Особливості укрупнення зливків послідовним кільцевим електрошлаковим наплавленням

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

УДК 669.187.56

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОСОБЛИВОСТІ УКРУПНЕННЯ ЗЛИВКІВ ПОСЛІДОВНИМ КІЛЬЦЕВИМ ЕЛЕКТРОШЛАКОВИМ НАПЛАВЛЕННЯМ

Спеціальність 05.16.02

«Металургія чорних і кольорових

металів та спеціальних сплавів»

Полішко Ганна Олексіївна

Київ - 2011

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Саєнко Володимир Якович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Рябцев Анатолій Данилович, Донецький національний технічний університет МОН України, м. Донецьк, професор кафедри;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Біктагіров Фаріт Камілович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться « 06 » липня 2011 р. о 10 ⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.02 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11

Автореферат розісланий « 2 » червня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук С.В. Ахонін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток енергетичного та важкого машинобудування потребує укрупнення агрегатів, їх окремих вузлів та деталей. Для їх виробництва потрібні великовагові зливки, які повинні мати необхідний рівень властивостей та якості, що гарантують максимальну надійність при експлуатації виробу. З підвищенням маси зливка збільшується дендритна та зональна ліквації, укрупнюються неметалеві включення, погіршується макроструктура, що приводить до зниження властивостей зливків. Тому для забезпечення надійності та довговічності роботи великогабаритних виробів відповідального призначення актуальним є формування однорідної високоякісної структури при одержанні великовагових зливків. Особливо це стосується великовагових зливків із високолегованих сталей та сплавів, схильних до розвитку плямистої ліквації та інших дефектів, які не усуваються при подальшій обробці. Так, наприклад, для виготовлення дисків великого діаметра для компресорів низьких ступенів сучасних газових турбін найчастіше використовують жароміцний сплав на нікелевій основі Інконель 718, який дуже схильний до цього типу дефектів, що обмежує можливості одержання заготовок шляхом осадки зливку меншого діаметра. Для їх виготовлення застосовують різноманітні способи переплавки, які включають як подвійну вакуумно-індукційну (ВІП) та електрошлакову (ЕШП) (ВІП+ЕШП) або ВІП та вакуумно-дугову (ВДП) (ВІП+ВДП), так і потрійну ВІП+ЕШП+ВДП переробку, при цьому максимальний діаметр зливка становить 686 мм.

Принципово нові можливості для вдосконалювання технології ЕШП відкриває розроблений в ІЕЗ ім. Є.О. Патона під керівництвом академіка Б.І. Медовара технологічний процес електрошлакового наплавлення рідким металом (ЕШН РМ). Мається на увазі розробка на основі ЕШН РМ нового способу виробництва великовагових зливків із застосуванням послідовного кільцевого електрошлакового наплавлення рідким металом одного й того ж хімічного складу з метою укрупнення зливків (ЕШНУ РМ). Застосування ЕШНУ РМ дозволяє істотно зменшити перетин та об'єм металу, що кристалізується і, відповідно, послабити розвиток лікваційних процесів у кожному шарі, що наплавляється.

Однак для реалізації цього способу укрупнення зливків у промисловості необхідно вивчити вплив технологічних і металургійних особливостей послідовного кільцевого ЕШНУ РМ одного і того ж хімічного складу на формування структури в укрупнених зливках, що вимагає проведення нами комплексу додаткових досліджень. Це дало підставу для постановки теми дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи відповідає пріоритетному напрямку науки й техніки України «Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі». Виконання роботи пов'язане з планами науково-дослідних робіт Інституту електрозварювання ім. Е.О.Патона НАН України, у яких автор брала безпосередню участь: тема 9/33 «Дослідження кристалізації нікелевих суперсплавів для газових енергетичних турбін нового покоління та створення технології ЕШП зливків цих сплавів, вільних від плямистої ліквації»; тема 9/7 «Розробка наукових основ електрошлакового переплаву сучасних жароміцних та інших високолегованих сталей і сплавів»; тема 9/11-П «Дослідження властивостей модельних багатошарових зливків, одержаних методом ЕШП РМ із металу однорідного хімічного складу із високолегованої сталі 316L»; тема 9/28 «Розробка нового технологічного процесу одержання гетерогенних матеріалів на базі ЕШП для виробництва композитних роторів для енергетичних турбін нового покоління».

Мета роботи: розвиток технологічних можливостей послідовного кільцевого ЕШНУ РМ при укрупненні зливків.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- дослідити технологічні й металургійні особливості послідовного кільцевого ЕШНУ РМ із застосуванням лабораторного устаткування на модельних зливках;

- дослідити особливості формування структури шляхом ЕШНУ РМ зони сплавлення модельних зливків;

- оцінити вплив термічного циклу послідовного кільцевого ЕШНУ РМ на структурну та хімічну однорідність металу модельних зливків;

- дослідити механічні властивості литого металу зони сплавлення модельного двошарового зливку із сталі типу 316L (03Х17Н14М3);

- розробити технологічні рекомендації щодо реалізації процесу ЕШНУ РМ для одержання великовагових зливків у промисловому виробництві.

