CC BY
25
УДК621.785
Н.Б. Абрамова, В.Н. Востров, АЛ. Лукьянов
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕДНЫХ ПОКОВОК, ФОРМООБРАЗОВАННЫХ ХОЛОДНОЙ КУЗНЕЧНОЙ ПРОТЯЖКОЙ
Эффективность процесса непрерывного литья заготовок — важный критерий оценки технического уровня черной металлургии. Для существующего отечественного производства кристаллизаторов характерны низкий технологический уровень, значительный износ оборудования, большая трудоемкость процесса, нерентабельность, низкий уровень качества продукции и, как следствие, ее неконкурентоспособность на мировом рынке. Приметаемые технологии изготовления кристаллизаторов недостаточно изучены и нуждаются в совершенствовании [1]. Для возрождения на первом уровне черной металлургии в Российской Федерации необходимо создание конкурентоспособной технологии и машин непрерывного литья заготовок. Большой потенциал в решении данной задачи обеспечивает совершенствование конструкции и технологии изготовления самого ответственного узла машин непрерывного литья заготовок — кристаллизатора.
Зарубежные и отечественные фирмы используют для стенок кристаллизаторов главным образом дорогостоящие марки меди. Производство значительно более дешевой бескислородной меди — сложный и недостаточно изученный процесс. Одно из перспективных направлений раз-
вития технологии изготовления стенок сборных кристаллизаторов, связано с созданием структурного состояния отливок из бескислородной меди, которое обеспечило бы физико-механические свойства заготовок стенок кристаллизаторов, сопоставимые с заготовками из более дорогих марок меди.
В качестве базовой выбрана технология ОАО «Машиностроительный концерн ОРМЕТО— ЮУМЗ. Базовая и разработанная технологии охарактеризованы в табл. 1. В соответствии с базовой технологией, стенки кристаллизаторов изготавливают из горячекатаных листов меди марки М 1р (не менее 99,90 % Си + 0,0020,012 % Р). Разрезка проката на штучные заготовки выполняется на строгальном станке отрезными резцами, после чего заготовки фрезеруются по контуру. Долговечность стенок кристаллизаторов равняется 750—780 плавкам [2]
По предлагаемой технологии [3, 4] стенки сборных кристаллизаторов формообразуют из бескислородной меди М—ЭЛП. Медь М—ЭЛП значительно дешевле меди М 1р. Медь М—ЭЛ П высокой химической чистоты (99,98 % Си; 0,002 % VI; 0,002 % Р; 0,004 % Ре; 0,001 % 8; 0,001 %02; 0,001 %Ъ\\) получают в виде-плит или слябов в печи ЭЛП—30 с размерами по требова-
Таблица 1
Базовая и предлагаемая технологам изготовления медных стенок разборных кристаллизаторов
Базовая технология Предлагаемая технология
1. Горячекатаный лист с обрезным и кромками из меди М1р. 2. Резка проката на штучные заготовки на строгальном станке отрезными резцами. 3. Фрезерование по контуру. Размеры стенки кристаллизатора 440x75x1000 мм 1. Сляб из меди М—ЭЛП в печи электроннолучевой плавки. 2. Резка ленточной пилой на штучные заготовки с размерами 425x130x1015 мм. 3. Фрезерование: снятие фасок Холодная кузнечная протяжка до суммарной степени деформации заготовки 20—25 %. Фрезерование по контуру. Размеры стенки кристаллизатора 430x75x1000 мм
Долговечность стенок кристаллизаторов равняется 750—780 плавкам Долговечность стенок кристаллизаторов равняется 1600—1650 плавкам
нию заказчика. В печи осуществляют переплавку металла под глубоким вакуумом, используя энергию электронного луча. Плотность литой заготовки составляет р = 8,93—8,94 г/см . Штучную медную заготовку формируют путем отрезки ленточной пилой от слитка. Параметр шероховатости после резки не превышает Ла = = 3,2 мкм. Деформационное упрочнение заготовки осуществляют с помощью операции холодной кузнечной протяжки.
