Содержание к диссертации
Введение
1 Дефекты слитка и его напряженное состояние . 11
1.1 Кристаллизация и строение крупных кузнечных слитков 11
1.2 Напряженное состояние в литом металле и формирование трещин 14
1.2.1 Горячие трещины 15
1.2.2 Холодные трещины 19
1.3 Дефекты крупных кузнечных слитков 21
1.3.1 Поверхностные трещины - продольные и поперечные 21
1.3.2 Осевые трещины 22
1.3.3 Дугообразные трещины 23
1.3.4 Химическая неоднородность 24
1.4 Образование дендритной структуры 24
1.5 Влияние изложницы на процесс кристаллизации 25
1.6 Влияние температуры жидкой стали 26
1.7 Влияние скорости разливки 27
1.8 Влияние химического состава стали 28
1.9 Влияние растворенных в стали газов 29
1.10 Существующие в настоящее время модели кристаллизации слитка 29
1.11 Заключение 31
2 Моделирование кристаллизации и напряженного состояния слитка 34
2.1 Программа Krisli 34
2.2 Разработка математической модели кристаллизации слитка 35
2.3 Факторы, влияющие на образование трещин в слитках 37
2.4 Описание комплекса математических моделей Crystal 39
2.4.1 Модель тепловых процессов 39
2.4.2 Модель формирования структурных зон 41
2.4.3 Модель давлений и плотности металла 41
2.4.4 Модель напряженного состояния материала 43
2.4.5 Оценка жесткости НС 45
2.5 Анализ напряженного состояния слитка 46
2.6 Интегральный критерий дефектообразования 52
2.7 Методика работы с комплексом Crystal 55
2.8 Заключение 59
3 Сравнение расчетных и экспериментальных данных исследования структуры и дефектов кузнечных слитков 61
3.1 Методика исследования слитков 61
3.2 Расчет и анализ слитка 24,2т стали 38ХНЗМФА (№1) 68
3.3 Расчет и анализ слитка 24,2т стали 38ХНЗМФА, отлитого с инокуляцией струи расплава (№2) 76
3.4 Расчет и анализ слитка 22,5т стали 38ХНЗМФА, отлитого с применением специального поддона (№3) 81
3.5 Обобщение результатов по трем слиткам 87
3.6 Заключение 88
4 Моделирование кристаллизации слитков с различными геометрическими и технологическими параметрами 90
4.1 Начальные условия для моделирования. Их влияние на процесс кристаллизации и образование дефектов в слитке 90
4.2 Описание объектов исследования 92
4.3 Слитки с разной температурой разливки 93
4.4 Слитки с разным отношением высоты к диаметру (H/D) 94
4.4.1 Бесприбыльные слитки... 94
4.4.2 Прибыльные слитки 96
4.5 Слитки с разной конусностью 97
4.5.1 Бесприбыльные слитки 97
4.5.2 Прибыльные слитки 98
4.5.3 Бесприбыльные слитки с обратной конусностью 99
4.6 Слитки из разных марок сталей 101
4.7 Слитки с различным объемом прибыли 102
4.8 Слитки разного развеса 103
4.9 Разная теплопроводность литейной оснастки 104
4.9.1 Разная теплоотдача от зеркала металла 104
4.9.2 Разная теплоотдача от стенок прибыли 105
4.9.3 Разная теплоотдача от стенок изложницы 105
4.9.4 Разная теплоотдача в поддон 106
4.10 Один и тот же слиток в разные моменты времени 106
4.11 Заключение 109
5 Оптимизация геометрии слитка с целью получения бездефектной поковки 110
5.1 Система автоматизированного проектирования «Выбор слитка» 110
5.2 Применение САПР «Выбор слитка» во взаимодействии с комплексом Crystal 111
5.3 Управление геометрическими параметрами слитка с целью его оптимизации 116
5.3.1 Управление высотой расположения дугообразных трещин 116
5.3.2 Выбор слитка с учетом размеров дефектных зон 118
5.4 Изготовление и макроконтроль поковок с прямой и обратной ориентацией в слитке 120
5.5 Заключение 123
Выводы 125
Список использованной литературы 127
Приложение
- Напряженное состояние в литом металле и формирование трещин
- Факторы, влияющие на образование трещин в слитках
- Расчет и анализ слитка 24,2т стали 38ХНЗМФА, отлитого с инокуляцией струи расплава (№2)
- Слитки с разным отношением высоты к диаметру (H/D)
Введение к работе
Развитие современной техники предъявляет все более высокие требования к качеству и свойствам металлических изделий. В металлургической практике кристаллизация является одним из основных и ответственных этапов в технологической цепи получения изделия из сталей и сплавов.