Об'єкт дослідження: процес отримання великовагових зливків із високолегованих сталей і сплавів послідовним кільцевим електрошлаковим наплавленняим.

Предмет дослідження: особливості формування зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ.

Методи дослідження. Відповідно до поставлених задач використовували комплексні сучасні аналітичні, розрахункові та експериментальні методи досліджень із залученням загальноприйнятих методик металографічних досліджень макро- і мікроструктури металу (в тому числі фрактографічні дослідження), стандартних методик визначення механічних властивостей металу, спеціально розроблених методик математичного та фізичного моделювання із залученням сучасного дослідницького комплексу Gleeble 3800 з повністю цифровою системою термічних випробувань.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість формування великовагових ковальських зливків шляхом їх укрупнення послідовним кільцевим електрошлаковим наплавлення рідким металом (процес ЕШНУ РМ).

2. Уперше, з використанням математичного моделювання процесу укрупнення зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ, результатів прямих експериментальних досліджень і металографічних досліджень модельних зливків визначені параметри кристалізації двофазної зони для зливків ЕШНУ РМ із високолегованих Cr-Ni-Mo сталей та сплавів типу Інконель діаметром до 1200 мм. Встановлено, що для зливка ЕШНУ РМ діаметром 690 мм градієнт температур становить 47єС/см, а для звичайного зливка ЕШП того ж діаметра 9-10єС/см та час перебування у двофазній зоні 490 и 2200 с відповідно.

3. Встановлено, що відстань між осями дендритів другого порядку для зливків ЕШНУ РМ із збільшенням діаметра від 520 до 1200 мм зменшується від 127 до 105 мкм; тоді як для звичайних зливків ЕШП цей параметр із збільшенням діаметра від 350 до 690 мм збільшується від 130 до 174 мкм, відповідно, що підтверджується результатами експериментальних та металографічних досліджень, а також результатами фізичного моделювання на Gleeble 3800, шляхом імітації термічного циклу ЕШНУ РМ на металі модельного зливку. Це пояснюється зменшенням перетину та об'єму металу, що одночасно кристалізується в процесі послідовного кільцевого ЕШНУ РМ.

4. В результаті застосування комплексних досліджень встановлено високу хімічну та структурну однорідність, високий стабільний рівень фізико-механічних властивостей на різних рівнях по висоті модельного зливку. Показано, що рівень ударної в'язкості KCV литого металу в зоні термічного впливу (ЗТВ) після ЕШНУ РМ становить 240…298 Дж/см², тоді як для вихідного металу сталі 316L у деформованому стані він дорівнює 182...312 Дж/см² .

Практичне значення отриманих результатів. У результаті встановлення особливостей процесу формування великовагових зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ розроблено рекомендації до промислового обладнання і технології ЕШП, що базуються на застосуванні послідовного кільцевого електрошлакового наплавлення шару металу заданого хімічного складу на центральний зливок аналогічного хімічного складу, та забезпеченні задовільної структури в укрупненому зливку.

Особистий внесок здобувача. За безпосередньою участю автора проведено комплекс експериментальних і теоретичних досліджень щодо визначення особливостей процесу формування структури великовагових зливків шляхом їх укрупнення послідовним кільцевим ЕШНУ РМ. Аналіз і узагальнення результатів проводилися автором як особисто, так і за участю інших співавторів. До особистого внеску автора відносяться: [1] - розрахунковим методом визначені основні геометричні параметри зливків, що наплавляються, вагою до 60 т в залежності від діаметра центрального зливка із застосуванням способу ЕШНУ РМ на базі існуючого устаткування ЕШП; [2] - приймала учать у побудові математичної моделі температурного розподілу в процесі ЕШНУ РМ та аналізі результатів математичного моделювання, проведеного під керівництвом академіка НАН України В.І. Махненко; [3] - оцінена якість металу зони сплавлення модельного двошарового зливка шляхом механічних випробувань. Проведено фактографічні дослідження поверхонь зломів зразків і встановлений в'язкий характер руйнування [4] - приймала учать у металографічних дослідженнях, аналізі мікроструктури металу та оцінювала дисперсність дендритної структури литого металу зони сплавлення модельного двошарового зливка із високолегованої сталі типу 316L; [5] - запропонована методика та проведені дослідження по вивченню впливу термічного циклу послідовного кільцевого ЕШНУ РМ на мікроструктуру модельних зливків; [6] - показана перспективність застосування послідовного кільцевого ЕШНУ РМ. Електрошлакові технології, що застосовуються для виробництва великовагових зливків, схематично об'єднані за галуззю застосування та спорідненістю технологічних ознак; [7] - приймала участь у розробці ідеї способу виготовлення великовагового металевого зливка та формулі винаходу.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення та результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: IV Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології» (м. Київ, 23-25 травня 2007р.); V Международном молодежном научно-практическом форуме «Интерпайп-2008» (г. Днепропетровск, 23-25 мая 2008г.); Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології» (м. Миколаїв, 3-7 вересня 2008); V Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології» (м. Київ, 27-30 травня 2009р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми зварювання, споріднених процесів і технологій» (м. Миколаїв, 14-17 жовтня 2009р.); V Международной конференции «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах» (25-28 мая 2010г, пос. Кацивели, Республика Крым, Украина); III Научно-практической конференции молодых ученых Украины (г. Киев, 2-4 июня 2010г.); VI Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології» (м. Київ, 25-27 травня 2011р.)

