Наукові та технологічні основи виробництва великих сталевих зливків поліпшеної якості

Якість біметалу, одержуваного з застосуванням розробленої технології, оцінювали в литому і катаному станах. Проведеними дослідженнями було встановлено, що біметал, отриманий за новою технологією має якісну макроструктуру, високу хімічну однорідність і чистоту по газах і неметалічних включеннях. Особливу увагу приділяли дослідженню зони сплавляння. Зразки відбирали від зливків і листів, виготовлених як за існуючою, так і за новою технологіями. Зміну вмісту таких елементів як хром, нікель, марганець, кремній у перехідній зоні вивчали за допомогою оптичних і растрових мікроскопів, а також на мікрозонді MS-46 “Cameca”. На рис. 10 показана зміна вмісту хрому і нікелю в зоні сплавки біметалу.

Аналіз наведених даних показав, що перехід елементів від сталі 08Х18Н10Т до 09Г2С здійснюється плавно. Так, зона переходу хрому і нікелю в біметалічних зразках, відібраних від зливка, складає приблизно 400 - 500 мкм, а від листа товщиною 0,01 м - порядку 150 мкм. Яких-небудь дефектів у зоні сплавки виявлено не було. Різнотовщинність шарів досліджуваних листів майже цілком відсутня, міцність з'єднання шарів у 2-2,5 рази перевищує вимоги стандарту і складає 295-389 МПа. Випробування досліджуваного біметалу на схильність до міжкристалітної корозії показали високу корозійну стійкість металу плакувального шару.

Впровадження нової технології виробництва біметалічних зливків дозволило зменшити масу відходів нержавіючої сталі на 34 кг/т, знизити витрати на підготовку зливків до прокатування і поліпшити якість біметалічного листа.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі здійснено вирішення важливої науково-прикладної проблеми - розробки і розвитку наукових і технологічних основ виробництва великих сталевих зливків, що забезпечують одержання крупних листових і горизонтальних зливків підвищеної однорідності, встановлення та оптимізації факторів, які впливають на процеси формування структури і якості металу і мають важливе значення для теорії і практики процесів розливання сталі. Основні наукові і практичні результати роботи наведені нижче.

На базі результатів виконаних комплексних досліджень процесів формування сталевих зливків розроблені нові теоретичні уявлення про механізм затвердіння і формування основних видів макронеоднорідності, що дозволило розробити конструкції та удосконалити технології виробництва крупних сталевих зливків із поліпшеною макроструктурою і високою якістю листового прокату з них, що є вирішенням актуальної науково-технічної проблеми, що має важливе значення для економіки України.

Дослідженнями температурного стану незатверділої серцевини сталевих зливків різноманітної маси, що розливаються сифонним способом, встановлено, що після заповнення виливниці метал, що не затвердів, може знаходитися в стані перегріву, переохолодження або приймати температуру ліквідусу в залежності від початкової температури металу, маси зливка і швидкості розливання. У крупних зливках масою 10,5-30,0 т переохолодження не виявлено, а температура металу після зняття перегріву знаходиться на рівні ліквідусу, що дозволяє стверджувати про існування ізольованих кристалів в об'ємі незатверділої серцевини, які беруть участь у формуванні донного конуса і зони вертикальної кристалізації.

На підставі всебічного дослідження процесу формування сталевих зливків різноманітної маси і форми з використанням комп'ютерного моделювання та експериментальних методів: введення індикатора, диференційованого і горизонтального зондування, а також методу вибуху, вперше запропонованого автором, встановлені закономірності розвитку зони двофазного стану, що визначають формування основних структурних зон і макронеоднорідності великих сталевих зливків.

За результатами прямих експериментальних досліджень формування хімічної неоднорідності в крупних сталевих зливках запропонована модель розвитку зональної ліквації, що враховує максимальний ступінь вимивання домішки з двофазної зони в залежності від швидкості кристалізації металу і переміщення конвективних потоків вздовж фронту затвердіння, дана кількісна оцінка значень ефективних коефіцієнтів розподілу домішок при затвердінні крупних сталевих зливків і встановлена критична швидкість затвердіння, яка визначає протікання процесу макроліквації домішок.