Высокое качество поковок, отсутствие металлургических дефектов, равномерность физико-механических свойств по сечениго и высокий выход годного могут быть получены только при условии достаточного качества исходного слитка. К показателям качества относятся в первую очередь отсутствие внутренних и поверхностных дефектов, минимальная химическая неоднородность, достаточная плотность металла по сечению слитка, малое количество скоплений вредных примесей, низкое содержание газов и неметаллических включений. Возможности улучшения качества слитка можно разделить на следующие группы:
1) улучшение качества жидкой стали, поступающей на разливку;
2) выбор оптимальных технологических параметров разливки, таких как температура, скорость разливки и т.д.;
3) выбор рациональной оснастки;
4) ускорение процесса кристаллизации путем ввода микрохолодильников;
5) применение внешних воздействий в течение кристаллизации слитка;
Кристаллизация крупных кузнечных слитков часто сопровождается появлением внутренних трещин в осевой зоне, которые негативным образом сказываются на дефектности металла готового изделия.
Известно, что в стальном слитке, особенно с высоким отношением высоты к диаметру (H/D), в осевой зоне образуется рыхлость (физическая неоднородность). Рыхлость в готовом изделии приводит к браку. Определение размеров физической неоднородности обычно производят с помощью ультразвукового контроля. Дефектность поковки напрямую зависит от дефектно сти слитка. Поэтому очень важно, чтобы дефекты слитка не перешли в поковку. Это возможно осуществить несколькими способами:
1. Если изделие, получаемое из этого слитка, имеет осевое отверстие, то осевая рыхлость может удалиться в отход при прошивке отверстия на этапе ковки или последующего сверления полуфабриката;
2. Известно, что с увеличением массы слитков усиливается развитие осевой рыхлости в их теле, а устранение ее с увеличением диаметра при пластической обработке усложняется. При кузнечной операции протяжка осевая рыхлость может быть закована, если будут соблюдены определенные условия - достаточная величина укова, благоприятная температура ковки.
При выборе слитка для получения конкретной поковки, либо при проектировании нового слитка, необходимо определить, будет ли осевая неоднородность закована или нет? Для этого необходимо знать характер осевой рыхлости, ее размеры, глубину проникновения в слиток. Измерить эти параметры можно только разрушающим методом - разрезать слиток. Теоретический расчет этих параметров позволяет этого избежать. Однако, здесь важна точность такого расчета.
В связи с этим, прогнозирование дефектных зон в крупном слитке, особенно ответственного назначения массой 20 — 145 тонн и более, является актуальной задачей в металлургическом машиностроении.
На прочность и долговечность агрегатов оказывают существенные влияния напряжения, возникающие в отдельных деталях. Известны случаи, когда они вызывали разрушение различных сооружений и машин. Появление внутренних трещин во многом зависит от температурных и усадочных напряжений. Оценка жесткости напряженного состояния (НС) в сочетании с анализом характерных зон слитка с использованием методов математического моделирования может служить основой для прогнозирования расположения и размеров дефектных зон.
Целью работы являлось повышение физической однородности металла кузнечных слитков на основе экспериментального выявления и компью терного моделирования их характерных зон, напряженного состояния и де-фектообразования в процессе кристаллизации.
Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и двух приложений. Основные результаты сформулированы в виде выводов. Работа содержит 134 страницы текста, 51 рисунок, 6 таблиц и 2 приложения. Список использованной литературы содержит 106 источников.
В первой главе изложен механизм кристаллизации слитка и образования дефектов с позиции его напряженного состояния. Рассмотрено состояние этого вопроса, обоснована его актуальность и поставлены задачи исследования.