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 друкованих праць, в тому числі 4 у фахових виданнях та одержано патент України на винахід. Роботи виконані як особисто, так і у співавторстві.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступної частини, п'яти розділів та висновків. Викладена на 152 сторінках, містить 81 рисунок та 15 таблиць, використано 117 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, дана її загальна характеристика, висвітлено наукову новизну і практичне значення роботи. Наведені дані про апробацію результатів дисертаційної роботи, публікації, що відображають її зміст, зазначено внесок здобувача в публікаціях, підготовлених автором як особисто, так і за участю співавторів.

У першому розділі на основі літературного огляду розглянуті сучасні методи виробництва великовагових зливків із високолегованих сталей та сплавів. Проаналізовані можливості електрошлакового процесу при вирішенні проблеми збільшення перетину та маси литих заготовок. Розглянуті сучасні тенденції розвитку отримання великовагових зливків, застосування нових матеріалів, а також способи їх виробництва. Електрошлакові технології, що застосовуються для виробництва великовагових зливків, схематично об'єднані за галуззю застосування та спорідненістю технологічних ознак. Обґрунтована необхідність розробки та застосування нових електрошлакових технологій для отримання великовагових зливків, а саме нового технологічного способу укрупнення зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ (рис.1). Сформульовані задачі, які необхідно вирішити в процесі виконання робіт.

а б в

Рис. 1. Схема укрупнення зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ: а - виплавка центрального зливка; б - однократне електрошлакове наплавлення; в - двократне електрошлакове наплавлення (1-пристрій для подачі рідкого металу в кристалізатор; 2 - струмопідвідний кристалізатор; 3 - шлакова ванна; 4 - металева ванна; 5 - центральний зливок; 6 - шар металу після першого наплавлення; 7 - шар металу після другого наплавлення)

У другому розділі запропонована комплексна методика дослідження металу зони сплавлення модельного зливка та моделювання процесу укрупнення зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ, обране лабораторне устаткування та оснастка для проведення експериментальних досліджень технологічного процесу укрупнення зливків способом ЕШНУ РМ.

Дослідження проводили при виготовленні модельних дослідних зливків ЕШНУ РМ круглого перерізу діаметром до 350 мм з використанням струмопідвідних кристалізаторів відповідних діаметрів, що встановлювали на нерухомій платформі електрошлакової печі УШ-149, по схемі витягування зливка з кристалізатора вниз. Під час проведення дослідних плавок здійснювали постійний контроль та реєстраційний запис технологічних параметрів процесу ЕШНУ РМ.

Хімічний склад металу визначали за ГОСТ 9717 спектральним аналізом. Візуальне вивчення і фотографування мікрошліфів виконували на металографічному мікроскопі “Neophot-32”, який оснащений приставкою для цифрового фотографування. Реєстрації зображень здійснювали комп'ютерною програмою «QuickPhoto». Цифрове зображення оброблювалось програмою «Atlas» при збільшеннях 25 … 500 раз в світлому полі. Вивчення процесу кристалізації зливка проводили методом заміру відстані між осями дендритів другого порядку для визначення дисперсності дендритної структури литого металу із застосуванням комп'ютерної програми «Tescan».

Для визначення розподілу елементів в зоні сплавлення однорідних шарів металу модельних зливків був застосований оптико-спектральний аналіз, який проводився за допомогою дифракційно-фотоелектричної системи ДФС-36.

Визначення локального хімічного складу на малих площинах в зоні сплавлення шарів модельних зливків ЕШНУ РМ та будування концентраційних карт розподілу елементів проводились за допомогою аналітичного комплексу, який складається зі скануючого електронного мікроскопа JSM-35CF фірми «JEOL» (Японія) та рентгенівського спектрометру з дисперсією по енергії рентгенівських квантів (модель INCA Energy-350 фірми «Oxford Instruments» (Великобританія).

Вимірювання мікротвердості та інтегральної твердості були проведені на твердомірі Leco-M400. Вимір мікротвердості проводили при навантаженні 0,01...0,05 кг. Вимір інтегральної твердості проводили на приладі Вікерса при навантаженні 5кг.

Фізичне моделювання проводили за допомогою комплексу Gleeble 3800 шляхом імітації термічного циклу процесу ЕШНУ РМ відповідно до розрахункових даних, які отримані в результаті математичного моделювання.

Випробування на розтягування проводили відповідно до вимог ГОСТ 1497 і ГОСТ 9651 за допомогою сервогідравличної випробувальної машини MTS 318.25, а на ударну в'язкість за допомогою маятникового копра типу 2130-КМ-03.

Розроблена комплексна методика дозволяє дослідити особливості формування та оцінити структуру зони сплавлення модельних зливків, які були отримані в лабораторних умовах способом ЕШНУ РМ .

