CC BY
22
УДК 621.746.393
ЕА.Казачков, А ДЧепурной, Г.П.Клименко, А.В .Литвиненко, В.Я.Саенко
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОТОННАЖНЫХ ПОЛЫХ СЛИТКОВ УГЛЕРОДИСТОЙ И ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
Полые стальные заготовки широко применяются для изготовления различных изделий: бандажей, обечаек сосудов высокого давления, колонн синтеза, транспортных контейнеров для отработанного ядерного топлива.
Традиционные способы производства полых заготовок состоят либо в прошивке сплошных кузнечных слитков и их последующей ковке на оправке, либо в отливке полых слитков в обычные кузнечные изложницы с использованием дорна специальной конструкции. В случае использования для изготовления полых изделий сплошных слитков, их обычно отливают с уменьшенным объемом металла в прибыли (6 - 12 %). После нагрева их подвергают осадке, производят прошивку и последующую вытяжку под прессом [1]. Таким путем производят заготовки типа цилиндров, барабанов, ободов, бандажей и других пустотелых изделий. Несмотря на значительное снижение объема металла в прибыли, расходный коэффициент'металла (РКМ) яри ковке изделий средней И большой массы составляет 1,60 - 1,65. Применение для этой цели так называемых бесприбыльных слитков позволяет сократить РКМ на 12 -.20 %. Однако при прошивке бесприбыльных слитков не удается полностью удалить околоусадочную зону металла, пораженную ликватами и загрязненную неметаллическими включениями [1].
Более прогрессивным является способ получения полых слитков отливкой металла в обычную изложницу для кузнечных слитков с установкой в ее центральной части специального охлаждающего стержня - дорна. Применение полых слитков для изготовления пустотелых поковок, наряду с повышением качества изделий, обеспечивает сокращение расхода металла на 25 - 30%, .расхода топлива на нагрев заготовок и сокращение общего цикла изготовления изделий [1].
Однако, сложность процесса получения полых слитков по этой схеме состоит во-первых в том, что необходимо устранить зажим дорна затвердевающим слитком. Известны десятки патентов на различные конструкции дориов, включающие вставные периодически заменяемые цельные или секционные стальные холодильники, подпружиненные сегменты, легкоплавкие материалы и другие решения [2,3].
Однако, несмотря на разнообразие способов установки дорнов, производство полых слитков по этой технологии является сложной и трудоемкой операцией. Во-вторых, крупнотоннажным полым слиткам присущи те же дефекты внутреннего строения, что и сплошным кузнечным слиткам, хотя они выражены слабее в связи со значтельным сокращением продолжительности затвердевания этих слитков за счет двухстороннего отвода тепла.
Качество получаемых полых слитков резко ухудшается с увеличением их массы за счет развития химической и физической неоднородности, плохой поверхности внутренней полости (образование трещин и других дефектов, связавшие с большими внутренними напряжениями при интенсивном охлаждении со стороны дорна).
Еще более сложные проблемы возникают при получении по этой схеме крупных полых заготовок из аустенитных высоколегированных сталей в связи с особенностями структурообразования сталей этого класса и возникновением большого количества дефектов при ковке.
Применение современных методов/ внепечной обработки стали, 'предназначенной для отливки полых слитков, которые не требуют последующей ковки, также не обеспечивает достаточно высокого их качества.
Значительном шагом вперед в развитии технологии получения высококачественных подах слитков, особенно высоколегированных аустенитных сталей, было использование для их отливки электрошлаковой технологии., Институтом электросварки им. Е.О.Патона. НАН Украины, а также рядом зарубежных фирм в 70-е годы была разработана технология получения полых стальных слитков методом электрошлакового литья (ЭШЛ ) [4,5], При этом получали практически готовые полые изделия, не требующие последующей горячей механической обработки. Для ЭШЛ полых заготовок используются круглые стационарные или подвижные кристаллизаторы, внутренний водоохлаждаемый дорн и многоэлектродная схема наплавления слитка.
