УДК 669.187.26
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ НАПЛАВЛЕНИЯ НА КАЧЕСТВО ПОЛЫХ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ ВЫПЛАВКИ*
© Левков Леонид Яковлевич, канд. техн. наук, e-mail: 6758745@mail.ru; Шурыгин Дмитрий Александрович, e-mail: shurygind5@mail.ru;
Орлов Сергей Витальевич, e-mail: sv-eagle@yandex.ru; Кригер Юрий Николаевич, e-mail: kriger@cniitmash.ru; Лазукин Александр Вадимович, e-mail: lazukin_av@mail.ru; ОАО НПО «ЦНИИТМАШ». Россия, Москва
Дудка Григорий Анатольевич, e-mail: dudka@energomash.ru; Лесунов Александр Сергеевич, e-mail: lesunov_as@energomash.ru; Ронжин Александр Сергеевич, e-mail: ronzhin_as@energomash.ru ЗАО «Энергомаш (Белгород) - БЗЭМ». Россия, г. Белгород Статья поступила 17.04.2014 г.
При изготовлении ответственных высококачественных изделий с высокой добавленной стоимостью для энергетики перспективным является применение технологий электрошлакового переплава, в частности, производство полых заготовок электрошлаковой выплавки (ЭШВ).
В ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» разработана технология производства высококачественных трубных заготовок методом ЭШВ для трубопроводов ТЭС и АЭС, которая успешно промышленно освоена в России - в ЗАО «Энергомаш (Белгород) - БЗЭМ». Один из основных факторов технологии - управление скоростью наплавления слитка, влияющей на качество заготовки. Исследовано влияние скорости наплавления на качество полых заготовок ЭШВ с помощью компьютерного и натурного моделирования, проведен анализ технологических параметров переплава, исследованы микроструктура и свойства металла. Приведен способ управления кристаллизацией и структурой металла.
Ключевые слова: электрошлаковый переплав; полые заготовки; натурное и компьютерное моделирование; скорость переплава; структура и свойства металла; низкая частота.
Повышение эффективности энергогенерирую-щего агрегата определяется его техническими параметрами, а также напрямую зависит от качества отдельных узлов, в том числе трубопроводов. Повышение качества металла трубопроводов позволяет повышать рабочую температуру и давление теплоносителя, тем самым способствуя увеличению КПД энергетической установки в целом.
Ресурс и надежность металлоизделий для энергетического оборудования в значительной мере связаны с уменьшением дисперсий таких характеристик качества металла как химический состав и структура по высоте и сечению заготовки, распределение и морфология неметаллических включений и избыточных фаз, ответственных за длительную прочность и пластичность при температурах эксплуатации.
Решая задачу улучшения указанных характеристик металла, ведущие зарубежные производители энергетического оборудования отдают сегодня безусловное предпочтение электрошлаковому переплаву (ЭШП) [1, 2].
В результате многолетних исследований и экспериментов в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» разработана и в последние годы в России про-мышленно освоена технология производства высококачественных трубных заготовок методом электрошлаковой выплавки (ЭШВ) для трубопроводов ТЭС и АЭС, успешно развивающаяся в ЗАО «Энергомаш (Белгород) - БЗЭМ» [3]. При разработке технологии особое внимание уделено исследованию и управлению процессами затвердевания.
Один из основных факторов технологии -управление скоростью наплавления слитка, влияющей на форму фронта кристаллизации, глубину металлической ванны, величину двухфазной области и структуру слитка, степень рафинирования металла, качество поверхности слитка.
С целью исследования влияния скорости на-плавления на макроструктуру трубных заготовок ЭШВ и возможность образования дефектов проведены расчеты в системе компьютерного моделирования литейных процессов РгоСЛБТ. Вы-
*В работе принимали участие канд. физ.-мат. наук И.А.Иванов, д-р техн. наук, проф. В.С.Дуб, М.В.Ульянов.
ч- ;-■ а
8' ~—
л
g 10' у12.
Рис. 1. Конечно-элементная сетка сегмента полой заготовки ЭШВ
Рис. 2. Продольное сечение: а - по оси полой заготовки через центр расходуемых электродов 6-12'; б - параллельное оси полой заготовки через центр расходуемого электрода 3'
полнено моделирование затвердевания жидкого металла при различной глубине ванны. Целью моделирования было изучение влияния глубины ванны на формирование дефектов усадочного происхождения.
Для моделирования была подготовлена 3Э модель трубы и построена конечно-элементная сетка (рис. 1). При этом использовались теплофи-зические параметры, подобранные путем анализа литературных данных [4].
На рис. 2 представлены сечения сегмента, на которых линиями изображены начальные контуры нижней границы жидкой металлической ванны и схематично показано расположение зоны усадочных дефектов. Расчет подтверждает, что существует граничная величина глубины жидкой металлической ванны, находящейся в пределах от 0,85 до 1,0 толщины стенки трубной заготовки, превышение которой неизбежно приводит к возникновению усадочной рыхлости или даже раковин.