У третьому розділі проведено розрахунок розмірів модельних зливків ЕШНУ РМ і розробка технологічної схеми їх виготовлення, вибрано спосіб отримання рідкого металу для ЕШНУ РМ, наведено математичну модель процесу укрупнення зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ та виконані чисельні експерименти, проведено аналіз результатів, які були отримані при виготовленні модельних зливків ЕШНУ РМ.

Розміри модельних зливків були обрані на основі розрахункових даних і можливостей лабораторного устаткування ЕШНУ РМ, на якому проводилися експериментальні плавки. В експериментальних роботах використовували струмопідвідні кристалізатори діаметром 110, 180, 350 мм. У лабораторних умовах способом ЕШНУ РМ були отримані модельні дво- і тришарові зливки діаметром до

350 мм, у тому числі двошаровий зливок діаметром 110/180 мм із високолегованої сталі типу 316L. Для приготування рідкого металу заданого хімічного складу використовувалась електрошлакова тигельна плавка (ЕШТП).

За допомогою математичного моделювання технологічного процесу укрупнення зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ було визначено поле електростатичного потенціалу й відповідного тепловиділення; розраховано температурне поле в шлаковій і металевій ваннах з урахуванням порціонного надходження рідкого металу в струмопідвідний кристалізатор, визначені параметри двофазної зони тощо.

Прийнята схема для моделювання процесу послідовного кільцевого ЕШНУ РМ представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема розрахункової області при моделюванні процесу ЕШНУ РМ: 1 - центральний зливок, що наплавляється; 2 - ванна рідкого шлаку; 3 - металева ванна; 4 - двофазна зона; 5 - наплавлений шар; 6 - затравка; 7, 10 - водоохолоджувальні секції; 8 - канал датчику рівня металевої ванни; 9 - ізолятор; 11 - струмопідвідна секція кристалізатора; 12 - графітова футеровка

Електричний потенціал Р(r,z,t) в області шлакової ванни визначається в результаті рішення диференціального рівняння:

, (1)

де с - питомий опір шлаків (залежить від хімічного складу шлаків і міняється залежно від температури); r - радіус зливка, що наплавляється; z - висота зливка; при умовах: для поверхні шлакової ванни; Р = 0 на межі з металевою ванною; Р = 0 на межі з центральним злитком; Р = 100 на струмопідвідній частини кристалізатора; на ізоляторі кристалізатора.

Температура Т(r,z,t) визначається в результаті рішення диференціального рівняння

, (2)

де тепловиділення:

(3)

при умовах: при t=0 T =T(r,z); для r=0; і для z=0, z=L_Z,; тут б₁ - коефіцієнт теплообміну між затравкою і повітрям з температурою Т_ср .

Крім того, існують якісні характеристики процесу електрошлакового наплавлення, по яких можна судити про сприятливу кристалізацію металу. Одним із основних параметрів термічного циклу є час перебування металу двофазної зони в інтервалі температур [T_L-T_S] на стадії охолодження (надалі Дt_дз).

Іншим важливим параметром, що характеризує якість металу укрупненого зливка, є градієнт температури у двофазній зоні:

. (4)

Відстані між осями вторинних дендритів по Балантайну й Мітчеллу визначаються формулою:

h₂ ? 20,2 Дt_дз^0,28 , мкм. (5)

На рис. 3 представлений розподіл температури в поперечному перерізі шлакової ванни та заготовки, що наплавляється, різного діаметра (110/180, 180/350, 520/690 мм і в суцільному зливку ЕШП діаметром 350 мм). Показана форма металевої ванни (границя в інтервалі температур 1345-1425єС і 1425-1585єC) для зазначеного варіанту в момент часу 1800 с після початку процесу наплавлення, коли наплавлена третина заданої висоти зливка (300 мм). Шлакова ванна обкреслена лінією білого кольору. Зони найбільш високої температури в шлаковій ванні розташовані поблизу ізоляторів кристалізатора, тобто зони найбільшого тепловиділення.

На рис.3 показано, що під час наплавлення шарів металу на вихідні зливки різного діаметра (рис.3,а,б,в), глибина металевої ванни має мінімальне значення, тоді як у випадку виплавки суцільного зливка (рис.3,г) ванна має значно більшу глибину, ніж у випадку ЕШНУ РМ.

а б в г

Рис. 3. Розподіл температури в зливках ЕШНУ РМ діаметрами 110/180 (а), 180/350 (б) та 520/690 мм (в) в процесі наплавлення шару металу та розподіл температури в суцільному зливку ЕШП діаметром 350 мм (г)

Аналіз результатів математичного моделювання показав, що форма й глибина металевої ванни стають стаціонарними швидко та весь процес наплавлення протікає стабільно, а це, в остаточному підсумку, визначає високу якість металу зливка й впливає на кристалізацію металу.

Відпрацювання технологічного режиму ЕШНУ РМ проводили шляхом виплавки модельного тришарового зливка в лабораторних умовах діаметром 110/180/350 мм (сталь 10 + сталь 10 + сталь 20). Отриманий модельний зливок (рис.4,а) був підданий макро- та мікродослідженням (рис.4,б), з його поперечного тамплета було знято сірчаний відтиск за Бауманом (рис. 4,в). Ці дослідження показали структурну однорідність, відсутність дефектів в зоні сплавлення шарів та лікваціі по сірці як вздовж поперечного тамплета, так і по лінії сплавлення шарів. На сірчаному відтиску поперечного тамплета тришарового зливка 110/180/350 мм межа шарів наплавлення відсутня. Це свідчить про відсутність лікваціі по сірці від шару до шару.

