CC BY
22
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип.№13
2003 р.
УДК 621.746.62
Скребцов А.М.1, Петренко Д.И.2, Проценко Д.Н.3
КАЧЕСТВО СЛИТКА СПОКОЙНОЙ СТАЛИ С РАЗЛИЧНОЙ КОНУСНОСТЬЮ ЕГО ГРАНЕЙ
Для расширяющихся кверху слитков спокойной стали, получена новая зависимость между величинами - конусность граней а %, отношение высоты к диаметру H/D и баллом качества металла по внутренней пористости отливки. Затвердевание одинаковых по массе слитков, расширяющихся кверху с прибыльными надставками и расширяющихся книзу с теплоизоляционными вкладышами в верхней части, происходит практически с одинаковой скоростью. На модельных экспериментах со сплавом силумина найдено, что расширяющиеся книзу слитки, по сравнению с расширяющимися кверху, имеют меньшее, но более однородное распределение значений твердости материала. Горячая деформация обоих типов слитков приводит к завариванию внутренних раковин и улучшению качества металла
Важными конструктивными параметрами слитков различных марок стали является отношение высоты Н к поперечному приведенному диаметру D, а также конусность граней а [1,2,3]. Эти параметры определяют направленность затвердевания металла и его качество.
Несмотря на весьма продолжительное время отливки слитков до сих пор нет однозначного мнения об оптимальных значениях величин H/D и а. Так, например, A.M. Данилов для повышения качества слитков предлагает уменьшить значение H/D от существующего до 2,2 - 1,7 [5]. Наоборот, В.И. Андреев сообщает об опыте производства слитков с получением плотного металла при отношении H/D = 4 [10]. Из анализа заводских данных [3] следует, что между величинами H/D и а фактически никакой зависимости не обнаруживается.
Задача настоящего исследования - проанализировать качество металла экспериментальных слитков с различными параметрами H/D и а. При выполнении работы использовали, как результаты опубликованных в литературе исследований, так и наши модельные эксперименты со сплавом силумина.
Анализ промышленных экспериментов на расширяющихся кверху слитках
В работе [2] отмечается, что для этих слитков характерно следующее строение - вдоль вертикальной оси под усадочной раковиной прибыли обнаруживается "мост" плотного металла, потом следует зона вторичных усадочных пустот, далее - плотный металл донной части. По литературным данным [1,2] металл вторичных усадочных пустот, как правило, сваривается при горячей пластической деформации (ковка, прокатка).
Для поиска оптимальных соотношений H/D и а мы использовали только исследовательские и конструкторские работы, в которых авторы создавали новые слитки с вариациями параметров H/D и а [1,9,10,13 - 18]. Рассматривались мелкие (0,7 - 14 т) и крупные (19,0 - 70,0 т) слитки. Различные авторы изменением величин H/D и а добивались улучшения качества металла по величине уменьшения его осевой пористости. Качество металла, в согласии с разработчиками новых слитков, характеризовали по двухбалльной системе: обычные и улучшенные.
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ГТГТУ, ассистент
3 ГТГТУ, аспирант
На рис. 1 представлена, не известная ранее в литературе, взаимозависимость между величинами - конусность слитка а % на две стороны, значение H/D и качество металла. Из рисунка видно, что как для мелких ( ф так и крупных слитков ( Я> точки более высокого качества металла располагаются в области повышенных значений величин H/D и а (ограничены пунктирной линией). Из рисунка можно также установить, что различные авторы для улучшения качества слитка чаще всего варьировали его конусностью а, по сравнению со значением H/D.
Сравнение кинетики затвердевания расширяющихся кверху и книзу слитков В 70-е годы на металлургических заводах различных стран получила развитие разливка спокойной стали в расширяющиеся книзу изложницы с утеплением их верхней части прибыльными надставками или теплоизоляционными плитами [4 - 8]. Такая технология целесообразна, так как она приводит к уменьшению расхода слитков на тонну готового проката. Расположение внутренних дефектов по оси расширяющихся книзу [4] и кверху [2] слитков оказалось подобным друг другу.