Результаты моделирования показывают, что наличие глубокой металлической ванны, получаемой в результате чрезмерно высокой вводимой мощности и высокой скорости наплавления, нарушает условия направленного затвердевания, что, в свою очередь, приводит к формированию усадочных дефектов. Похожую картину можно наблюдать при затвердевании обычных заливаемых в изложницу слитков с недостаточной конусностью при отношении их высоты к диаметру,
Рис. 3. Компоновочная схема натурного моделирования образования усадочных дефектов при ЭШП трубной заготовки: 1 - водоохлаждаемый дорн; 2 - теплоизолирующая
засыпка; 3 - кристаллизатор; 4 - расходуемый электрод; 5 - графитовые пластины; 6 - выплавляемый сегмент трубной заготовки
превышающем единицу, когда слиток поражается осевой рыхлостью [5, 6].
Для адаптации результатов компьютерного моделирования проведено натурное моделирование на лабораторной установке ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» ЭШП-0,5У. Выплавлены опытные слитки из стали 20-Ш, представляющие собой сегменты трубной заготовки, схема размещения которых в кристаллизаторе приведена на рис. 3.
Плавки проводили по монофилярной электрической схеме при «твердом старте», т.е. предварительно прокаленный флюс расплавляли непосредственно в кристаллизаторе. Параметры
Параметры опытных плавок
Номер плавки Продолжительность плавки, мин Средняя скорость наплавления Отношение глубины металлической ванны к толщине стенки, H/D Дефекты усадочного происхождения
кг/мин мм/мин
1 9 0,58 14,4 1,67 Крупные
2 12 0,39 10,0 1,00 Мелкие
3 24 0,24 5,8 0,83 Отсутствуют
Рис. 4. Форма металлической ванны, выявленная по макроструктуре продольных темплетов опытных слитков:
а - плавка 1; б - плавка 3 (черные точки - частицы вольфрама)
проведения лабораторных плавок приведены в таблице.
В процессе переплава проводили фиксацию металлической ванны и двухфазной области смесью порошков вольфрама и ферросеры в соотношении 1:1. Из модельных сегментов по оси расходуемых электродов вырезали продольные темплеты, которые травили в растворе FeCl, HCl и H2O в соотношении 1:1:1.
На рис. 4 представлены снимки макроструктуры темплетов плавок 1 и 3, форма границы и глубина жидкой металлической ванны в которых заметно различаются. Высокая скорость на-плавления приводит к возникновению дефектов структуры, таких как поры, усадочная рыхлость, свищи, вследствие достижения коэффициента формы ванны (Кф) менее 0,5 (см. рис. 4, а). Ограничение скорости наплавления позволяет ограничить Кф на уровне 0,7 (см. рис. 4, б) и избежать образования упомянутых дефектов.
Результат натурного моделирования согласуется с результатом компьютерного расчета для максимальной глубины ванны, равной толщине стенки заготовки (60 мм в условиях модельных плавок). Кроме того, при натурном моделирова-
Внешний край
нии установлено критическое значение коэффициента формы ванны, который должен быть не менее 0,7 для получения плотного бездефектного металла.
Исследование особенностей электрошлаковой выплавки промышленных полых заготовок диам. 550x87 мм из стали 16ГС-Ш проведено на установке ЭШП-5Л ЗАО «Энергомаш (Белгород) - БЗЭМ».
Опытный режим переплава при бифилярной электрической схеме позволял вводить на первой группе электродов мощность на 40-100 кВт (5-15%) выше, чем на второй. Из металла, полученного в период опытного режима переплава, вырезали продольные и поперечные темплеты для металлографического исследования и образцы для испытаний механических свойств.
На рис. 5 приведена макроструктура продольных темплетов, вырезанных в направлении «внешняя стенка трубы - дорн», полученных в период опытного режима плавки № 323, отмечены углы кристаллизации металла под расходуемыми электродами 1-й и 2-й групп, а также между ними.
Под 1-й группой расходуемых электродов угол кристаллизации осей дендритов больше, чем под 2-й группой РЭ (30°>24°) и наблюдается более глубокая металлическая ванна. По расположению осей дендритов и углу кристаллизации металла можно заключить, что между расходуемыми электродами температура металла ниже, чем под электродами, и, соответственно, жидкометаллическая ванна мельче, а коэффициент формы ванны выше.
Результаты испытаний механических свойств образцов, отобранных из-под электродов 1-й группы и между электродами, вырезанных в поперечном направлении, удовлетворяют требованиям ТУ 1301-39-00212179-2010 [3] и находятся в
323-1 группа электродов
323 между электродами
323-2 группа электродов
Рис. 5. Макроструктура продольных темплетов, полученных на опытном режиме
I;. ■ Г..1
".- I
Образец А Ы-.-т»
Образец Б ^ЕЖ
Рис. 6. Излом ударных образцов А (под 1-й группой электродов) и Б (между электродами) с оценкой хрупкой составляющей (отмечена штриховой линией), х8
соответствии со средними статистическими значениями механических свойств полых заготовок ЭШВ из стали 16ГС-Ш.
Результаты измерений ударной вязкости имеют запас до 2,5 раз по отношению к требованию технических условий (54 Дж/см2 при 20 °С), однако их средние значения для образцов, отобранных под расходуемыми электродами 1-й группы (124,3 Дж/см2) на 12% меньше, чем средние значения для образцов, отобранных между электродами (139,3 Дж/см2). Максимальное различие ударной вязкости образцов А и Б (р
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.