научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЗАХОЛАЖИВАНИЯ ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ НА УСЛОВИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СТАЛЬНОГО СЛИТКА И КАЧЕСТВО ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ НЕГО ПОКОВОК Металлургия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЗАХОЛАЖИВАНИЯ ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ НА УСЛОВИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СТАЛЬНОГО СЛИТКА И КАЧЕСТВО ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ НЕГО ПОКОВОК»

УДК 621.73-412.004.12

ВЛИЯНИЕ ЗАХОЛАЖИВАНИЯ ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ НА УСЛОВИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СТАЛЬНОГО СЛИТКА И КАЧЕСТВО ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ НЕГО ПОКОВОК

© Галкин Антон Николаевич; Зюбан Николай Александрович, д-р техн. наук; Руцкий Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук; Гаманюк Сергей Борисович; Пузиков Артемий Ярославич; Фирсенко Владислав Васильевич

Волгоградский государственный технический университет. Россия, г. Волгоград. E-mail: tecmat49@vstu.ru, rtecmat@vstu.ru Статья поступила 18.12.2012 г.

Методом физического моделирования кристаллизации стального слитка выявлены особенности затвердевания и развития дефектов усадочного происхождения модельных слитков с обычной и захолаживающей прибыльной надставками. Результаты моделирования подтверждены исследованием литой структуры реальных слитков. Определен характер развития ликвации углерода, серы, фосфора по сечению слитков, а также расположение и размер усадочных дефектов в слитках, затвердевающих при различных характеристиках тепловой работы головной части. Приведены результаты исследования качества металла трубных поковок, получаемых из опытного и сравниваемого слитков.

Ключевые слова: слиток; кристаллизация; усадочные дефекты; ликвация; прибыль; физическое моделирование; поковка.

Кристаллизация слитков, особенно большой массы, сопровождается усадочными явлениями с образованием раковины и рыхлостей в осевой области, которые не всегда устраняются в процессе дальнейшей деформационной обработки слитка. С целью подпитки осевых объемов слитка жидким металлом на изложницу устанавливается утепляющая прибыльная надставка, формирующая его прибыльную часть, объем которой может доходить до 25%. Правильно организованная тепловая работа прибыли может обеспечивать пребывание металла в жидком состоянии довольно продолжительное время, что способствует повышению плотности и качества металла в осевой зоне слитка, характеризующейся наибольшей дефектностью. Однако еще ранними исследованиями [1, 2] было установлено, что повышенная температура в осевой области может вызывать значительное развитие ликвации углерода по объему слитка, что в дальнейшем может привести к браку получаемых заготовок (рис. 1) [1].

Кроме того, большинство производимых поковок являются полыми, и в слитках, предназначенных для их изготовления, нецелесообразно устанавливать полноразмерную прибыль, учитывая, что осевая зона в этом случае либо удаляется с отходами, либо высверливается. В связи с этим для полых поковок применяют бесприбыльные слитки [3] или слитки с захоложенной головной частью [4], когда прибыльная надставка не уте-

пляется, а наоборот - делается массивной (рис. 2) с целью охлаждающего воздействия на верхнюю часть слитка.

Цель данной работы - исследование влияния захолаживания прибыльной части слитка на расположение усадочных дефектов в осевой зоне и снижение ликвации химических элементов по высоте полого слитка. Исследование проводили на основе физического моделирова-

Рис. 1. Концентрация углерода на различных горизонтах стального слитка, полученного с утепляющей прибыльной надставкой (пунктиром выделена зона максимальной положительной ликвации углерода)

200-

180-

160-

140-

о <

& 120-

а 1002

80-

н ЕЕ

60-

40-

20-

Рис. 2. Схема разливки слитков с захолаживающей прибыльной надставкой: 1 - поддон; 2 - изложница; 3 - утепляющая и ускоряющая кристаллизацию надставка; 4 - разливочный ковш

Вертикальная кристаллизация

Вертикальная кристаллизация

Верх слитка

Прибыль Низ слитка

Верх слитка

Вертикальная кристаллизация

Ш01Г)01Г)01Г)0Ш0Ш1Г)01Г)0Ш0Ш01Г)0тШ0Ш01Г)01Г)0Ш01Г) тшмомюмотш тшмомюмотш тшмомюмотш ^^^^г^г^г^ ^^^^г^г^г^ ^^^^г^г^г^

Время проведения эксперимента, мин

Рис. 3. Продвижение твердой фазы в модельных слитках при кристаллизации:

а - классического слитка № 1; б - слитка № 2 с захоложенной частью; в - слитка № 3 с захоложенной частью

ния процесса кристаллизации стального слитка при разливке по технологии с классической утепляющей надставкой (слиток № 1) и с захолаживающей прибыльной надставкой по двум вариантам - с относительным объемом прибыльной надставки 11,6% (слиток № 2) и 21,8% (слиток № 3).

В качестве моделирующего вещества использовали натрий серноватистокислый (кристаллический гипосульфит - Ыа28203-5И20) [5, 6]. Физическое моделирование проводили на прозрачной модели изложницы [7]. При моделировании срав-

нивали скорости нарастания твердой фазы в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Провели сравнение технологических и геометрических параметров модельных и реальных слитков (табл. 1).

