома, который формирует основную массу карбидов. Определенны весовые коэффициенты влияния элементов на структуру и свойства, разработан новый состав чугуна, мае. %: 2,2-2,6 С; 0,2-0,5 Мп; 0,2-0,5 Si; 20-26 Сг; 0,2-0,5 Ті; 0,3-0,6 № ; 0,01-0,03 В. Твердость данного чугуна 52 ед., износостойкость 8,5 ед., предел прочности на разрыв 522 МПа. Стойкость отливок деталей насосов из нового состава чугуна на 30% выше, чем отливок из чугуна ИЧХ28Н2, а механическая обработка занимает более 2-х раз меньше времени.