Введение к работе
Актуальность работы. Надежность конструкций и деталей машин в значительной степени зависит от качества исходного стального литья. Высокое качество стального литья определяется однородностью по химическому составу и структуре, отсутствием дефектов и, как следствие, одинаковыми по всему объему механическими и физическими свойствами. Различная степень развития типовых дефектов литой стали в виде химической и структурной неоднородности - ликвации, сегрегации примесей, разно-зернистости, пористости, нарушении сплошности и т.д., напрямую зависит от технологии получения полуфабриката.
Основной фактор, влияющий на качество литого полуфабриката стали - увеличение скорости охлаждения расплава при затвердевании. Тем не менее, резерв увеличения скорости кристаллизации ограничен повышением уровня напряжений в объеме литого продукта, провоцирующих образование трещин и даже разрушение заготовок, особенно крупных сечений. В связи с этим, весьма актуальной является задача дальнейшего улучшения качества стали путем управления структурообразованием в литом полуфабрикате за счет регулирования скорости и режимов охлаждения при кристаллизации.
Цель работы заключается в повышении качества и стабильности свойств стали путем управления структурообразованием на этапе кристаллизации стальных полуфабрикатов. В основу предлагаемого способа управления структурой заложен принцип регулирования скорости охлаждения и применение «импульсного» теплоотвода от затвердевающего металла. Идея импульсного теплоотвода заключается в чередовании кратковременных периодов интенсивного охлаждения (импульс «охлаждения») с последующими периодами естественного нагрева. Такое техническое решение позволяет использовать преимущества высокоскоростной кристаллизации, связанной с возможностью подавления механизмов диффузии и предотвращением формирования сегрегации химических компонентов в затвердевшей части полуфабриката во время охлаждения. Каждый последующий импульс нагрева способствует релаксации накопившихся тепловых напряжений в затвердевшей фазе (подобно тому, как это происходит при отпуске закаленной стали). Такую специфическую термическую обработку металла предлагается реализовать путем периодического теплоотвода от заготовки, вплоть до её полного затвердевания.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Исследовать влияние ускорения процесса кристаллизации на уровень структурной и химической однородности стали в литом состоянии.
-
Установить и теоретически обосновать закономерности структу-рообразования стали при импульсном теплоотводе от кристаллизующейся заготовки.
-
Установить влияние импульсного теплоотвода при кристаллизации отливок из высокоуглеродистых сталей, наиболее склонных к ликвации, на их структуру и свойства.
-
Определить управляющие параметры импульсного теплоотвода и экспериментально установить их сочетание, обеспечивающее эффект гомогенизации по химическому составу и диспергирование структуры отливок из сталей различных структурных классов.
-
Разработать схемы импульсного теплоотвода и алгоритм расчетного определения параметров охлаждения при кристаллизации непрерывно-литых заготовок различных сечений.
-
Исследовать уровень химической и структурной однородности не-прерывнолитой рельсовой стали, полученной с использованием импульсного теплоотвода при кристаллизации. Оценить его влияние на уровень и однородность механических свойств горячекатаных рельсов.
Научная новизна
-
Установлены управляющие параметры структурообразования при импульсном теплоотводе и влияние импульсного теплоотвода при производстве стальных слитков на их структуру. Определены режимы импульсного теплоотвода, обеспечивающие эффект гомогенизации и повышение уровня структурной однородности литых стальных полуфабрикатов.
-
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена идея самопроизвольного, естественного модифицирования стальной заготовки, затвердевающей под воздействием импульсного теплоотвода, в результате чего достигается бездендритное кристаллическое строение по всему сечению заготовки.
-
Предложена принципиально новая схема теплоотвода при кристаллизации заготовки, согласно которой теплоотвод является переменным не только по времени, (т.е. импульсным), но также и по направлению. Такой переменно-направленный во времени теплоотвод был назван импульсным полиградиентным, а способ кристаллизации в его условиях - импульсной полиградиентной кристаллизацией (сокращенно ИПК).
Практическая значимость. Применение нового способа управления процессами структурообразования на основе импульсного и импульсного полиградиентного теплоотвода при производстве литых полуфабрикатов позволило использовать основное преимущество ускоренной кристаллизации, выраженное в повышении уровня химической и структурной однородности, без опасности нарушения целостности и растрескивания литого продукта, в т.ч. непрерывнолитых заготовок крупных сечений. Приобретаемое структурное состояние, выраженное в повышении дисперсности дендритного строения, уровня микроструктурной однородности, плотности по всему сечению заготовок в сочетании со значительным сокращением типовых дефектов литья: столбчатого строения, «ликвационного треугольника», площади зоны осевой ликвационной полосы, обеспечивает по-2
вышение уровня свойств литой стали и производимой из неё продукции.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на: конференции посвященной 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2005), 11-й международной специализированной выставке «Металл-Экспо» (Москва, 2005, золотая медаль), международной конференции «Современные технологии и оборудование для внепечной обработки и непрерывной разливки стали» (Москва, 2007), 6-й конкурсной Конференции молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организаций (Королёв, 2007, 2 место), 3-й Международной конференции «ТРАНСМЕТ-2007» (Нижний Тагил, 2007).
Достоверность результатов обусловлена большим количеством экспериментов и их теоретическим обоснованием, а также применением современных методов анализа структуры и свойств материалов.
Публикации. Содержание диссертации достаточно полно отражено в 7 научных работах, из них 3 работы в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 135 страниц машинописного текста, 56 рисунков, 12 таблиц, 47 наименований литературных источников, в приложении представлены дипломы, присужденные работе на различных выставках и конференциях. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