Во второй главе описан комплекс математических моделей Crystal и методика работы с ним. Комплекс осуществляет расчет кристаллических зон, напряженного состояния и дефектов кузнечного слитка. Описана новая, ранее неизвестная зона слитка, расположенная в нижней части конуса осаждения.
В третьей главе произведено сравнение экспериментальных исследований кристаллических зон и дефектов трех крупных кузнечных слитков с расчетными данными, полученными моделированием в Crystal. Показано, что достигнуто близкое соответствие экспериментальных и расчетных данных.
В четвертой главе приведены результаты исследования количественного влияния различных факторов на образование структурных и дефектных зон слитков, а также на его НС: температура разливки, отношение высоты к диаметру, конусность, химический состав стали, относительный объем прибыли, масса слитка, теплопроводность литейной оснастки. Эти результаты объяснены с позиции современных представлений о формировании слитка.
В пятой главе даны методы управления геометрическими параметрами слитка с целью уменьшить размеры его дефектных зон, снизить вероятность брака и сократить потери металла при производстве готового изделия. С целью автоматизировать этот процесс разработана САПР «Выбор слитка». Данная САПР взаимодействует с комплексом Crystal и позволяет осущест вить выбор оптимального слитка под конкретное изделие.
Экспериментальная часть работы выполнена с применением методов оптической и растровой микроскопии OLYMPUS ВХ21, NEOPHOT NU2/E, MSM-2 и использовании новых оригинальных методик с использованием компьютерных систем - определения параметров дендритной структуры (программа МГП), моделирования процесса кристаллизации слитка с учетом его напряженного состояния и дефектообразования (Crystal), выбора оптимального слитка для заданной поковки (САПР «Выбор слитка»).
Научная новизна работы состоит в разработке методики расчета и оптимизации величины внутренних дефектов слитка, а также в установлении количественного влияния параметров оснастки и технологических факторов разливки на структурные и дефектные зоны.
Показано, что дефектность осевой зоны слитка зависит от пяти основных параметров: интенсивности напряжений o"j, градиента температур G, жесткости напряженного состояния и.а, у, давления р, возникающего в ходе протекания жидкого металла сквозь пористую среду в двухфазной зоне. Обосновано, что этих пяти параметров достаточно для расчета зон залегания внутренних дефектов при кристаллизации слитка, В качестве интегрального критерия дефектообразования предложена формула, увязывающая воедино влияние этих параметров на распределение физической неоднородности. Эта формула использована в комплексе математических моделей кристаллизации, позволяющем осуществлять прогноз расположения дефектных зон слитка.
С использованием данного комплекса моделей, базирующихся на методе конечных разностей, впервые рассчитано расположение внутренних дефектов в кузнечных слитках различной геометрии и отлитых при разных условиях разливки.
Впервые проведен сопоставительный анализ структурных зон 30-ти реальных, разрушенных вдоль оси слитков массой 1,7 - 125 т с расчетными данными, полученными моделированием и достигнута их сходимость, что подтвердило достоверность разработанного интегрального критерия.
Разработанный комплекс позволил получить зависимости распределения структурных и дефектных зон слитка от таких параметров, как температура разливки, отношение высоты к диаметру и конусность изложницы, химический состав стали, объем прибыли, масса слитка, теплопроводность литейной оснастки, время после заливки. Данные зависимости используются в разработанной автором системе автоматизированного проектирования «Выбор слитка», с помощью которой решена задача выбора оптимального слитка для заданного пользователем изделия. Критериями оптимизации являются максимальный выход годного металла в поковку и минимальная трудоемкость ковки. «Выбор слитка» оптимизирует геометрию слитка для минимизации дефектных зон и исключения слитков, не обеспечивающих заковывание или удаление из поковок осевых дефектов.
Впервые показано, что качество поковки типа ступенчатого вала с разноразмерными цапфами зависит от ее ориентации в слитке из-за зоны дугообразных трещин, находящихся в нижней трети слитка. Обосновано, что большая цапфа поковки должна коваться из нижней части слитка, т.к. в таком случае зона дугообразных трещин слитка переходит на эту цапфу и заковывается.