Рис. 4. Тришаровий модельний зливок ЕШНУ РМ діаметром 110/180/350 мм (сталь 10 + сталь 10 + сталь 20) (а), макроструктура поперечного тамплета з фрагментами мікроструктури зони сплавлення для шарів 110/180 (І) та 180/350 (ІІ) мм (б), сірчаний відтиск поперечного тамплета діаметром 110/180/350 мм за Бауманом (в)

У четвертому розділі представлені комплексні дослідження металу модельного двошарового зливка діаметром 110/180 мм із високолегованої сталі типу 316L (AISI) (03Х17Н14М3).

Макроструктура поперечного тамплета модельного двошарового зливка відрізняється однорідною й щільною будовою без дефектів усадкового та лікваційного характеру. В макроструктурі тамплета виділяються три зони: дві більше дрібнозернисті й щільні - у зовнішнього шару укрупненого зливка та у зоні сплавлення як з боку центрального зливка, так і з боку наплавленого шару, й третя - в середині центрального зливка, що має меншу щільність зерен.

Макро- і мікродослідженнями не виявлено будь-яких дефектів лікваційного походження та інших дефектів (тріщин, шлакових включень, відшарувань та т.п.) по лінії сплавлення шарів металу та зоні сплавлення (рис.5,6). Товщина наплавлених шарів у поперечному перетину модельного зливка ЕШНУ РМ практично однакова (рис. 5,б). При цьому в цілому макроструктура двошарового модельного зливка ЕШНУ РМ відрізняється більшою дрібнозернистістю по відношенню до металу контрольного зливка (рис.5,в) зливок електрошлаковий наплавлення метал

Рис. 5. Двошаровий модельний зливок ЕШНУ РМ діаметром 110/180 мм із високолегованої сталі типу 316L (а), фрагмент макроструктури поперечного тамплета (?-місце вирізки зразка для мікродосліджень) (б), фрагмент макроструктури контрольного зливка діаметром 180 мм аналогічної марки сталі (в)

Результати проведених досліджень зони сплавлення шляхом рентгеноспектрального мікроаналізу розподілу легуючих елементів (хрому, нікелю, молібдену), виміру рівня твердості НВ в поперечному й поздовжньому перетину та мікротвердості НV наведені на рис. 7, 8 і в табл.1.

Таблиця 1. Значення мікротвердості HV, Р=50 г

Рівень досліджень	Центральний зливок	Зона сплавлення	Наплавлений шар
Після ЕШНУ РМ	244	240	250
Після ЕШНУ РМ + гартування	254	253	257

3 2 1

Рис. 6. Мікроструктура зони сплавлення двошарового модельного зливка діаметром 110/180 мм із високолегованої сталі типу 316L: 1 - центральний зливок; 2 - зона сплавлення; 3 - наплавлений шар

Рис. 7. Фрагмент макроструктури поздовжнього тамплета та розподіл легуючих елементів у зоні сплавлення модельного двошарового зливка сталі типу 316L діаметром 110/180 мм: 1 - центральний зливок; 2 - зона сплавлення; 3 - наплавлений шар

Рис. 8. Розподіл твердості НВ (Р=3000 кг) модельного двошарового зливка сталі типу 316L діаметром 110/180 мм і фрагмент поперечного макротамплета: 1 - центральний зливок; 2 - зона сплавлення; 3 - наплавлений шар

Досліджено вплив термічної обробки (гартування: нагрів в електричній печі при температурі 1150єC, 20 хв, а потім охолодження у воді) на мікроструктуру і дисперсність дендритної структури зони сплавлення модельного двошарового зливка з високолегованої сталі типу 316L (рис.9, табл.2)

Мікроструктура зони сплавлення до гартування і після суттєво не змінюється (рис.9,а,б), значення мікротвердості HV знаходяться на тому ж рівні (табл. 1).

Для оцінки впливу термічного циклу ЕШНУ РМ на мікроструктуру зони сплавлення поблизу лінії сплавлення модельного зливка використали отримані розрахункові дані математичного моделювання процесу ЕШНУ РМ та можливості для фізичного моделювання температурних режимів із залученням сучасного дослідницького комплексу Gleeble 3800. Провели імітацію термічного циклу ЗТВ на відстані 2 мм від лінії сплавлення для різних діаметрів зливків, а саме для зливка діаметром 110/180 (рис.10,а) та 860/1030 мм (рис.10,б) відповідно з розрахунковими даними.