Для определения физико-механических свойств заготовок стенок кристаллизаторов, формообразованных кузнечной протяжкой, проведена серия испытаний на образцах с различной степенью пластической деформации. Методы испытаний приняты в соответствии с ГОСТ 1497—84. Исследования выполнены на испытательной машине «2шюк//Яое11 2100». Машина «2\¥юк//11ое11 2100» рассчитана на максимальное разрывное усиление в 100 кН. Скорость перемещения передвижного захвата в процессе испытаний была постоянной и составляла 11с = = 15 мм/мин. В процессе испытаний записывалась диаграмма «деформация—напряжения». На основании испытаний определяли предел пропорциональности, условный предел текучести, предел прочности, относительное удлинение и относительное сужение после разрыва.
Испытывались образцы, деформированные по технологическим режимам, описанным в табл. 2.
Таблица 2
Степень деформации е поковок из бескислородной меди М-ЭЛП, %
Номер Степень деформации, %, в пяти сериях поковок
обжатия поковки 1 2 3 4 5
1 4 4 4 4 4
2 5 5 6 6 6
3 6 7 9 9 9
4 7 9 11 11 13
5 8 11 13 13 18
6 10 13 15 18 21
7 12 15 17 21 25
8 14 18 19 23 29
9 16 20 21 25 33
10 18 22 23 27 36
11 - - 25 29 39
12 - - 27 32 43
Изменение свойств металла обусловлено изменением его структуры. Структура металла — энергетическое образование , на создание которого израсходовано (диссипировано, рассеяно) некоторое количество энергии взаимодействия металла с окружающей средой. Диссипированная в металле энергия вычисляется по соотношению [5]
Д£ = -ГД5С1р, (5)
где Д5стр — изменение структурной энтропии; Г—температура.
Структурная энтропия — интегрально-вероятностная характеристика структуры металла (мера его структурного состояния). Изменение структурной энтропии согласно соотношению Л. Больцмана имеет вид [5]
Д5стр = -Л|/(а*) 1Е/(а*Ма* , (6)
где /(а*) — плотность распределения безразмерных пределов текучести а*; Я — универсальная газовая постоянная, Я =8,314Дж/(моль-К).
В деформированном металле структурную энтропию можно вычислить на основании установленной Гельмгольцем [5] взаимосвязи его структуры и уровня внутренних напряжений в нем:
ЛТ
апц 2 ^стр' (?)
р
где апц — предел пропорциональности, соответствующий относительному удлинению 0,05 %;
5стр — структурная энтропия; Б — плотность
материала; ц — молярная масса материала. Для
меди М-ЭЛП Л
8,93x10" кг/м-\ ц
= 63,546x10^ кг/моль. Испытания проходили при температуре Т— 298 К.
Диаграммы «деформация — напряжения», показанные на рис. 1, представляют собой графические зависимости условных напряжений а отусловныхдеформаций е. Недеформированный образец имеет номер 0.
Значения структурной энтропии и другие физико-механические свойства деформированных поковок приведены в табл. 3. Для сравнения там же указаны свойства горячекатаной
е
а
а
ности; 5р — относительное остаточное удлинение после разрушения образца.
Анализ табл. 3 показал, что с ростом степени деформации поковки возрастает упорядоченность структуры стенок кристаллизаторов как термодинамической системы и снижается мера неравновесности этой системы.
В результате перераспределения дислокационных скоплений в развитую субструктуру заготовки стенок кристаллизатора из бескислородной меди М—ЭЛП, формируемые при суммарной относительной деформации ех = 20—25 %, имеют физико-механические свойства, сопоставимые со свойствами горячекатаной меди М 1р.
Изменение энтропии структуры стенок кристаллизаторов во время пластической деформации связано с деформационным упрочнением. Процесс деформационного упрочнения происходит при отсутствии рекристаллизаци-
350 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 О
а, МПа
К— /
Л\2
4 5 N \
\
/
0
--■-
30
40
50
е, %
Рис.1. Зависимости условных напряжений ст от условных деформаций е поковок из бескислородной меди М—ЭЛП. Серии поковок (их номера соответствуют номерам кривых) различаются относительной деформацией и количеством Nп!¡ проходов поковки кузнечным бойком: О— недеформированные образцы, литая медь;
16 %, : 27%, 5- £■
10; 2 — = 12; 4 — = 43%, N„1= 12
= 22%, Мщ 32%, Ж,п
= 10;
12;
онных и других релаксационных процессов, т. е. при температурах Т < 0,35 Гпл . Упрочнение приводит к тому, что скольжение становится энергетически невыгодным. Большая скорость деформирования и низкая температура ведут к возникновению эффекта двойникования, в результате чего снижается стойкость кристаллизаторов.