Практическая ценность:
Для отдела главного металлурга на ФГУП ПО «Баррикады» разработана и внедрена система автоматизированного проектирования «Выбор слитка», позволяющая экономить 3 нормо-часа работы технолога по проектированию технологического процесса ковки одной заготовки. При этом обеспечивается требуемое качество изделия за счет использования полученного расчетом прогноза его структурной однородности по интегральному критерию дефектообразования. Экономический эффект разработок составил 1 188 320 рублей. Доля автора 25%.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3-х международных конференциях (Донецк, 2001 г., Волгоград, 2002 г., Те миртау, 2003 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2001+2004 гг.).
Диссертационная работа выполнена в рамках проекта Министерства промышленности, науки и технологии 6/354-03 «Разработка технологии производства металлургических заготовок повышенной однородности для изделий тяжелого машиностроения» (2003 г.) по распоряжению №3.900/41-68 от 26.03.2003.
Напряженное состояние в литом металле и формирование трещин
Любые построенные человеком агрегаты и конструкции испытывают на себе определенные нагрузки в течение эксплуатации. Каждая деталь имеет слабые места, в которых ее разрушение наиболее вероятно. Расчеты на прочность, позволяющие выявить эти места начали производить давно. Еще Леонардо да Винчи (XV - XVI века) при расчете деревянных конструкций заметил, что они обычно разрушаются в одних и тех же местах. Так появилось понятие концентрации напряжений [38].
На микроуровне металлический материал представляет собой упорядоченную кристаллическую решетку. В идеальном случае все узлы кристаллической решетки заняты атомами. Предел прочности такого материала (так называемая «теоретическая прочность») составляет огромную величину - десятки гигапаскалей [38]. Однако современными методами создать такой ма териал невозможно. Всегда есть множество нарушений однородности кристаллической решетки - начиная от дислокаций и заканчивая трещинами и неметаллическими включениями, видимыми невооруженным взглядом.
Трещины являются распространенным пороком стального слитка. Они появляются по различным причинам, из которых главные - наличие напряжений и ослабленных участков в слитке. Трещины могут образовываться как во время кристаллизации слитка, так и после его полного затвердевания.
Напряжения в отливках (активные и остаточные) вызывают отрицательные последствия. Активные напряжения, возникающие в процессе затвердевания и дальнейшего охлаждения, являются причиной образования горячих, холодных трещин и коробления, снижают механические свойства сплавов. Остаточные напряжения, суммируясь с термическими при нагреве под термообработку, или с рабочими, при эксплуатации, могут вызвать разрушение заготовок [39]. При хранении, транспортировке и эксплуатации происходит релаксация остаточных напряжений, приводящая к изменению геометрии изделия и появлению отклонений размеров, превышающих допускаемые. Температурный интервал образования трещин и вид излома - основные признаки, по которым трещины разделяют на горячие и холодные.
По принятой классификации холодные трещины характеризуются внутрикристаллическим изломом, горячие - межкристаллическим [29]. Холодные трещины образуются в области температур упругих деформаций; горячие - при высоких температурах, когда упругие деформации металла в области разрыва практически не возникают. О температуре образования горячих трещин в литературе существуют разные данные от 1200-1300С [3, 6, 28] до температур выше солидуса [69].
В большинстве случаев горячие трещины возникают в виде надрыва со стороны фронта кристаллизации и растут прерывисто. В ряде работ установлено, что горячие трещины могут быть заполнены (залечены) эвтектикой или вообще жидким металлом, кристаллизующимся в последнюю очередь. Это заполнение происходит под действием гидростатического давления и капиллярных сил. В залеченных участках металла могут возникать повторные надрывы. Выявление участков, обогащенных ликвирующими элементами в районе трещин, служит доказательством того, что трещина может быть классифицирована как горячая (кристаллизационная) [27].