Для сравнения качества металла обоих типов слитков проанализировали экспериментальные табличные данные из работы [11]. Авторы этой публикации исследовали 12 опытных слитков массой от 3,0 до 12,4 т. Каждую пару близких по массе слитков отливали из металла одной плавки в изложницы прямой и обратной конусности (от - 2,5 % до + 10 % на две стороны). В работе [11] с помощью изотопа фосфора-32 нашли численные значения толщины затвердевшего слоя металла в различные моменты времени и на различных уровнях слитка и прибыли.
Из многочисленных литературных данных [1,2] известно, что между толщиной d затвердевшего слоя металла в слитке или отливке и квадратным корнем из времени затвердевания -JV (для не слишком большого г ) наблюдается линейная зависимость вида d = К-JV (К -
25
20
Е
о
■С
15
4 8 12 4 8 12
VT , мин 1 2 Jz , MUH ! 2
20
15
го .о
о
0
| 10
1 о
Iе,
i 1 ■
•
t. V- • •
□ j □ с -■- А0 0 о 9 • 0
4 6 H/D
8
10
Рис.1 - Взаимозависимость для расширяющихся кверху слитков между величинами -конусностью а% (на две стороны), значением H/D и качеством металла. ( ■ • - улучшенное и обычное - □ О). Масса слитков: в,0 - 0,7-14 т; и ,□ - 19-70
а о>
д г /а о/
оу о / /А JA
Рис.2-Толщина затвердевшего слоя металла d в зависимости от корня от времени л/г~ на половине (а) и 3Л высоты (б) изучавшихся слитков. Экспериментальные данные из работы [7]. Слитки расширяющиеся: кверху - О ; книзу - А .
о
73
22
15
8
У fi o° i % д
ш оо/ ß д
¿kv •
8
12
V7,
мин
1/2
Рис.З-Приведеные толщины й затвердевшего металла слитков стали расширяющихся кверху или книзу в зависимости от квадратного корня времени . Уширенные книзу слитки-горизонты высоты: '/2 -• ; % - А: 100 мм ниже прибыли - ■; 30 мм ниже Уширенные кверху слитки, на тех же горизонтах: О , Д , □ .О .
константа затвердевания). На рис. 2 приведена зависимость между величинами с1 и для половины (а) и три четверти высоты (б) всех изучавшихся слитков. Из рисунка видно, что в обоих случаях кристаллизация металла происходит практически одинаково в разных изложницах с константами затвердевания К1/2= 3,12 см/мин'2 и К3/4= 2,86 см/мин12. На горизонтах 100 и 30 мм ниже уровня стыка прибыль - тело слитка константы равны - Кюо= 2,67 см/мин! 2 и Кзо= 2,44 см/мин1,2.
Очевидно, что переход из жидкого в твердое состояние на разных уровнях слитка происходит по качественно одинаковым закономерностям, отличаясь только количественно. Вероятно, можно все толщины затвердевшего металла пересчитать, т.е. привести к какой-либо одной константе затвердевания. Примем условно за стандарт величину Кщ» Тогда приведенные толщины можно получить, если экспериментальные значения толщины на уровнях % высоты, на 100 и 30 мм ниже стыка прибыль-тело слитка умножить на коэффициенты, равные соответственно - К1/2: К3/4; К1/2 : К100 и К1/2: К30.
На рис. 3 представлены приведенные толщины затвердевшего металла на различных уровнях опытных слитков в зависимости квадратного корня из времени Л/|» . По расположению точек на этом ри-
сунке можно сделать вывод, что по макрокинетике кристаллизации металла расширяющихся кверху и книзу слитки существенно не отличаются друг от друга. Этот вывод согласуется с результатами нашей ранее проведенной работы [12], в которой ускорение затвердевания нижней части любого слитка объяснено особенностями конвекции жидкого расплава стали при опускании в ней возникших изолированных кристаллов.
/
/ /
\ /
4 ь
r
а
Рис.4-Графическая схема изменений твердости на осевых темплетах расширяющихся кверху ( а)и книзу (б ) слитков; обозначение твердости: Щ - 0-15 НИЗ; П- 15-30 НКВ; □ - 30-45 НКВ; Щ- 45-60 НИЗ; □ - 60-75 НИВ.