На рис. 2 показана зависимость структурной энтропии 5стр от суммарной относительной деформации поковок еЕ из бескислородной меди М—ЭЛП. Видно, что при деформировании по-
Таблица 3
Физико-механические свойства исследуемых образцов из кованой бескислородной меди М-ЭЛП и горячекатаной меди М1р со степенью деформации е
29%
Параметр Значения параметров в пяти сериях поковок из меди М- -ЭЛП То же для
0 1 2 3 4 5 меди М1р
стпц, МПа 71-79 235-241 240-259 261-274 276-289 309-322 240-260
ст02, МПа 76-85 244-252 261-270 277-287 293-304 325-339 250-270
ств, МПа 190-212 260-263 277-298 294-303 311-332 336-362 270-290
«„ % 48-57 15,6-16,0 13,9-14,2 13,1-13,6 12,3-12,9 11,84-12,2 13,0-15,0
^ Дж 1,7-1,9 5,5-5,8 5,9-6,2 6,3-6,5 6,6-6,9 7,4-7,7 5,9-6,0
моль•К
ДжДмоль -К)
6 4 2
0 10 20 30 40 е2> %
Рис. 2. Зависимость структурной энтропии 5стр от суммарной относительной деформации е2 поковок из меди М—ЭЛП при количестве проходов 7У[1р =10
ковки холодной кузнечной протяжкой в интервале суммарной степени относительной деформации от 20 до 25 % наблюдается точка перегиба
¿Чтп
кривой, соответствующая-=
йГ
Следовательно, можно предположить, что в данном случае структура стенки кристаллизатора рациональна по эксплуатационным характеристикам — термостойкости, усталостной прочности, износостойкости, коррозионной стойкости и др.
Структура исходной заготовки (литая медь), представленная на рис. 3, а, крупнозернистая.
Макроструктура стенки кристаллизатора, формообразованной при суммарной относительной деформации 20—25 %, показана на рис. 3, б. Диструкционная пластичность металла приводит к возникновению микронесплошности и образованию магистральных трещин. Магистральные трещины можно устранить увеличением количества проходов бойка, но это снижает производительность процесса. При степени деформации поковки превышающей 40 %, образовывается строчечная структура металла (рис. 3, в), которая ухудшает физико-механические свойства стенок кристаллизаторов.
Микроструктура горячекатаной меди М1р с относительной степенью деформации е = 29% изображена на рис. 4.
Пластичность материала предопределяет износостойкость и усталостную прочность стенок
Рис. 3. Макроструктура меди М—ЭЛП в зависимости от суммарной относительной деформации е2 и количества проходов 7У„р при холодной кузнечной протяжке: а— структура литой меди; б— е2 = 22 %, №пр =10; в— е2 = 73 %, Л/пр = 14
кристаллизаторов. Оценка пластичности материала основана на сопоставлении интенсивности деформации гь которую частица претерпела в процессе формоизменения, с критической интенсивностью деформации г , предсказанной по диаграмме пластичности. В качестве локальной характеристики пластичности использовался показатель напряженного состояния при растяжении — П, который вычислялся по зависимости [6]
П
Т;
1
^ + {2^[(Р,-Р0)/2Р0-1]}, (9)
где 7} — интенсивность касательных напряже-
ний, Т-
о,
^ ; а1 — интенсивность напряжении;
а0 — гидростатическое напряжение, а0 = (а^ + + ауу + агг )/3; Р0 и Р1 — сила растяжения в начальный и конечный момент деформирования образца.
Степень деформации сдвига при растяжении, соответствующую моменту разрушения, определяли по формуле [6]
= 2 л/3 1п
4>
(8)
где — исходный диаметр образца; —диаметр образца в момент разрушения
Диаграмма пластичности бескислородной меди М—ЭЛП в зависимости от суммарной относительной деформации еЕ и количества ТУпр
Рис. 4. Микроструктура горячекатаной меди М1р с относительной степенью деформации е = 29 % (хЮО)
проходов заготовки кузнечным бойком приведена на рис. 5.
Надежность стенок кристаллизаторов можно оценивать по критерию безотказности, под которой подразумевается количество плавок, выдерживаемых стенками кристаллизаторов между перестрожками (удаление дефектного слоя). Зависимости безотказности Ск стенок кристаллизаторов от технологии их изготовления показаны на рис. 6.