На основі запропонованого механізму кристалізації та утворення макронеоднорідності крупного сталевого зливка уточнені та доповнені основні принципи одержання великих сталевих зливків поліпшеної якості, головні з яких - раціональні конструктивні параметри зливка, які забезпечують високий ступінь спрямованості затвердіння і достатня чистота сталі, що розливається, по газах, шкідливих домішках і неметалевих включеннях.

Дослідженнями на установці високотемпературної віскозиметрії, розробленої автором, визначені температурні залежності в'язкості сплавів залізо-вуглець, а також ряду вуглецевих і легованих сталей, отримані нові експериментальні дані з в'язкості розплавів залізо-вуглець і сталі 08Х18Н10Т поблизу температури ліквідусу, показана можливість визначення температури початку затвердіння по вигину політерм в'язкості, вивчений вплив вмісту легуючих елементів і елементів-розкислювачів на в'язкість розплавлених сталей у широкому діапазоні температур.

Нові, оригінальні дані з теплофізичних і фізико-хімічних властивостей сталей і шлаків уперше отримані автором: в'язкість і ентальпія сталей, плавкість теплоізолюючих сумішей, електропровідність шлаків - використані для розрахунків гідродинаміки заповнення виливниць, кінетики затвердіння зливків у виливницях, а також при розробці оптимальних режимів електрошлакового обігріву двошарових горизонтальних зливків. За удосконаленою методикою із застосуванням експериментальних даних з в'язкості сталей виконані розрахунки гідродинаміки руху металу в сифонній проводці, на підставі яких встановлений мінімальний діаметр ливникових каналів і висота центрової трубки для забезпечення необхідної швидкості розливання крупних сталевих зливків масою 20-30 т.

За результатами температурних вимірів, виконаних із використанням спеціально розробленої методики, установлено, що незважаючи на вирівнювання температури в сталерозливному ковші за рахунок продування аргоном, по ходу розливання мають місце значні температурні зміни, які враховані при розробці швидкісних режимів розливання. Запропонована розрахункова формула для визначення оптимальної температури металу в ковші після продування аргоном, на підставі якої розроблені нормативи швидкісного сифонного розливання крупних листових зливків масою 20-30 т і внесені доповнення в технологічну інструкцію з розливання.

Розроблено оригінальну методику виміру та отримані нові дані з температури поверхні зливків у процесі їхнього затвердіння, згідно з якою виміри здійснювали контактними термопарами, встановленими в рухливих чопах, які мають гравітаційні натискні пристрої (одночасно визначали розмір газового зазору між зливком і виливницею). Отримані експериментальні дані були використані при розробці нормативів витримки зливків у виливницях, а також для формулювання граничних умов при комп'ютерному моделюванні температурних полів у затвердіваючих зливках.

Розроблено теплоізолюючу суміш для сифонного розливання сталі, яка не містить графіту і поліпшує якість зливків, до складу якої входять попіл ТЕЦ і мінерали силіманітової групи. Запропоновано засоби і пристрої подачі теплоізолюючих сумішей у виливницю, що дозволили суттєво поліпшити якість донної частини зливків і зменшити загальну кількість поверхневих дефектів, а також знизити на 10-20 % викиди пилу з виливниць при розливанні.

Розроблено раціональні параметри й елементи конструкції нового 30-тонного листового зливка, що дозволяють одержати достатньо однорідну внутрішню структуру, зниження витратного коефіцієнта металу при прокатуванні на 20 кг/т сталі, економію виливниць, піддонів, вогнетривів. Для зменшення розвитку осьової і позацентрової ліквації крім поліпшення чистоти сталі, що розливається, за рахунок застосування позапічної обробки сталі в ковші, були обрані конструктивні параметри зливка, що забезпечують високий ступінь спрямованості затвердіння.