Зарождению и развитию трещин способствует эффект адсорбционного понижения прочности. В основе этого явления лежит понижение свободной поверхностной энергии. На границе кристаллов с собственным расплавом эта энергия особенно низка, поэтому зарождение и развитие трещин по стыкам при наличии жидкой фазы облегчается, т. е. сплав охрупчивается жидкой фазой. Механизм зарождения межкристаллитных трещин прямыми экспериментами не установлен. Прямые наблюдения на специальной установке [47] показали, что трещины при затрудненной усадке появляются при температурах выше температуры солидус, что однозначно свидетельствует об их кристаллизационном происхождении. Возникающие трещины по мере охлаждения отливки развиваются в длину и ширину. Ширина трещины увеличивается непрерывно при охлаждении до комнатной температуры. Развитие же трещин в длину происходит вблизи температуры солидус. Процессу образования горячих трещин сопутствует процесс их залечивания.
Литейщиками давно замечено, что горячие трещины образуются в «теплых» местах отливки. Это связано с тем, что прочностные свойства сплавов сильно зависят от температуры и большая часть деформации (свободной усадки) реализуется в горячих местах. В результате напряжения и деформации в этих местах достигают предельных значений и появляются трещины либо происходит разрушение отливки.
Давно известно, что возникновение горячих трещин связано с напряжениями в слитке, которые вызываются сопротивлением, оказываемым из ложницеи или частью слитка во время его охлаждения, когда он уменьшается в размерах (претерпевает усадку). Наблюдения показывают также, что горячие трещины могут возникнуть и на поверхности, и внутри его, располагаться беспорядочно в разных направлениях и местах. Разрушение, вызванное трещиной, характеризуют как хрупкое и безусадочное [50]. В 1952 г. Пелли-ни [51] и его сотрудники создали пленочную теорию, согласно которой механизм образования горячих трещин - разделение в пленочной стадии затвердевания, существующей, когда температура приближается к солидусу, а жидкой фазы остается небольшое количество. Теория Пеллини резко отличается от ранее существовавшего общего мнения, что из-за хрупкого состояния твердого металла горячие трещины возникают после того, как затвердевание завершено.
По Беккиусу [50], горячие трещины возникают во время затвердевания. Однако процесс образования трещин, как это было установлено, несколько отличается оттого, что можно было бы ожидать на основе пленочной теории Пеллини. Современные представления о механизме образования горячих поверхностных трещин следующие [45, 50]. Прежде всего, затвердевает тонкая корка, которая по мере падения температуры стремится к усадке во всех направлениях, в то время как изложница разогревается и расширяется. Гидравлическим давлением жидкой стали корка прижимается к изложнице. Вначале корка проявляет вязко-пластичный характер деформации, так что трение между поверхностью изложницы и коркой не только препятствует усадке корки, но даже заставляет ее следовать расширению стенки изложницы. Поэтому корка будет деформироваться равномерно и без скольжения. Примером использования сил трения для рассредоточения деформаций может служить случай уменьшения брака при литье чугунных труб в изложницу с шероховатой стенкой по сравнению со шлифованной [52].
Факторы, влияющие на образование трещин в слитках
Чтобы результаты расчетов были наиболее достоверными, очень важно учесть как можно больше начальных условий, влияющих на процесс кристаллизации: физические свойства литейной оснастки, ее начальная температура, температура разливки, марка стали, ее литейные свойства, вредные примеси, время разливки, время от начала разливки до утепления зеркала металла, разливка в атмосфере или в вакууме, скорость зарождения центров кристаллизации, скорость осаждения кристаллов (по литературным данным она может быть в широких пределах, от 0,001 до 0,5 м/с, точно измерить ее практически невозможно). При моделировании напряженного состояния необходимо учесть прочностные и пластические свойства материала, их поведение при высокой температуре. Расчет должен учитывать концентрацию температурных напряжений.
