CC BY
37
УДК 621.746.393
О.Е. Марков канд. техн. наук, доц., (0626) 416720, ole g.markov. omd@mail. ru (Украина, Краматорск, ДГМА)
ФОРМИРОВАНИЕ И СТРОЕНИЕ УКОРОЧЕННЫХ КУЗНЕЧНЫХ СЛИТКОВ С НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ
Установлен процесс формирования слитка с H/D< 1,0 с направленной кристаллизацией. Установлено, что направленная кристаллизация исключает образование осевой пористости. Глубина усадочной раковины составляет 5 - 7% от высоты тела слитка, что на 20-25% меньше, чем для обычных кузнечных слитков.
Ключевые слова: кристаллизация, укороченный слиток, осевая рыхлость, усадочная раковина.
Заготовками для крупных деталей служат поковки, которые изготавливаются ковкой слитков. Качество крупных поковок определяется качеством исходной заготовки - кузнечного слитка. Для кузнечных слитков свойственна неоднородность: структуры, химического состава и механических свойств. Чем больше масса слитка, тем больше его неоднородность. Повышение качества кузнечных слитков является важной научно-технической задачей. В этой связи необходима разработка кузнечных слитков новой конфигурации и конструкций изложниц для их производства [1].
В работе Г.А. Пименова представлена топография кузнечного слитка массой 40 т из стали 34ХМА, которая выявила, что концентрация наиболее крупных неметаллических включений наблюдается со стороны донной части слитка и его осевой зоны [2]. В основном это силикаты экзогенного происхождения, природа появления которых - преимущественное направление кристаллизации от стенок изложницы к оси слитка.
Новое устройство для получения крупных кузнечных слитков предложено в работе С.Я. Скобло [3]. При кристаллизации в такой изложнице интенсифицируется теплоотвод от слитка и сохраняется принцип направленной кристаллизации снизу вверх, обеспечивая высокий выход годного металла (85-90%). По результатам исследования влияния формы слитка авторами работы [4] установлено, что снижение величины H / D от 3 до 1 приводит к полному исчезновению внецентренной ликвации.
Уменьшение величины H / D от 2 до 1 приводит к снижению протяженности зоны шнуров и увеличению её ширины в 1,5 раза в слитке массой 40 т и в 1,3 раза в слитке массой более 300 т [5]. Мировая практика показала, что с увеличением массы слитка целесообразно соблюдать отношение H / D близким к единице [6]. Такое соотношение обеспечивает более здоровую осевую зону, однородное строение, усадочная раковина полностью выведена в прибыльную часть слитка, такие слитки могут применяться для изготовления поковок ответственного назначения.
195
Тенденция применения укороченных слитков прослеживается и у японских производителей особо крупных поковок ответственного назначения из слитка массой 600 т [7]. Полученные ими результаты свидетельствуют о высокой равномерности распределения углерода в продольном сечении слитка и направленной кристаллизацией снизу вверх с соотношением H / D < 1,0.
Способ повышения качества слитков - управление процессом кристаллизации, что позволяет получать вертикальное направление роста ден-дритов. В последние годы в зарубежной практике широко применяется и совершенствуется процесс получения слитков электрошлаковым переплавом. Направленная кристаллизация в этом случае обеспечивается за счёт применения водоохлождаемых медных кристаллизаторов. Для устранения осевых дефектов необходимо создать такие условия, при которых скорость кристаллизации в вертикальном направлении преобладала бы над скоростью кристаллизации со стороны стенок изложницы.
В последнее время большое внимание стало уделяться слиткам с направленной кристаллизацией [8]. Изменение направления кристаллизации уменьшает глубину усадочной раковины, исключает образование осевой рыхлости. Созданы предпосылки к появлению укороченных слитков, которые обладают высокой плотностью и меньшей ликвацией, более того данные слитки не требую применения дополнительной энергоёмкой кузнечной операции осадки. Однако исследований укороченных слитков с направленной кристаллизацией, которые бы дали представления о механизме кристаллизации, его тепловом состоянии и строении таких слитков на сегодняшний день очень мало.
Цель работы - определение основных параметров процесса кристаллизации, теплового состояния и строения укороченных кузнечных слитков с направленной кристаллизацией.
Вертикальный фронт кристаллизации можно обеспечить за счёт утепление верхней и боковой поверхности изложницы, а отвод тепла обеспечить в сторону поддона [8]. Моделирование процесса кристаллизации слитка производилось программой MAGMA Soft (совместно с ПАО «Новокраматорский машиностроительный завод») [9]. Объектом исследования является укороченный кузнечный слиток из стали 60Х2С2МФ весом 18 т, разливаемый сверху. Для исследования была разработана новая конструкция изложницы для получения укороченного бесприбыльного кузнечного слитка (рис. 1).