У результаті використання теоретичних розробок і експериментальних досліджень автора, вперше в Україні були впроваджені у виробництво листові зливки масою 30 т, виливниці для розливання зливків, а також раціональні технології їхнього виробництва. Оптимізація температурних і швидкісних режимів розливання, умов підводу металу у виливницю, утеплення, витримки зливків у виливницях дозволили за умови достатньо високої якості сталі, що розливається, одержати крупний листовий зливок з високою якістю поверхні і високого ступеню фізичної і хімічної однорідності. Розливання дослідно-промислової партії 30-тонних зливків (8175 т сталі), дослідження якісних характеристик листів товщиною 0,08 - 0,25 м (хімічна неоднорідність, механічні властивості, неметалічні включення) підтвердили високу якість нових 30-тонних листових зливків і одержуваних із них товстих листів. Нові 30-тонні зливки є перспективними для виробництва плит товщиною понад 0,25 м, які неможливо одержати з безперервнолитої заготовки через недостатній ступінь обтиснення при прокатуванні.

На підставі результатів комп'ютерного моделювання та експериментальних досліджень розроблені нові засоби і технології керування процесом затвердіння горизонтального двошарового зливка за рахунок зміни режиму електрошлакового обігріву, умов відводу тепла і підживлення плакувального шару. Впровадження зазначених технологій дозволило знизити витрату електроенергії з 90 до 55 кВт·год/т сталі та одержати економію нержавіючої сталі в розмірі 34 кг/т біметалу. Зазначені розробки мають перспективу для виробництва композитних заготовок, які у даний час неможливо виготовляти способами безперервного розливання.

Порівняльний аналіз властивостей біметалу, одержуваного з застосуванням електрошлакового процесу за існуючою і новою технологіями показав, що досліджуваний біметал має якісну макро- і мікроструктуру в литому і деформованому станах, плакувальний шар має незначну хімічну неоднорідність при відсутності навуглецьовування, а міцність з'єднання шарів як у литому, так і в деформованому станах перевершує необхідну за стандартом в 2,0-2,5 рази і складає 295-389 МПа. Біметалічний лист товщиною 0,01 м, отриманий із досліджуваних зливків, був використаний при виготовленні цистерн спеціального призначення для транспортування агресивної речовини - жовтого фосфору.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДБИТО У ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Макуров С.Л. Оптимизация технологии производства крупных стальных слитков // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1999. - Вып. 7.- С. 165-175.

2. Макуров С.Л. Исследование вязкости расплавов на основе железа методом крутильных колебаний тигля // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1997. - Вып. 2.- С. 40-42.

3. Макуров С.Л. Влияние содержания легирующих элементов на вязкость расплавов нержавеющих сталей // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1997. - №8. - С. 8-11.

4. Макуров С.Л. Исследование влияния легирующих элементов на вязкость расплавов железа // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1997. - Вып. 3.- С. 33-36.

5. Макуров С.Л. Разработка и оптимизация процесса производства горизонтальных биметаллических слитков // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1998. - Вып. 6.- С. 38-43.

6. Казачков Е.А., Макуров С.Л. Совершенствование технологии отливки и повышение качества крупных листовых слитков // Металл и Литье Украины. - 2000. - № 3-4. - С. 12-14.

7. Казачков Е.А., Макуров С.Л. Механизм формирования химической неоднородности крупных стальных слитков и оптимизация их параметров // Процессы литья. - 1996. - №1. - С. 35-44.

8. С.Л.Макуров, Е.А.Казачков Изменение температуры в незатвердевшем ядре стальных слитков, отливаемых сифонным способом // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1978. - №11. - С. 39-41.

9. Теплоизолирующая смесь для сифонной разливки стали / Федоров В.А., Макуров С.Л., Житник Г.Г., Офенгенден А.М., Черешня Т.А. // Металлург. - 1977.- №12. - С. 20-22.