Рис. 9. Мікроструктура зони сплавлення модельного двошарового зливка: а - після ЕШНУ РМ; б - після ЕШНУ РМ і гартування; в - після імітації термічного циклу ЕШНУ РМ для зливка діаметром 110/180 мм на Gleeble 3800; г - те саме для зливка діаметром 860/1030 мм

Рис.10. Термічні цикли ЕШНУ РМ у ЗТВ на відстані 2 мм від лінії сплавлення: а - для зливка діаметром 110/180; б - 860/1030 мм (1- математично розраховано; 2- фізична імітація )

Якість металу модельного зливка оцінювали за дисперсністю дендритної структури, показником якої є відстань між осями дендритів другого порядку. Результати в табл.2 показують, що для зливка діаметром 860/1030 мм математично розрахункові дані і дані після імітації на Gleeble 3800 практично однакові, тобто ми можемо казати про достовірність математичної моделі. Похибка становить не більш як 1-2%.

Таблиця 2. Результати оцінки дисперсності дендритної структури

Об'єкт досліджень	Середня відстань між осями дендритів другого порядку, мкм
Зразок модельного зливка діаметром 110/180 мм після ЕШНУ РМ	85
Математично розраховане значення для зливка ЕШНУ РМ діаметром 110/180 мм	82
Після ЕШНУ РМ і гартування	77
Після імітації ТЦ ЕШНУ РМ для зливка діаметром 110/180 мм на Gleeble 3800	79
Те саме для зливка діаметром 860/1030 мм	106
Математично розраховане значення для зливка ЕШНУ РМ діаметром 860/1030 мм	108

Зразки для випробувань на розтягування були вирізані з поперечного тамплета металу модельного двошарового зливка після ЕШНУ РМ на двох рівнях по висоті модельного зливка в радіальному й тангенціальному напрямках. Результати випробувань показали високий рівень характеристик міцності та їх однорідність (табл.3).

Випробування на ударну в'язкість (відповідно до вимог ГОСТ 9454 на зразках Шарпі з надрізом у ЗТВ на відстані 2 мм від лінії сплавлення) показали високий рівень ударної в'язкості литого металу (табл.3).

Таблиця 3. Результати механічних досліджень металу модельного зливка діаметром 110/180 мм сталі типу 316L

Напрямок вирізки зразків	ув, МПа	ут,МПа	д, %	KCV,Дж/см2	kув	kут	kд
Тангенціальні	491,0	201,5	55,0	-	0,98	1,01	1,05
Радіальні	502,4	198,8	52,5	240,0-298,0
Вимоги згідно Metals Handbook 9th edition, American Society for metals для деформованого металу	480	170	40	182,0-312,0	-	-	-

Примітка: Наведені середні значення. Коефіцієнти анізотропії k_ув, k_ут, k_д дорівнюють відношенню значень показників для тангенціальних і радіальних зразків

Дослідженнями характеру руйнування (фрактографічні дослідження) як на тангенціальних і радіальних зразках (рис.11,а,б), так і на ударних (рис.11,в) підтверджено в'язкий характер руйнування.

а б в

Рис.11. Фрактограми поверхонь зломів зразків: а, б - відповідно після розтягування тангенціальних та радіальних зразків; в - зразків після випробувань на ударну в'язкість

У п'ятому розділі розглянуті перспективи застосування послідовного кільцевого ЕШНУ РМ у виробництві зливків відповідального призначення на основі комплексу досліджень, які проведені в даній роботі.

Результати, які отримані до теперішнього часу при застосуванні ЕШНУ РМ на модельних зливках у лабораторних умовах із високолегованої сталі, свідчать про серйозні перспективи цієї технології ЕШП. Особливо при застосуванні ЕШНУ РМ для виробництва зливків зі сплавів типу Інконель 718, які особливо чутливі до розвитку лікваційних процесів (плямистої ліквації). На сьогодні межі діаметрів зливків зі сплавів типу Інконель 718, що досягаються практично, придатних по якості для обертових вузлів, при потрійній переробці (ВІП+ЕШП+ВДП) діаметром до 686 мм, а при одностадійному ЕШП діаметром до 450 мм. Застосування ЕШНУ РМ дозволить відмовитися від триступінчатої переробки різними способами або обмежитися подвійним, наприклад, ВІП+ЕШНУ РМ. В результаті визначення особливостей процесу формування великовагових зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ та технологічних можливостей існуючого обладнання встановлені наступні параметри процесу наплавлення: товщина шару, що наплавляється, гарантованої якості становить 85 мм; швидкість процесу витягування зливка, що наплавляється, 10 мм/хв для кожного шару; висота вихідного зливка 3600 мм. Однак для промислового виробництва це питання потребує додаткових досліджень, зокрема вирішення проблеми заливання рідкого металу в процесі ЕШНУ РМ в струмопідвідний кристалізатор у вакуумі для сплавів типу Інконель, для чого потрібно створення спеціального обладнання.

На сьогодні видані рекомендації щодо розроблення концепції печі ЕШНУ РМ для отримання великовагових злитків для сталей та сплавів, які не потребують обов'язкового заливання рідкого металу у вакуумі діаметром від 1400 до 3200 мм та масою до 300 т і визначені основні технологічні етапи виробництва великовагових злитків (рис. 12).

Рис. 12. Основні технологічні операції виробництва великовагових зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В дисертації розвинуто уявлення про особливості технологічного процесу укрупнення зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ та формування однорідної структури укрупнених модельних зливків, що є основою для вирішення актуальної науково-технічної задачі з отримання великовагових зливків із сучасних високолегованих сталей та сплавів для енергетичного, важкого та нафто-хімічного машинобудування.