Моделирование затвердевания слитков с положительного и отрицательного
конусностью граней Экспериментальную часть работы выполнили с одним из сплавов алюминия - силумином. Опытные отливки массой ~ 3 кг имели высоту 220 мм, отношением H/D близкое к оптимальному [1] ~ 2,6 - 2,8 и разные конусности граней а = + 9,1 % и а = + 2,3 %. При одних и тех же моделях литейных форм путем их поворота на 180 С изготавливали отливки с обратной конусностью а - 9.1 %и а = - 2,3 %. Температура заливки расплава в формы опытных слитков была 700 и 770 °С.
Из затвердевших отливок вырезали осевые темплеты толщиной 6-8 мм, на которых после шлифовки наносили с шагом 10 мм взаимоперпендикулярные линии для измерений твердости на их пересечениях. Измерения твердости проводили на приборе Роквелла по шкале В стальным шариком d = 5 мм.
Результаты измерения твердости на осе-
вых темплетах двух отливок с различной конусностью его граней (а = + 9,1 % и а = - 9,1 %) представлены на рис. 4. Из рисунка видно, что при а = + 9,1 % (рис.4а) в подприбыльной части находится зона пониженной плотности. Отливка расширяющиеся книзу (рис. 46) имеет практически равномерную и пониженную твердость (очевидно, и другие механические свойства). Как отмечено выше [1,2],горячая деформация слитков прямой и обратной конусности приводит к заварке внутренних пустот и выравниванию качества металла по отношению друг к другу.
Изучали также влияние температуры заливки расплава в форму на качество металла. При конусности а = + 9,1 %иа = + 2,3 % и температуре заливки 700 °С в своей основной части (3/4 высоты от дна) опытные отливки имеют одинаковую повышенную твердость (65-75 HRB). При обратной конусности а = - 9,1 % и а = - 2,3 % твердость в первом случае практически не уменьшилась, а во втором она заметно уменьшилась (~ до 50 HRB). Очевидно большая отрицательная конусность слитка способствует при его затвердевании усилению конвекции расплава, из-за опускания в нем возникших изолированных кристаллов, и повышению качества отливки.
При температуре расплава 770 °С и прямой конусности (а = + 9,1 %) твердость шлифа уменьшилась до ~ 50 HRB, и при а = - 9,1 % - до ~ 60 HRB. Таким образом, существует оптимальная температура заливки расплава в форму расширяющихся книзу слитков, в нашем случае это ~ 700 °С.
Выводы
1. Для расширяющихся кверху слитков получена новая взаимозависимость между величинами - конусность граней а %, отношение высоты к диаметру H/D и баллом качества металла по внутренней пористости отливки. Зависимость может быть использована для совершенствования геометрических параметров вновь конструируемых слитков.
2. Анализ литературных данных по изучению кристаллизации металла с помощью изотопа фосфора -32 обычных расширяющихся кверху слитков и появившиеся в 70-е годы слитков расширяющихся книзу с утеплением их верха теплоизоляционными плитами показал, что затвердевание в обоих случаях происходит с практически одинаковой скоростью. Следовательно, качество названных типов слитков не может заметным образом отличаться друг от друга.
3. На модельных экспериментах со сплавом силумина показано, что расширяющиеся книзу, по сравнению с расширяющимися кверху слитками, имеют более однородное распределение, но меньшее значение твердости металла в их объеме. Однако, в литературе доказано, что при горячей пластической деформации слитков такого типа их качество улучшается из-за заваривания внутренних дефектов.
4. Целесообразность применения расширяющихся книзу слитков, по сравнению с расширяющимися кверху, определяется более высоким выходом годного.
Перечень ссылок
1. Скобло С.Я. Слитки для крупных поковок 1С.Я. Скобло, Е.А. Казачков - М.: Металлургия, 1973.-248с.
2. Пронов А.П. Кристаллизация стального слитка /А.П. Пронов- М.:Изд.АН СССР, 1960,-150с.
3. Тришевский И.С. Слитки и изложницы /И.С. Тришевский, Б.И. Панич, H.A. Николаенко-Киев:Гостехиздат УССР.- 1959.-222с.