Есть множество факторов, ответственных за появление трещин. Трещины могут быть из-за следующих причин: 1) подвисание слитка (подприбыльные поверхностные трещины); 2) заплески металла (трещины в нижней части слитка); 3) скопление неметаллических включений (поверхностные и внутренние трещины); 4) несоблюдение рекомендуемой температуры разливки, нарушение технологии ковки, несоблюдение температурного интервала ковки (продоль ные по всей поверхности); 5) повышенное содержание водорода в металле (флокены); 6) высокие внутренние напряжения, возникающие в процессе кристаллизации - один из самых важных факторов, среди этого множества. Характер распределения напряжений и их величины зависят, в свою очередь, от марки стали, начальной температуры расплава, геометрии слитка, теплофизических свойств литейной оснастки, тепловой работы прибыли и других факторов. Учесть абсолютно все факторы, влияющие на процесс затвердевания практически невозможно по следующим причинам: - сложно создать такую математическую модель; - время вычислений даже на самых современных компьютерах будет очень большим; - многие известные зависимости можно использовать в модели лишь качественно, а не количественно, это затрудняет получение правильного результата, требует определенной настройки, введения некоторых поправочных коэффициентов. Например, в литературе недостаточно информации о распределении по всему объему слитка таких величин, как твердость, плотность, содержание ликвирующих элементов, объемная доля и размер дендри-тов, распределение неметаллических включений, распределение механических свойств. - есть такие явления, влияние которых на кристаллизацию изучено, найдены определенные зависимости и закономерности, но наука не может до сих пор их полностью объяснить. Либо разные исследователи объясняют эти явления по-разному. Речь идет о таких явлениях, как горячие трещины, «шнуры» или «усы», подприбыльный «мост» и т.д.
В процессе расчета решается целый комплекс задач, необходимых для получения результата, изображенного на рисунке 2.3. Данный комплекс включает в себя многоуровневую адаптивную систему взаимосвязанных математических моделей тепловых процессов, структуры и НС твердого тела на всех этапах их формирования, определяемых эволюцией во времени температурного поля в ходе затвердевания жидкого металла.
Описание температурных полей (рисунок 2.3, б) .в ходе затвердевания слитка проводится на основе решения дифференциального уравнения теплопроводности при заданных условиях теплоотвода от слитка в изложницу, поддон, прибыльную надставку, окружающую среду, а также известных значениях теплоемкости и теплопроводности данной марки стали при текущей температуре. Решение ищется методом конечных разностей на сетке (рисунок 2.2), размерами примерно 100x500 клеток (размеры сетки зависят от геометрии слитка, в частности от его массы и H/D, т.к. ячейка сетки должна быть близка к квадратной). На основании температурного поля строится поле градиентов температуры (рисунок 2.3, в);
Задача рассматривается в осесимметричной постановке в цилиндрической системе координат: с описанными ниже начальными и граничными условиями вида [99, 100]. Данное дифференциальное уравнение в узлах сетки записывается как система линейных алгебраических уравнений. В формуле (2.1) и далее сир-удельная теплоемкость и плотность стали; Т - температура в данной точке; t - время от начала процесса; X - коэффициент теплопроводности. Формула (2.2) описывает граничное условие, описывающее передачу тепла из тела слитка в изложницу.
Расчет и анализ слитка 24,2т стали 38ХНЗМФА, отлитого с инокуляцией струи расплава (№2)
Этот слиток отличается от предыдущего технологией разливки (рисунок 3.1,6), [92]. Технология разливки с формированием инокуляторов в струе расплава была применена с целью уменьшить химическую неоднородность и дефектность осевой зоны за счет образования большего количества центров кристаллизации в объеме расплава. Фотография макроструктуры слитка №2, представлена на рисунке 3.13,а. В результате исследования макроструктуры слитка №1, используя такие параметры, как длина больших осей дендритов, угол наклона этих осей к горизонту и плотность дендритной структуры были определены следующие структурные и дефектные зоны (рисунок 3.13,6), [92]. В этом слитке присутствуют те же зоны, как и в слитке №1, с некоторыми отличиями - отсутствует зона дугообразных трещин. Это объясняется большей скоростью кристаллизации и другими факторами. Подробнее это изложено в работе [92]. Протяженность осевой зоны слитка №2 составляет 1520 мм, или 63% от высоты тела слитка, диаметр самой широкой части 160 мм — 14,5%) от диаметра слитка. В качестве исходных данных при моделировании слитка №2 принималось: - марка стали - 38ХНЗМФА; - зложница- 18/23; - поддон- 13-18; - прибыльная надставка - 24,2; - температура разливки - 1540С; - величина недолива - 200мм;