В начале 80-х годов в концерне "Азовмаш" была введена в действие двухколонная многоцелевая крупнотоннажная печь УШ-100, что позволило организовать в промышленном масштабе электрошлаковую отливку в подвижном коротком кристаллизаторе полых заготовок диаметром 710/360 мм и длиной 2500 мм из высоколегированных сталей 12Х18Н10Т и 03Х20Н16АГ6 дня сосудов высокого давления.
Разработанная технология ЭШЛ крупных полых заготовок позволила - существенно упростить процесс производства сосудов высокого давления за счет полного исключения кузнечно-прессовых работ и сведения до минимума объемов сварки. Прй этом резко сокращается расход дорогостоящей Стали, объем механической обработки и весь цикл изготовления изделия. Характерные особенности процесса ЭШЛ - рафинирование металла. жидким шлаком, отсутствие контакта жидкого металла с воздухом, формирование отливки из металлической ванны малого объема и другие, позволяют получать литой металл высокого качества, Механические свойства литого металла полых слитков из стали. 12Х18Н10Т, полученных методом ЭШЛ, в том числе при криогенных температурах, превышает соответствующие требования ТУ
(0В> 450 МПа, Стт > 200 МПа, КС1Х-196 > 0,8 МДж/м2 ) [6].
Получаемые по аналогичной технологии ЭШЛ в короткий подвижный
кристаллизатор полые слитки из аустенитной высоколегированной стали 03Х20Н16АГ6, с повышенным содержанием азота, отвечают достаточно высоким требованиям к изделиям такого класса. Выполненный большой комплекс исследований качества литого металла полых слитков, полученных по технологии ЭШЛ показал, что литой металл характеризуется большой однородностью химического состава; отсутствием внутренних и поверхностных дефектов, а также высокими механическими свойствами, в том числе при криогенных температурах. Полученные по этой технологии полые заготовки имеют форму и размеры, максимально приближенные к готовому изделию. Однако метод электрошлаковой отливки полых слитков характеризуется высоким расходом электроэнергии, низкой производительностью и значительной трудоемкостью, т.е. он дорог и энергоемок.
Для уменьшения внутренних напряжений в затвердевающем металле при интенсивном охлаждении со стороны дорна, в последнее время при получении подах слитков вместо дорна стали; использовать специальные формирующие трубы с огнеупорной засыпкой между ними и с внутренним охлаждением этой трубы воздухом (рис.1). Отливка полых слитков по этой технологии производится в обычную кузнечную изложницу, сифонным способом, через несколько питателей. Внутри изложницы размещают две стальных трубы с засыпкой между ними малотеплопроводного материала. Наличие такой теплоизолированной трубы уменьшает опасность возникновения трещин, но удлиняет время затвердевания и не решает проблемы химической и физической неоднородности литого металла полого слитка.
Работами ИЭС им. Е.О.Патона, а также исследованиями, проверенными в концерне "Азовмаш" и ПГТУ, было установлено, что сократить время затвердевания слитка и уменьшить его химическую и
физическую неоднородность, можно за счет использования при отливке слитков специальных внутренних кристаллизаторов. Сочетание процесса отливки полого слитка с формообразующей трубой и метода получения качественных слитков с применением внутренних кристаллизаторов различной конструкции представляется весьма перспективным. Имеющийся опыт применения ВК при получении крупнотоннажных полых слитков показывает существенное улучшение химической и физической однородности, а также Приближение свойств литого металла к соответствующим характеристикам
деформированного металла. Это позволяет использовать полый слиток непосредственно для получения крупногабаритного изделия, минуя операцию ковки [7,8].