4. Опыт разливки сифоном крупных слитков спокойной стали в уширенные книзу изложницы с применением теплоизоляционных вкладышей I Я.А. Шнееров , В.Ф. Поляков , С.Е. Гринберг и др.// Разливка стали в слитки и их качество: Темат. сб.- М., 1972,- №1.-С. 17-20.
5. Разработка и освоение технологии разливки спокойной стали в изложницы, уширенные книзу, с применением теплоизоляционных плит для утепления головной части слитка /Л.И. Крупман, Б.П. Синяговский, A.C. Петик и др.// Разливка стали в слитки и их качество. Темат. сб.- М., 1972,- №1,- С.3-7.
6. Исследование качества металла при разливке в уширенные книзу изложницы с теплоизоляционными вкладышами / Я. А. Шнееров, В.Ф. Поляков, Д. Д. Данилов и др.// Разливка стали в слитки и их качество: Темат. сб.- М., 1975,- №4,- С. 11-22.
7. Влияние утепления теплоизоляционными вкладышами головной части уширенных книзу слитков на качество средне- и высокоуглеродистого металла при разливке стали сифонным способом /КС. Алферов, Н.М. Виноградов, Ю.В. Романов и др.// Разливка стали в слитки и их качество: Темат. сб.- М., 1974,- №3,- С.5-11.
8. Методика исследования качества слитков, отлитых с применением теплоизоляционных вкладышей /Л.И. Крупман, ДМ. Максименко, И.И. Воробьев и др.// Разливка стали в слитки и их качество: Темат. сб.- М., 1973,- №2,- С. 14-16.
9. Данилов A.M. Улучшение технологи разливки стали и качество слитка /A.M. Данилов // Труды НТО 4M,- М., 1957,- T.XVIII- С.563-571.
10. Андреев В.И. Слитки новой формы для ковки и прокатки /В.И. Андреев, КН. Иванов //Труды НТО ЧМ.-М., 1955,- T.V.- С. 175-185.
11. Шнееров Я. А. Формирование слитков при отливке в уширенные книзу и кверху изложницы / Я.А. Шнееров, В.Ф. Поляков, В.Я. Мшевич // Разливка стали в слитки и их качество. Темат. сб.- М., 1975,- №4,- С.25-33.
12. О причине ускорения затвердевания стали в нижней части слитка / Скребцов A.M., Бойчук Л.Е., Юрченко М.А. и др. // Повышение качества стальных слитков/.-Киев, ИПЛ.АН УССР, 1988,- С.56-58.
13. Богданова Н.Г Изучение строения слитка хромистой стали с помощью радиоактивных изотопов /Н.Г. Богданова, А.Н. Королев, В.Н. Маслов //Сталь: Сб. статей,- М., 1967,- С.213-228.
14. Замотаев С.П. Производство стали на Уралмаш заводе /С.77. Замотаев //Производство стали: Сб.- Москва; Свердловск, 1958,- Вып. 3,- С.3-16.
15. Богородский А.Л. Исследование крупного слитка /А.Л. Богородский, A.B. Микулъчик //Производство стали: Сб.- Москва;Свердловск, 1958,- Вып. 3,- С.76-100.
16. Лебедев В.Н Влияние формы слитков на качество крупных поковок /В.Н. Лебедев, В.М. Коровина, А.Н. Гринюк // Физико-химические и теплофизические процессы кристаллизации стальных слитков: Тр. 2-ой конф. по слитку,- М., 1967,- С.264-269.
17. Микулъчик A.B. Влияние конструкции изложницы на качество кузнечного слитка /A.B. Микулъчик //Физико-химические и теплофизические процессы кристаллизации стальных слитков: Тр. 2-ой конф. по слитку,- М., 1967,- С.284.
18. Мурин Ф.В. Влияние геометрии изложницы и массы слитка на качество трубной заготовки из стали 12Х11В2МФ(ЭИ-756) /Ф.В. Мурин, E.H. Малиновский, М.И. Синельников //Физико-химические и теплофизические процессы кристаллизации стальных слитков: Тр. 2-ой конф. по слитку,- М., 1967. - С.286-290.
Статья поступила 16.12.2002