10. Разработка технологии ускоренной сифонной разливки стали под теплоизолирующими смесями / Житник Г.Г., Федоров В.А., Шабловский В.А., Макуров С.Л. // Сталь. - 1978. - №2. - С. 133-135.

11. Казачков Е.А. Макуров С.Л. О рациональном сочетании расчетных и экспериментальных методов исследования процесса формирования стальных слитков // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1979. - №3. - С. 29-31.

12. Исследование теплофизических процессов при электрошлаковом нагреве заготовки для производства биметалла / Казачков Е.А., Макуров С.Л., Алакозов В.Ф., Жук В.И., Логутова Т.Г. // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1984. - №1. - С. 52-56.

13. Исследование процесса кристаллизации биметаллических слитков, получаемых электрошлаковой отливкой / Казачков Е.А. Макуров С.Л., Алакозов В.Ф., Логутова Т.Г., Колечко А.А. // Сталь. - 1982. - №8. - С. 48-50.

14. Определение оптимальной выдержки слитков в изложницах / Казачков Е.А., Макуров С.Л., Житник Г.Г., Шабловский В.А. // Сталь. - 1984. - №10. - С. 32-34.

15. Badania jakosci stali z wlewkow plaskich o masie do 30 ton/Kudlinski Z., Bondar W.I., Makurow S.L., Kazaczkow J.A.//Hutnik.-1988.-№10.-S.280-282.

16. Е.А.Казачков, С.Л. Макуров. Экспериментальное исследование теплофизических свойств сталей в жидком, двухфазном и твердом состоянии // Исследование процессов с участием окисных и металлических расплавов: Сб. науч. тр. - М.: Металлургия, 1983.- Вып. 148.- С. 120-127.

17. Сифонная разливка стали под зольно-силлиманитовой смесью / Макуров С.Л., Федоров В.А., Житник Г.Г., Офенгенден А.М., // Разливка стали в слитки и их качество: Сб. науч. тр. -- М.: Металлургия, 1979.- Вып. 8. - С. 26-30.

18. Теплофизические свойства теплоизолирующих смесей для сифонной разливки стали содержащих минералы силлиманитовой группы / Макуров С.Л., Федоров В.А., Житник Г.Г., Казачков Е.А. // Прогрессивные способы получения стальных слитков: Сб. науч. тр. - К.: ИПЛ АН УССР, 1980. - С. 137-139.

19. Исследование процесса затвердевания крупных листовых слитков / Казачков Е.А., Макуров С.Л., Мосюра Б.Н., Остроушко А.В., Берман В.И. // Формирование стального слитка: Сб. науч. тр. - М.: Металлургия, 1986. - С. 64-67.

20. Повышение массы стальных слитков для производства толстых листов / Казачков Е.А., Макуров С.Л., Мосюра Б.Н., Носоченко О.В. // Повышение эффективности разливки стали в изложницы: Сб. науч. тр. - М.: Металлургия, 1987. - С. 63-67. Температурный режим сифонной отливки крупных листовых слитков / Казачков Е.А., Макуров С.Л., Мосюра Б.Н., Яцко А.А., Носоченко О.В. // Проблемы стального слитка: Сб. науч. тр. - К.: ИПЛ АН УССР, 1988. - С. 151-154.

21. Температурный режим сифонной отливки крупных листовых слитков / Казачков Е.А., Макуров С.Л., Мосюра Б.Н., Яцко А.А., Носоченко О.В. // Проблемы стального слитка: Сб. науч. тр. - К.: ИПЛ АН УССР, 1988. - С. 151-154.

22. Макуров С.Л., Логутова Т.Г., Колечко А.А. Исследование затвердевания биметаллических слитков, отливаемых с применением электрошлаковой технологии // Разливка стали в слитки: Сб. науч. тр. - К.: ИПЛ АН УССР, 1987. - С. 78-81.