Лучшие эксплуатационные характеристики имеют стенки кристаллизаторов из бескислородной меди М—ЭЛП, деформированные холодной кузнечной протяжкой до суммарной относительной деформации еЕ = 20—25 % при количестве проходов кузнечного бойка = 10.
Благодаря созданной структуре стенки кристаллизаторы из бескислородной меди М—ЭЛ П обладают физико-механическими свойствами,
■Л 1
к -г
1,0 -0,5
0,5
т,
Рис. 5. Диаграммы пластичности меди М—ЭЛП в зависимости от суммарной степени деформации е
/ - е = 0%; 2- е = 22% М„ = 10;
= 22 % : 73 %, А;р = 14
с
200
150
100
501
2
и
0 20 40 60 %
Рис. 6. Зависимости безотказности Ск стенок кристаллизаторов от технологии
их изготовления: для предлагаемой технологии (поковка из меди М—ЭЛП) К
пр 3 -^цр 5), для базовой технологии — 4
(горячекатаная медь М1р) ; — суммарная относительная деформация
обеспечивающими повышение их долговечности в 1,5—2,0 раза по сравнению с кристаллизаторами, изготовленными по базовой технологии, использующей более дорогостоящую медь М 1р.
Основные результаты:
1. Разработана методика формирования рациональной по эксплуатационным характеристикам структуры медных заготовок стенок сборных кристаллизаторов, которая устойчива к микроскопической деформации и снижает неравномерность деформаций при перераспределении дислокационных скоплений в развитую субструктуру.
2. Установлено, что рациональная микроструктура стенки кристаллизатора формирует-
ся в процессе холодной кузнечной протяжки поковки при суммарной относительной деформации 20—25 % и количестве проходов кузнечного бойка 10—12. Данной микроструктуре соответствует точка перегиба на кривой «структурная энтропия — относительная степень деформации».
3. Благодаря созданной микроструктуре стенки кристаллизаторы из бескислородной меди М-ЭЛП обладают физико-механическими свойствами, обеспечивающими повышение их долговечности в 1,5—2,0 раза по сравнению с кристаллизаторами, изготовленными по базовой технологии, которая использует более дорогостоящую медь М1р.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Паршин, В.М. Сооружение литейно-прокат-ных комплексов— решение проблемы производства конкурентоспособной продукции |Текст] / В.М. Паршин // Сталь,- 1999. № 6,- С. 26-28.
2. Патент 2141884 РФ. Способ изготовления заготовок рабочих стенок для кристаллизаторов МНЛЗ / С.М. Чумаков, М.В. Филатов, В.В. Климов и др. // Опубл.: БИ,- 1997. № 29.
3. Патент 2253540 РФ. Способ изготовления изделий из бескислородной меди для кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок [Текст] / Н.Б. Абрамова, Л.П. Соломин, О.Н. Ап-
текарева // Опубл. в БИ,— 2005. N° 16.
4. Абрамова, Н.Б. Надежность бойков для холодной кухнечной протяжки медных поковок [Текст] / Н.Б. Абрамова, О.Н. Аптекарева, В.Н. Востров // Металлообработка,- 2010. № 3(57).- С. 26-32.
5. Колбасников, Н.Г. Структура, энтропия, фазовые превращения и свойства металлов [Текст] / Н.Г. Колбасников, С.Ю. Кондратьев // СПб.: Наука, 2006,- 363 с.
6. Пластичность и разрушение [Текст] / Под ред. В.Л. Колмогорова // М.: Металлургия, 1977.— 336 с.
УДК 537.52
В.Я. Фролов, A.B. Лопота, Д.В. Иванов
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
Основная проблема плазменного получения наноматериалов связана с обеспечением испарения большого количества порошкового материала (5—10 кг/ч), что требует больших энергетических затрат. Для снижения затрат был разработан комбинированный плазмотрон. В нем, чтобы поддержать существование индуктивно связанной плазмы, используется дуговой плазмотрон постоянного тока [1]. Такой плазмотрон позволяет снизить энергетические затраты на 30 %.
Целью представляемой работы была разработка высокочастотного индукционного (ВЧИ) плазмотрона, обеспечивающего загрузку исходного сырья (порошка ТЮ2) с расходом не менее 5 кг/ч.
Для установления основных геометрических параметров плазмотрона и мощности генерируемого факела проводился анализ магнитногазо-динамических процессов в плазме путем математического моделирования.
В основе используемой математической модели плазменных процессов в ВЧИ плазмотроне