При моделировании процессов кристаллизации слитков продвигающийся фронт кристаллизации разделяли на две составляющие: область горизонтальной кристаллизации - это твердая фаза, нарастающая последовательно от стенок к центру изложницы, и вертикальная кристаллизация - продвижение твердой фазы в вертикаль-

Таблица 1. Геометрия и технологические параметры разливки модельных и промышленных слитков

Отношение Конусность, % Объем, % Темпе- Время заливки, мин

Слитки ратура тсл/ тпр

высоты к среднему тела прибы- тела прибыльной надставки донной заливки, °С тела прибы-

диаметру слитка ли слитка части слитка тсл ли Тпр

Модельные

Слиток № 1 1,4 4 16,7 63,3 24,1 6,6 98,8 0,24 0,21 0,88

Слиток № 2 1,56 2 179 81,3 11,6 7,1 98 0,40 0,24 0,6

Слиток № 3 1,3 2 52 71 21,8 7,2 98 0,40 0,21 0,525

Промышленные

Слиток с утепля-

ющей надстав- 2,16 1,5 17,4 74,1 22,3 3,6 1570 2,7 1,3 0,48

кой массой 1,7 т

Слиток с захола-

живающей надставкой массой 1,99 4,4 53,3 85,9 10,3 3,8 1570 1,55 1,1 0,71

1,53 т

б

а

в

0

53.6 °с

6=0.96

48.2~°с , 0п.ю

е=0.96 1

' ГЧУ ~

б

Рис. 4. Результаты тепловизионного контроля слитка № 3: а - начало процесса кристаллизации; б - завершение процесса кристаллизации; е = 0,96 - степень черноты; 53,6 °С и 48, 2 °С - температура в точке маркера

ном направлении от низа к центру изложницы. Горизонтальную составляющую кристаллизации замеряли на различных горизонтах: низ слитка (1/10 высоты слитка), середина слитка, верх слитка (в подприбыльной зоне) и в прибыли (кроме классического слитка, так как утепляющая надставка удерживает моделирующее вещество в жидком состоянии максимально длительно). Динамика нарастания твердой фазы на различных горизонтах слитка и по вертикали представлена на рис. 3.

Сравнение результатов, полученных при физическом моделировании кристаллизации слитка, отлитого по классической технологии, и слитка с захоложенной головной частью, показало, что интенсивный отвод тепла от прибыли привел к значительнму увеличению скорости вертикальной кристаллизации (см. рис. 3). На начальном этапе высокая скорость вертикальной кристаллизации в моделируемом слитке с утепляющей прибылью можно объяснить интенсивным оседанием кристаллов, образующихся в объеме незатвердевшего расплава, а также максимальным тепло-отводом в нижней части модели изложницы и, как следствие, значительным нарастанием твердой фазы от дна модели изложницы. В слитках с захоложенной головной частью теплоотвод на всех горизонтах слитка равномерен, что не вызывает в начале процесса кристаллизации столь значительного роста твердой фазы от дна модели изложницы.

Изменение интенсивности продвижения твердой фазы подтверждается результатами тепло-визионного контроля (рис. 4).

Измерение температурных полей наглядно показывает изменение температуры в моделируемом слитке и положения теплового центра с течением времени. На начальных стадиях кристаллизации жидкий расплав (тепловой центр) располагался в подприбыльной части слитка, что связано с интенсивным теплоотводом в головной части и перемещением теплового центра в тело слитка. По мере нарастания твердой фазы от стенок модели изложницы и прибыли и снижения скорости теплоотвода в прибыли тепловой центр перемещается в прибыльную часть. При этом в затвердевающем слитке начинает образовываться протяженная усадочная раковина.

Сравнивая между собой результаты моделирования кристаллизации слитков с захоложенной частью, небходимо заметить, что использование прибыли-холодильника объемом 11,6% приводит к интенсивному, сосредоточенному теплоотводу в головной части, что вызывает ускоренное нарастание твердой фазы моделирующего вещества от стенок прибыли (см. рис. 3, б). Увеличение объема прибыли-холодильника до 21,8% не вызывает такой интенсивной кристаллизации от стенок, но создает условия для более равномерного охлаждения головной части слитка, что, в свою очередь, приводит к равномерному продвижению фронта вертикальной кристаллизации в центральной части слитка (см. рис. 3, в).

После окончательного затвердевания модельных слитков измеряли размеры структурных зон

Слиток № 1

Слиток№ 2

Слиток№ 3

Рис. 5. Структурные зоны модельных слитков: 1 - зона столбчатых кристаллов; 2 - нижняя конусообразная структурная зона; 3 - зона различноориентированных кристаллов; 4 - зона осевой рыхлости; 5 - усадочная раковина

а

Таблица 2. Развитие усадочных раковин в теле модельных и реальных слитков

Протяженность усадочной раковины, мм Диаметр усадочной раковины, мм Относительная

Тип слитка на середине длины на верхнем горизонте слитка протяженность усадочной раковины в теле слитка, %

Модельный слиток № 1 72 143 238 0

Модельный слиток № 2 209 88 102 40,8

Модельный слиток № 3 168 118 139 35,5

Промышленный слиток слиток с захоложенной головной частью 494 87 97 50,4

и усадочной раковины. Данные о развитии структурных дефектных зон каждого из модельных слитков в сравнении с реальными приведены на рис. 5 и в табл. 2.

Результаты исследования показывают (см. рис. 5, табл. 2), что усадочная раковина в модельных слитках с захоложенной головной частью имеет значительное развитие по длине (свыше трети длины всего слитка), но значительно меньший диаметр. Сравнение слитков с различным объемом захолаживающей надставки показало, что с уменьшением объема прибыли-холодильника усадочная раковина значительно ^же, что связано с более интенсивным отводом тепла в головной части и значительным на

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.

Показать целиком