1. На основі проведеного огляду літератури теоретично обґрунтовані принципово нові можливості для вирішення проблеми укрупнення зливків шляхом послідовного кільцевого ЕШНУ РМ на центральний зливок.

2. Шляхом теоретичних та експериментальних досліджень підтверджена ефективність керування твердінням і формуванням дрібнодисперсної кристалічної структури модельних литих зливків на основі застосування способу укрупнення послідовним кільцевим ЕШНУ РМ на центральний зливок.

3. Визначені параметри кристалізації двофазної зони для зливків ЕШНУ РМ із високолегованих Cr-Ni-Mo сталей та сплавів типу Інконель діаметром до 1030/1200 мм: градієнт температур; час перебування у двофазній зоні; дисперсність дендритної структури. Встановлено, що для зливка ЕШНУ РМ діаметром 520/690 мм градієнт температур становить 47єС/см, а для звичайного зливка ЕШП діаметром 690 мм 9-10єС/см та час перебування у двофазній зоні 490 и 2200 с відповідно. Відстань між осями дендритів другого порядку для зливків ЕШНУ РМ із збільшенням діаметра від 350/520 до 1030/1200 мм зменшується від 127 до 105 мкм; тоді як для звичайних зливків ЕШП цей параметр із збільшенням діаметра від 350 до 690 мм збільшується та становить 130 і 174 мкм, відповідно. Це пояснюється зменшенням перетину та об'єму металу, що одночасно кристалізується в процесі послідовного кільцевого ЕШНУ РМ.

4. Встановлено достовірність математичної моделі на основі порівняння розрахункових даних параметру відстані між осями дендритів другого порядку для зливків ЕШНУ РМ і даних, які отримані в результаті експериментальних досліджень на металі модельного зливка. Так, для зливка діаметром 110/180 мм математично розраховане значення цього параметру становить 82 мкм та згідно експериментальних досліджень 85 мкм. Для зливка діаметром 860/1030 мм математично розраховане значення становить 108 мкм, а після імітації термічного циклу ЕШНУ РМ для зливка діаметром 860/1030 мм на Gleeble 3800 дорівнює 106 мкм.

5. Встановлено високу хімічну та структурну однорідність, високий стабільний рівень фізико-механічних властивостей на різних рівнях по висоті модельного зливка. Показано, що рівень ударної в'язкості KCV литого металу в ЗТВ після ЕШНУ РМ становить 240…298 Дж/см² (відповідно нормативам (AISI) для вихідного металу сталі 316L у деформованому стані він дорівнює 182…312 Дж/см² ).

6. В результаті визначення особливостей процесу формування великовагових зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ видані технологічні рекомендації щодо розроблення концепції печі ЕШНУ РМ для отримання великовагових злитків діаметром від 1400 до 3200 мм та масою до 300 т, а також визначена послідовність основних технологічних операцій їх виробництва.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Оцінка можливості отримання круглих стальних зливків вагою 60 т на базі 20-тонної печі ЕШП / Г.О. Полішко, О.Г. Ремізов, М.Т. Шевченко, В.В. Жуков, В.А. Зайцев, В.М. Журавель, Р.В. Козін, В.М. Ярош, В.Л. Петренко // Спеціальна металургія - вчора, сьогодні, завтра: Зб. наук. робіт студентів і випускників кафедри ФХОТМ. - К.: НВЦ «Видавництво «Політехніка», 2007. - С. 17-25.

2. Математическое моделирование процессов укрупнения слитков из высоколегированных сталей и сплавов способом электрошлаковой наплавки жидким металлом в токоподводящем кристаллизаторе / В.И. Махненко, Л.Б. Медовар, В.Я. Саенко, Т.В. Королева, А.А. Полишко // Современная электрометаллургия. -- 2008. -- № 4. -- С. 30 - 37.

3. Моделирование процесса укрупнения слитков методом ЭШН ЖМ / В.И. Махненко, Л.Б. Медовар, В.Я. Саенко, А.А. Полишко, Т.В. Королева, А.Б. Лесной, А.Ю. Туник, В.В. Жуков., И.Н. Клочков, И.В. Берёзин // Сб. тр. пятой междунар. конф. «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах» / Под ред. проф.В.И. Махненко. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины., 2010. - С.126-133.

4. Полишко А.А. Металлографические исследования переходной зоны соединения модельного многослойного слитка, полученного методом ЭШН ЖМ из высоколегированной стали 316L (AISI) / Полишко А.А // Зб. наук. пр. НУК. - 2008. - № 5. - С.47-51.

5. Влияние термического цикла ЭШН ЖМ на структуру модельного многослойного слитка / Л.Б. Медовар, В.Я. Саенко, А.А. Полишко, Б.Б. Федоровский, Т.В. Королева, Н.Т. Шевченко // Те саме. - 2010. - №1 . - С.75-83.