Кроме того, наличие инокуляции учитывалось путем увеличения на 10% скорости осаждения кристаллов. На рисунке 3.15 показаны результаты моделирования слитка №2. Оснастка для этого слитка изображена на рисунке 3.2, б, и отличается от слитка №1 применением нетрадиционного выпуклого поддона. Такая форма поддона была применена, чтобы уменьшить реальное H/D осевой зоны слитка без изменения остальных его параметров и добиться уплотнения осевой зоны и увеличения выхода годного [91]. Макроструктура слитка №3 показана на рисунке 3.18, а. Для защиты выпуклого поддона от размывания струей жидкого металла его поверхность покрывалась тонким слоем цирконовой пасты ЦБЖ-1 толщиной 1-Ї-1,5 мм, а также защищалась фанерной плитой толщиной 10 мм. В процессе отливки слитка с выпуклым поддоном был использован способ подачи аргона в струю под вакуумом с целью большей дестабилизации струи и снижения ее термомеханического воздействия на чугунный поддон. В результате исследования макроструктуры слитка №3 с использованием таких параметров как длина больших дендритных осей, угол наклона этих осей к горизонту и плотности дендритной структуры были определены структурные и дефектные зоны (рисунок 3.18, б), [91]. Здесь имеются все те же зоны, что и в слитке №1, но их форма и размеры отличаются от зон слитка №1. На рисунке 3.19 приведено распределение содержания углерода в слитке №3. Исходя из этого для данного слитка значение величины L (см. пункт 2.6) было принято равным 1,12. Замечено, что плотное ядро конуса осаждения (рисунок 3.20,з) в этом слитке имеет намного меньшие размеры, чем в 2-х предыдущих случаях. На рисунке 3.21 показано сопоставление зон, полученных в результате моделирования с зонами, выявленными путем металлографического анализа. Видно, что напряженное состояние этого слитка, несмотря на измененную геометрию донной части, мало отличается от двух предыдущих. Наложение всех опасных факторов друг на друга показывает, что наиболее опасное и жесткое напряженное состояние практически совпадает с положением трещин на реальном слитке, это проиллюстрировано на рисунке 3.22. Приведенное сопоставление экспериментальных данных с результатами моделирования, позволило составить таблицу 3.2. В ней приведены параметры, полученные согласно описанной в главе 3 методике измерений. Для каждого слитка приведены расчетные (колонка «модель») и экспериментальные (колонка «Эксперимент») значения параметров
Слитки с разным отношением высоты к диаметру (H/D)
При моделировании в качестве постоянных исходных данных брались следующие параметры: Прибыльная надставка - нет Поддон - кО (здесь и далее условное обозначение оснастки, расшифровка см. приложение 2). Изложницы были взяты следующие (см. приложение 2): kOml (1,02), k0m2 (1,13), k0m3 (1,26), к0т4 (1,4), к0т5 (1,57), кОтб (1,77), к0т7 (2), к0т8 (2,27), к0т9 (2,6) и кОтЮ (2,98). Размеры этих изложниц выбраны таким образом, чтобы масса слитков была постоянной и составляла 21,5т. Конусность всех изложниц взята для чистоты эксперимента равной нулю. Внешний вид слитков представлен на рисунке 4.1. Результаты и полученные зависимости приведены в приложении 1. Относительная глубина усадочной раковины с ростом H/D от 1 до 3 увеличивается в 2 раза (рисунок 9), т.к. слиток удлиняется, уменьшаясь в диаметре - усадочная раковина вытягивается. На зону столбчатых дендритов H/D не влияет - теплоотвод от стенок не зависит от отношения высоты к диаметру. Размеры конуса осаждения и «плотного» конуса уменьшаются (рисунки 10, 11, 14). Это объясняется тем, что при удлинении слитка растет поверхность теплоотвода и увеличивается доля последовательной кристаллизации, доля объемной снижается. Плотное ядро становится меньше по этой же причине. Из-за уменьшения конуса осаждения развитие рыхлости в глубину усиливается (рисунок 12). Диаметр осевой рыхлости также становится больше при удлинении слитка, т.к. подпитка сверху глубоких слоев металла становится затрудненной (рисунок 13). В качестве постоянных исходных данных брались следующие параметры: Изложницы те же, что и в предыдущем пункте. Прибыльные надставки взяты следующие: kOml, k0m2, k0m3, к0т4, к0т5, кОтб, к0т7, к0т8 , к0т9 и кОт 10. Размеры прибылей выбраны таким образом, чтобы объем прибыльной части слитка и его масса были постоянными и составляли соответственно 4,23 и 25,7т. Конусность всех изложниц взята равной нулю. Внешний вид слитков представлен на рисунке 4.2. Результаты и полученные зависимости приведены в приложении 1. Полученные зависимости приведены в приложение 1.