Рис.1. Схема получения полых стальных слитков в изложнице с формообразующей трубой: 1 - поддон; 2 - изложница; 3 - труба для подачи охлаждающего воздуха; 4 -внутренняя обечайка; 5 - огнеупорная засыпка; 6 - внешняя обечайка; 7 - металл слитка; 8 - теплоизолирующий слой в прибыли; 9 - охлаждающий воздух. ,
Для получения полого слитка высокого качества был решен ряд задач, связанных с взаимодействием ВК с металлическим расплавом: определено влияние параметров ВК на структуру слитка высоколегированной стали, Оценено влияние ВК на свойства литой высоколегированной стали и определена возможность использования "литых полых заготовок для непосредственного получения из них крупнотоннажных изделий (транспортные контейнеры, сосуды высокого давления) [9 - 11 ].
Для уточнения ряда технологических параметров отливки качественных полых слитков с расплавляющимися ВК и оценки их влияния на структуру и свойства литого металла, было проведено физическое моделирование отливки полых стальных слитков на "горячей" модели [10]. В качестве "горячей" модели 10-тонного полого слитка диаметром 800/350 мм использовали отливку массой 0,8 т, поперечное Сечение которой представляло четвертую часть сечения натурального слитка . Высота модельной отливки составляла 0,37 полной высоты натурного слитка. Наружная и внутренняя
стенки металлической изложницы изготавливались из обечаек, свальцованных из стальных листов толщиной 10 мм. Торцевыми стенками полости служила огнеупорная кладка с низкой теплопроводностью. Подготовленная оснастка устанавливалась на чугунном поддоне. Зазор межДу обечайками заполнялся специальным огнеупорным порошком. В изложницу-модель устанавливали ВК различной массы, предсгавляющие собой объемную конструкцию из прутков диаметром 5 мм, такого же состава,, как металл слитка. Результаты исследования показали, что при степени армирования 1,5% обеспечивается полное расплавление ВК, снижается структурная неоднородность, повышается плотность и дисперсность дендритной- структуры. Макроструктура слитка стали 12Х18Н10Т, отлитого с ВК характеризуется отсутствием транскристаллизации и появлением в центральной части зоны разориентированных кристаллов. Общий уровень механических свойств металла литых полых заготовок с ВК в радиальном, осевом и тангенциальном направлениях значительно выше, чем металла обычного слитка, а ударная вязкость при криогенных температурах ( KCU -196 ) в 1,5 - 2,2 раза выше, чем для металла слитка-свидетеля.
Рис. 2. Монтажная схема оснастки, подготовленной под отливку полого 100 т слитка с внутренними кристаллизаторами: 1 - промежуточный ковш; 2 - воронка центровой; 3 - плита; 4 - подставка под плиту; 5 - прибыльная надставка; б - центровая; 7 - кожух центровой; 8 - огнеупорная засыпка; 9 - труба для подвода сжатого воздуха; 10 - наружная формирующая труба; 11- огнеупорная засыпка; 12 - внутренняя формирующая труба; 13 - внутренние кристаллизаторы; 14 - изложница; 15 - сифонная проводка; 16 - поддон.
На основе выполненных исследований была разработана промышленная технология получения крупнотоннажных слитков с ВК. Для этой цели была сконструирована и изготовлена специальная оснастка. Отливку полых 10 т АКМ-слитков диаметром 780/350 мм стали 12Х18Н10Т производили в комбинированную стальную изложницу сифонным способом
через два питателя и сифонную проводку с боковым расположением центровой. Формирующие наружную и внутреннюю поверхности полой отливки цилиндрические обечайки-изложницы изготовляли из стальных листов толщиной 12 мм. Коаксиально формирующим обечайкам. на поддон устанавливали наружную и внутреннюю защитные обечайки, а пространство между ними заполняли огнеупорной смесью. Устанавливаемые в зазор между формирующими обечайками ВК были выполнены в виде вертикально расположенной сетчатой конструкции из прутков стали 06Х19Н9Т диаметром 4 мм . Масса ВК составляла 1,5% массы заготовки.
Отливку полых 100 т слитков с расплавляемыми ВК производили из стали 20. Схема установки оснастки для отливки 100т полого слитка показана на рис. 2. Отливку производили в восьмигранную изложницу для кузнечных слитков сифонным способом через центровую, расположенную внутри Полости формирующей обечайки. Расплавляемые ВК в виде сеток из прутков диаметром 5 мм располагали по радиусу слитка и приваривали к внутренней формирующей трубе (рис. 3). Масса ВК составляла около 2% от массы слитка.