Особенность данной конструкции слитка и изложницы является отсутствие прибыльной надставки, что позволит исключить расход металла, связанного с прибыльной частью слитка и позволит разливать слитки без годного остатка. Эти мероприятия позволят повысить коэффициент выхода годного до 85% [8, 9]. Для возможности захвата слитка манипулятором предполагается увеличить объём донной части, которая станет цапфой для
удержания слитка. Диаметр каналов для охлаждения принимался 120 мм, расход охлаждающей жидкости 20 м3/час при температуре 25 °С.
Тепловое состояние слитка рис. 2 а подтверждает направленный те-плоотвод от поддона к теплоизоляционной крышке, так как максимальная температура (тепловой центр кристаллизации) располагается в верхней части слитка, который имеет вид усечённого эллипсоида вращения, что приводит к формированию в этом месте усадочной раковины. Температура донной части составляет - 750 °С, а теплового центра кристаллизации - 1377 °С. Полученное тепловое поле соответствует результатам распределения пористости по сечению слитка (рис. 3 ). Глубина усадки металла составляет 100___150 мм, осевая рыхлость отсутствует.
3
6 / \ 5
Рис. 1. Схема изложницы для получения укороченных слитков
с направленной кристаллизацией: 1 - футеровка; 2 - корпус; 3 - крышка; 4 - охлаждаемый поддон;
5 - вставка; 6 - донная часть слитка
Для оценки теплового состояния слитка в динамике необходимо построить зависимости изменения температуры металла слитка во времени. Для этого были выбраны характерные точки, по изменению температуры которых можно будет судить о тепловом состоянии слитка (рис. 3). Для анализа теплового состояния слитка, получаемого по новой технологии, необходимо точки разместить по оси слитка, так как кристаллизация происходит снизу вверх. Исследуем температуры поверхности слитка в его нижней центральной и верхней части.
197
Temperature
. _> С|
Н b
Рис. 2. Температурное поле слитка в момент полной кристаллизации
POROSITY Щ
Рис. 3. Пористость (усадка) слитка
Наивысшей температурой на протяжении всего времени охлаждения обладает верхняя часть тела слитка, а низшей температурой - его донная часть (рис. 4). Температура боковой поверхности тела слитка выше температуры донной части слитка, но ниже центра тела слитка, что приведет к образованию корки слитка. Температура на оси в нижней части тела слитка с течением времени сначала изменяется скачкообразно, а затем
198
плавно снижается со скоростью 34°С/час. Скачки температуры в первые 2 часа после разливки происходят из-за большой потери тепла на охлаждаемый поддон.
Рис. 4. Температуры характерных точек слитка от времени охлаждения
После наслоения кристаллов аустенита передача тепла уменьшается за счёт изменения способа теплопередачи от конвективного (для жидкостей) к теплопроводности (для твердых тел). В верхней части слитка скачок температуры происходит через 4 часа после окончания разливки. После этого верхняя часть тела слитка в осевой зоне охлаждается со скоростью 15 °С/час. Эта скорость в два раза ниже, чем скорость охлаждения нижней части слитка, так как тепловому потоку необходимо преодолеть слой металла значительной толщины. Центральная часть слитка охлаждается равномерно со средней скоростью 20 °С/час.
Температура поверхности тела слитка в течение 1 часа и 45 минут снижается с 1600 °С: в нижней части - до 470 °С, центральной части -до 900 °С и верхней части - 670 °С (рис. 4). После этого температура поверхности нижней и верхней части тела слитка поддерживается на том же уровне за счет теплового потока из центра слитка, а температура поверхности центральной части слитка поддерживается постоянной в течении следующих 5 часов, после чего плавно снижается со скоростью 15 °С/час.
Теоретическое исследование позволило подтвердить гипотезу направленной кристаллизации снизу вверх при утеплении верхней и боковой части тела слитка. Полученные результаты необходимо было проверить экспериментальным исследованием. При этом экспериментальное исследование позволит установить внутреннее строение слитка. Исследование проводилось на металлических моделях слитков. Соотношение размеров экспериментальных слитков Н / D = 0,7, конусность 12 %. В качестве ис-
199
ходного материала для проведения эксперимента был выбран алюминий марки А1. Алюминий имеет кубическую гранецентрированную решетку не испытывающей аллотропическое превращение, что соответствует аусте-нитному состоянию стали при кристаллизации. Температура плавления 660°С, изменения объема алюминия при плавке 6,26%.