С ростом H/D от 1 до 3 усадочная раковина в прибыльном слитке остается примерно одинаковой по относительной величине, т.к. объем прибыли постоянный и в тело слитка уйдет примерно одинаковое количество металла (рисунок 15). Конус осаждения и его плотное ядро становится меньше, как и в предыдущем случае (рисунки 16, 17, 20). Осевая рыхлость (рисунки 18, 19) растет из-за ухудшения работы прибыли на более длинных слитках. В качестве постоянных исходных данных брались следующие параметры: Изложницы были взяты следующие: кО (0) , kl (0,04), к2 (0,08), кЗ (0,12), к4 (0,17), к5 (0,21), кб (0,25), к7 (0,29), к8 (0,33). Размеры изложниц были подобраны таким образом, чтобы их масса была одинакова и составляла 21,5 т. H/D всех изложниц равняется 1,98. Внешний вид слитков представлен на рисунке 4.3. Результаты и полученные зависимости приведены в приложении 1. С ростом конусности фронты кристаллизации встречаются выше.
Усадочная раковина становится меньше в глубину (рисунок 21), из-за того, что верхняя ее часть становится шире (верхний диаметр слитка растет). Ширина столбчатой зоны остается без изменений. Конус осаждения поднимается выше (рисунок 22), т.к. фронты кристаллизации встречаются выше в слитках с большей конусностью Конус становится более узким (рисунок 23), т.к. нижний диаметр уменьшается. Однако плотное ядро конуса осаждения увеличивается из-за лучшей подпитки глубинных слоев более горячим металлом из вышележащих слоев (рисунок 26). Осевые трещины получают меньшее развитие с ростом конусности (рисунки 24, 25) - улучшается подпитка. Изложницы те же, что и в предыдущем пункте. Масса всех слитков 25,3т. Внешний вид слитков представлен на рисунке 4.4. Результаты и полученные зависимости приведены в приложении 1. С ростом конусности в прибыльном слитке улучшаются условия подпитки осевых объемов жидким металлом. Усадочная раковина в прибыли немного увеличивается (рисунок 27), т.к. больше металла уходит вниз на питание осевой зоны из-за улучшения литейной конусности. Конус осаждения ведет себя примерно так же, как и в предыдущем пункте. Металл конуса осаждения уплотняется с ростом конусности - объем плотного конуса растет (рисунок 32). Осевые дефекты уменьшаются еще сильнее (рисунки 30, 31), чем в предыдущем пункте из-за хорошей работы прибыли в слитках с большой конусностью.
В качестве постоянных исходных данных брались следующие парамет ры: Прибыльная надставка - нет Поддон -к-1 Изложницы взяты такие же, как и в предыдущем случае, но перевернутые «вверх ногами», т.е. слитки были уширенными книзу. Поэтому масса слитков также сохранялась постоянной и составляла 21,7т. Внешний вид слитков представлен на рисунке 4.5. Полученные зависимости приведены в приложении 1. Уширенные книзу бесприбыльные слитки отливают для полых поковок, чтобы увеличить выход годного. В таких слитках усадочные дефекты проникают глубже, но усадочная раковина меньше в ширину, что позволяет уменьшить головную обрезь. Это подтверждается результатами расчета - с ростом обратной конусности усадочная раковина растет в глубину (рисунок 33). Конус осаждения становится ниже, оставаясь того же диаметра (рисунки 34, 35), но его плотность заметно не отличается от плотности прилегающих объемов. Т.е. в таких слитках нет «плотного ядра» как такового - тепловой центр находится низко, подпитка слабая, рыхлость проникает глубоко, конус осаждения небольшой. Осевая рыхлость становится несколько уже, и растет в глубину с ростом обратной конусности (рисунки 36, 37).