Рис.3. Схема крепления сетчатых внутренних кристаллизаторов к формирующей трубе:, 1 - внешняя труба оснастки; 2 - рамки с сетчатыми внутренними кристаллизаторами
Отливка партии крупнотоннажных полых слитков из аустенитной и углеродистой стали подтвердила технологичность разработанной оснастки. Исследование макроструктуры и химической однородности металла показало, что разработанная технология .получения Крупнотоннажных полых стальных слитков с ВК обеспечивает повышение химической однородности литого металла, его структурную однородность и высокий уровень механических свойств.
Высокое качество получаемых с использованием ВК литых заготовок позволяет использовать их в литом виде для производства крупнотоннажных корпусных изделий. Технология отливки крупнотоннажных полых слитков из аустенитной и углеродистой стали с применением ВК реализована в концерне
/
"Азовмаш" при производстве криогенных сосудов высокого давления из стали 12Х18Н10Т и партии транспортных контейнеров для отработанного ядерного топлива, что обеспечило снижение расходного коэффициента метала на транспортный контейнер типа ТК-10 с 2,63 до 1,67 при сокращении объемов механической обработки более чем в 2 раза и сварки - в 2 раза. За счет снижения расходного коэффициента металла на изделие, сокращения объема механической обработки и сварочных работ, получен значительный экономический эффект.
Перечень ссылок
1. Скобло С.Я, Казачков Е.А. Слитки для круглых поковок. М.:Металлургия, 1973.-248 с.
2. Кукса А.В. Перспективы развития технологии получения полых литых заготовок // Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов: Х1-я Всесоюзная конференция по проблемам слитка. Волгоград. -1990.- ч.2.- С.120 - 123.
3. A.c. 1671400, СССР. Устройство для получения полого слитка / А.В.Кукса, В.А.Ефимов, Ю.В.Костенко и др. Опубл. в Б.И. 1991, N31.
4. Патон Б.Е., Медовар Б.И., Бойко Г.А. Электрошлаковое литье-Киев: Наук. думка, 1980,- 192 с. ■
5. Получение полых электрошлаковых заготовок из аустеиитной стали для металлургического оборудования / А.В.Литвиненко, А.Д.Чепурной, Г.П.Клименко и
др. // Передовой опыт.-1989.-Ч 8. С.24-25.
6. Электрошлаковая выплавка заготовок сосудов высокого давления из аустеиитной стали / Б.И.Медовар, А.Д.Чепурной, В:Я.Саенко и др. // Проблемы специальной электрометаллургии.-К., 1981,-Вып.15.- С. 13-16.
7. Производство стали АКМ и его экономическая эффективность / Б.Е.Патон, Б.И.Медовар, А.А.Искренко и др. // Проблемы специальной электрометаллургии.-1988. -N 2. С. 40 - 45. ,
8 Медовар БИ.,ЧепурюйАД,Шукстульский Б.И. Слиток.- Киев: о-во "Знание" УССР. 1986. -48с
9. Новая технология изготовления корпусов транспортных контейнеров из армированных квазимонолитных материалов / А.Д.Чепурной, А ВШитвиненко, Г.П.Клименко и др. / Передовой опыт,-1989,- N 5.- С. 29 - 30.
10. Оценка влияния внутренних кристаллизаторов на затвердевание и структуру полых слитков из аустеиитной стали АКМ Ы.Д.Чепурной, А.В.Литвиненко, Е.А. Казачков и др.// Проблемы спец. электрометаллургии.-1990.^ 4.-С. 27 - 31.
11. Получение крупнотоннажных полых слитков АКМ для изготовления корпусов транспортных контейнеров / А.ДМепурцой, Б.И.Шукстульский, В.Я.Саенко и др. // Спец. электрометаллургия.-1992,^ 70.-С. 30 - 33.