Отливка слитков осуществлялась по специально изготовленным коническим моделям. В качестве опоки был применен полый металлический цилиндр диаметром 180 мм, высотой 200 мм и толщиной стенки 5,0 мм, который изнутри футеровался формовочной смесью (песчано-глинистый материал с добавлением силикатного клея) для теплоизоляции боковой поверхности слитка. В качестве кристаллизатора использовалась массивная стальная плита, которая отбирала тепло кристаллизации металла и тем самым обеспечивала направление кристаллизации слитка снизу вверх. Температура расплава алюминия составляла - 680°С. Полученные алюминиевые слитки после кристаллизации разрезались. Разрезка слитков производилась механической пилой с охлаждением водой вдоль оси по меридиональному сечению с отступом от оси 5 мм.
Макрошлиф слитка после травления представлен на рисунке 5. Полученное строение слитка характеризуется высокой плотностью с локализацией усадочной раковины в верхней части. Отсутствует осевая рыхлость. Примерно 50% высоты тела слитка имеет мелкозернистое строение, выше которой начинают образовываться вытянутые дендриты. Непрогретая формовочная смесь обеспечила появление на боковой поверхности зоны мелких кристаллов. По этой же причине происходила частично кристаллизация и с верхней части слитка, что привело к формированию усадочной раковины в виде усеченного конуса (рис. 5).
Рис. 5. Макрошлиф укороченного слитка
200
В результате численного моделирование процесса кристаллизации укороченного кузнечного слитка с утеплённой боковой поверхностью и охлаждаемым поддоном было установлено тепловое состояние, которое обеспечивает направленный фронт кристаллизации сплава снизу вверх. Тепловой центр кристаллизации расположен в самой верхней точке слитка. Направленная кристаллизация исключает образование осевой пористости, глубина усадочной раковины составляет 5...7 % от высоты тела слитка, что на 20.25 % меньше, чем для обычных кузнечных слитков. Снижение отвода тепла за счет утепления боковой части изложницы компенсируется интенсивным отводом тепла на поддон, что не приводит к увеличению времени кристаллизации.
Исследования на металлических слитках подтвердили полученные выше результаты. Макроструктурный анализ слитков с направленной кристаллизацией позволил подтвердить, что для слитков с соотношением Н / D < 1,0, больше 50% площади сечения преобладает мелкокристаллическое однородное зерно. При моделировании кристаллизации кузнечных слитков найдены условия, которые обеспечивают получение мелкой макроструктуры, которая бы удовлетворяла требованиям качества крупных поковок. Таким являются слиток с отношением Н / D = 0,5. 1,0 с обратной конусностью 7.14%, при условии направленной кристаллизации. Разработанный слиток может быть рекомендован для внедрения в производство при изготовлении заготовки для ковки крупных поковок. Дальнейшее исследование в данном направлении представляется в оптимизации формы и размеров прибыльной части слитка для полной локализации в ней усадочной раковины.
Список литературы
1. Смирнов А.Н. Крупный слиток. Донецк: Вебер, 2009. 278 с.
2. Пименов Г.А. Новое в технологии металлургического производства крупных поковок // Кузнечно-штамповочное производство. 1976. № 12. С. 1-3.
3. Скобло С.Я. Слитки для крупных поковок. М.: Машиностроение, 1973. 248 с.
4. О механизме возникновения химической неоднородности в стальном слитке / В.А. Вишняков, Н.М. Данилов, В.Д. Дементьев, О.В. Трифонов // Известия вузов. Чёрная металлургия. 1977. № 2. С. 35-39.
5. Дурынин В.А. Исследование и совершенствование технологии производства с целью повышения ресурса стальных изделий из крупных поковок ответственного назначения. СПб.: ХИМИЗДАТ, 2006. 272 с.
201
6. Keizo O. Improving the technology of high-large forgings // Iron and Steel Instr. Japan, 2003, № 7. P. 484-490.
7. Suzuki, K., Sato, I., Tsukada, H.. Manufacturing and material properties of ultralarge size forgings for advanced BWRPV // Nuclear Engineering and Design, 1994, 151, 513-522.
8. Пат. 61771 Украша, МПК(2006) B 22 D7/06. Виливниця для вщливання коротких ковальських злитюв / Марков О.С, Алieв 1.С., Олеш-ко М.В.; заявник та власник ДДМА, Краматорськ. № u201100943; заявл. 28.01.11; опубл. 25.07.11, Бюл. № 14.
9. Алиев И.С. Тепловое состояние при формировании укороченных кузнечных слитков с направленной кристаллизацией // Обработка материалов давлением. 2012. №2 (27). С. 107-112.
O.E. Markov
FORMATION AND STRUCTURE OF SHORT FORGING INGOTS WITH A DIRECTIONAL SOLIDIFICATION
The process of crystallization of the ingot with the H / D <1,0 with directional solidification was investigated. Directional solidification prevents the formation of axial porosity was found. The depth of shrinkage cavity is 5 - 7% of the height of the body of the ingot, which is 20-25% lower than for normal forging ingots.
Key words: crystallization, short ingot, axial porosity, shrinkage cavity.
Получено 20.07.12