23. Разработка рациональной технологии бесстопорной сифонной разливки и утепления блюмингового слитка качественной стали / Федоров В.А., Макуров С.Л., Житник Г.Г., Шабловский В.А., Казачков Е.А. // Усовершенствование процессов разливки стали: Сб. науч. тр. - К.: ИПЛ АН УССР, 1981. - С. 28-30.

24. Повышение качества биметаллических слитков получаемых электрошлаковой отливкой / Логутова Т.Г., Макуров С.Л., Губенко С.И., Юдина С.М. // Процессы разливки стали и качество слитка: Сб. науч. тр. - К.: ИПЛ АН УССР, 1989. - С. 113-114.

25. Качество металла крупнотоннажных листовых слитков /Мосюра Б.Н., Макуров С.Л., Бондарь В.И., Поживанов М.А., Сивенко В.Ф.//Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов: Сб. науч. тр. - Волгоград, 1990. - Часть 2. - С. 106-108.

26. Макуров С.Л. Высокотемпературный вискозиметр с автоматической регистрацией результатов измерений // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1997. - Вып. 3.- С. 37-40.

27. Макуров С.Л. Оптимизация технологических режимов разливки и затвердевания блюминговых слитков // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1997. - Вып.6.- С. 44-51.

28. Исследование переохлаждения при кристаллизации стальных слитков / Житник Г.Г., Макуров С.Л., Федоров В.А., Казачков Е.А. // Сталь. - 1978. - №8. - С. 707-709.

29. А.с. 661265 СССР, МКИ GO1K 1/10. Защитное покрытие для чехла термопары / С.Л. Макуров, В.А.Федоров, В.И.Шибанов, Г.Г.Житник, В.А. Шабловский (СССР). - №2550507; Заявлено 5.12.77; Не публ., Бюл. №17 1979.- С.143.

30. А.с. 667319 СССР, МКИ В22D 7/10. Теплоизолирующая смесь для сифонной разливки металла / В.А.Федоров, С.Л. Макуров, В.И.Шибанов, Г.Г.Житник, А.М.Офенгенден, Ю.Д. Горлачев (СССР). - №2522918 /22-02; Заявлено 30.08.77; Опубл. 15.06.79, Бюл. №22. - 3 с.

31. А.с. 728981 СССР, МКИ В22D 7/00. Способ разливки стали / В.И. Шибанов, В.А.Федоров, Г.Г.Житник, С.Л. Макуров, А.М.Офенгенден, В.А. Шабловский (СССР).- №2518133; Заявлено 23.08.77; Опубл. 25.04.80, Бюл.№15. - 2 с.

32. А.с.798506 СССР, МКИ GO1K 1/10. Защитное покрытие для термопарных наконечников / Е.А.Казачков, С.Л. Макуров, В.И. Шибанов, Г.Г.Житник, В.С.Чеканов (СССР). - №2747581; Заявлено 05.04.79; Опубл. 23.01.81, Бюл. №3. - 3 с.

33. А.с.859857 СССР, МКИ GO1N 1/10. Пробоотборник жидкого металла / С.Л. Макуров, Е.А.Казачков, В.И. Шибанов, В.Ф. Пилипенко, Г.А. Чикаленко (СССР).- №2856518/22-26; Заявлено 21.12.79; Опубл. 30.08.81, Бюл.№32. -3с.

34. А.с.871047 СССР, МКИ GO1N 25/06. Устройство для термического анализа металлов / С.Л. Макуров, Е.А.Казачков, В.И. Шибанов (СССР).- №2820429/18-25; Заявлено 06.09.79; Опубл. 07.10.81, Бюл. №37. - 3с.

35. А.с. 944356 СССР, МКИ С21D 9/20. Способ отливки биметаллического слитка / С.Л. Макуров, Е.А.Казачков, В.Ф.Алакозов, Т.Г.Логутова, А.В.Зареченский, А.А.Колечко, В.А.Попов, Н.А.Мосендз (СССР).- №3003919; Заявлено 04.10.80; Не публ., Бюл. №26, 1982.- С.306.

36. А.с. 944360 СССР, МКИ С21D 9/22. Способ получения биметалличеческой заготовки / С.Л. Макуров, Е.А.Казачков, В.Ф.Алакозов, Т.Г.Логутова, А.В.Зареченский, А.А.Колечко, В.А.Попов (СССР).- № 3221294; Заявлено 22.12.80; Не публ., Бюл. №26, 1982.- С.306.

37. А.с.1040349 СССР, МКИ G01K 1/10; GO1K 7/02. Покрытие для наконечника термопары / Е.А.Казачков, С.Л. Макуров, В.Ф.Алакозов, Т.Г.Логутова, А.В.Зареченский, А.А.Колечко, (СССР).- №2955870; Заявлено 11.07.80; Опубл. 07.09.83, Бюл. №33. - 3с.

38. А.с. 1040812 СССР, МКИ С21D 9/28. Способ получения двухслойного бесприбыльного слитка / С.Л. Макуров, Е.А.Казачков, В.Ф.Алакозов, П.С.Нефедов, Т.Г.Логутова, А.В.Зареченский, А.А.Колечко, (СССР).- №3408524; Заявлено22.03.82 ; Не публ., Бюл., №33, 1983.- С.235.

39. А.с. 1062954 СССР, МКИ B22D 7/00. Способ сифонной разливки стали / В.И.Шибанов, Е.А.Казачков, С.Л. Макуров, Г.Г.Житник, В.С.Чеканов, В.А.Шабловский, В.Г.Гурвич, В.З.Гольдин (СССР).- №2971672; Заявлено 13.08.80 ; Не публ., Бюл. №47, 1983.-С.260.

40. А.с. 1142217 СССР, МКИ B227/00. Способ утепления металла при сифонной разливке / Р.П. Олекса, В.А.Шабловский, Е.А.Казачков, С.Л. Макуров, В.И.Шибанов, Г.Г.Житник, Л.П.Шильников, В.С.Чеканов, В.П.Следнев, В.Д.Дмитриев, Ю.П.Литвиненко (СССР).- №3374445; Заявлено 29.12.81; Опубл. 28.02.85, Бюл. №8.- 6с.

41. А.с. 1221908 СССР, МКИ С21D 9/22. Способ упрочнения биметаллических изделий / А.А.Лейн, Л.Н.Соколов, А.А. Колечко, Е.А.Казачков, Ф.К. Ткаченко, Т.Г.Логутова, Т.И.Якина, С.Л. Макуров, (СССР).- №3657105; Заявлено 02.11.83 ; Не публ., Бюл. №12, 1986. - С.257.

42. А.с. 1303254 B22D 7/00.Слиток / Е.А.Казачков, Б.Н.Мосюра, Г.Е.Змиевский, В.А.Федоров, С.Л.Макуров, А.А.Булянда, К.А.Брызгунов, М.С.Бабицкий, И.В.Сагиров, Е.И.Эскин, А.С.Плискановский, О.В.Носоченко, А.Х.Балабанов, В.М.Долгань, Н.И.Ревтов (СССР).- № 3787801; Заявлено 18.09.84, Опубл. 15.04.87, Бюл. №14. - 3с.

43. Пат.SU 1774896 АЗ СССР, МКИ B22D 7/12. Устройство для защиты струи металла при сифонной разливке / Е.А.Казачков, С.Л.Макуров, А.А.Яцко,Г.А.Николаев,В.Ф.Сивенко,О.В.Носоченко,С.Г.Мельник, М.А.Поживанов, Н.М.Караваев (СССР).-№4848524/02; Заявлено 11.06.90; Опубл. 07.11.92, Бюл. №41. - 3 с.

Размещено на Allbest.ru