6. Электрошлаковые технологии получения крупных кузнечных слитков / Л.Б. Медовар, В.Я. Саенко, А.П. Стовпченко, А.К. Цыкуленко, Н.Т. Шевченко, В.М. Журавель, А.А. Полишко, Б.Б. Федоровский, Г.В. Нощенко, В.А. Лебедь // Современная электрометаллургия. -- 2010. -- №3. -- С.5-10.

7. Пат. 94333 Україна, МПК⁵¹ B22D 19/16, C22B 9/18, B23K 25/00 C23C 6/00. Спосіб виготовлення великотоннажного металевого зливка / Л.Б. Медовар, Г.П.

8. Стовпченко, В.Я. Саєнко, Б.Б. Федоровський, Г.О. Полішко,. В.М. Журавель, В.А Зайцев. - №а200913931 ; заявл. 31.12.2009., опубл.26.04.2011., Бюл. № 8.

АНОТАЦІЯ

Полішко Г.О. Особливості укрупнення зливків послідовним кільцевим електрошлаковим наплавленням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02 «Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів». - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2011.

В роботі теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість формування великовагових ковальських зливків послідовним кільцевим електрошлаковим наплавленням рідким металом (процес ЕШНУ РМ).

На основі комплексних досліджень з використанням математичного моделювання процесу послідовного кільцевого ЕШНУ РМ та результатів прямих експериментальних досліджень розраховані термічні цикли процесу ЕШНУ РМ, які фізично змоделювали із залученням сучасного дослідницького комплексу Gleeble 3800 з повністю цифровою системою термічних випробувань, що дозволило оцінити ефективність використання послідовного кільцевого ЕШНУ РМ і вплив його термічного циклу на структуру зони сплавлення для укрупнення зливка із високолегованих Cr-Ni-Mo сталей та сплавів типу Інконель при забезпеченні дрібнодисперсної дендритної структури литого металу.

Дисертація присвячена вивченню можливостей застосування послідовного кільцевого ЕШНУ РМ для укрупнення зливків із високолегованих Cr-Ni-Mo сталей та сплавів типу Інконель на модельних зливках, які були отримані в лабораторних умовах. В результаті визначення особливостей процесу формування великовагових зливків послідовним кільцевим ЕШНУ РМ видані технологічні рекомендації щодо розроблення концепції печі ЕШНУ РМ для отримання великовагових злитків діаметром від 1400 до 3200 мм та масою до 300 т, а також визначена послідовність основних технологічних операцій їх виробництва.

Ключові слова: послідовне кільцеве електрошлакове наплавлення рідким металом (ЕШНУ РМ), високолегована сталь, великовагові зливки, модельні зливки, зона сплавлення, термічний цикл ЕШНУ РМ, дисперсність дендритної структури, фізико-механічні властивості, ударна в'язкість.

АННОТАЦИЯ

Полишко А.А. Особенности укрупнения слитков последовательным кольцевым электрошлаковым наплавлением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 «Металлургия черных и цветных металлов и специальных сплавов» - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2011 г.

Диссертация посвящена исследованиям особенностей процесса укрупнения слитков из высоколегированных Cr-Ni-Mo сталей и сплавов типа Инконель последовательным кольцевым ЭШНУ ЖМ и оценке влияния термического цикла последовательного кольцевого ЭШНУ ЖМ на структуру и свойства металла зоны сплавления модельных слитков. Применение ЭШНУ ЖМ позволяет существенно уменьшить сечение и объем кристаллизующегося металла и, соответственно, ослабить развитие ликвационных процессов в каждом наплавляемом слое слитка ЭШНУ ЖМ.

Проведены исследования с использованием математического и физического моделирования процесса укрупнения слитков последовательным кольцевым ЭШНУ

ЖМ, результатов прямых экспериментальных и металлографических исследований модельных слитков. В результате математического моделирования определены параметры кристаллизации двухфазной зоны для укрупненных слитков ЭШНУ ЖМ диаметром до 1030/1200 мм: градиент температур; время пребывания в двухфазной зоне; дисперсность дендритной структуры; установлено, что для слитка ЭШНУ ЖМ диаметром 520/690 мм градиент температур составляет 47єС/см, а для обычного слитка ЭШП диаметром 690 мм 9-10єС/см, время пребывания в двухфазной зоне в 490 и 2200 с соответственно; расстояние между осями дендритов второго порядка для слитков ЭШНУ ЖМ с увеличением диаметра от 350/520 до 1030/1200 мм уменьшается от 127 до 105 мкм тогда как для обычных слитков ЭШП этот параметр с увеличением диаметра от 350 до 690 мм увеличивается и составляет 130 и 174 мкм, соответственно. Это объясняется уменьшением сечения и объема металла, который одновременно кристаллизуется в процессе последовательного кольцевого ЭШНУ ЖМ, а также влиянием дополнительного теплоотвода к центральному слитку.

Установлена достоверность математической модели на основе сравнения расчетных данных параметра расстояния между осями дендритов второго порядка для слитков ЭШНУ ЖМ и данных, которые получены в результате экспериментальных исследований. Так, для слитка диаметром 110/180 мм математически рассчитанное значение составляет 82 мкм, а после экспериментальных исследований 85 мкм, для слитка диаметром 860/1030 мм математически рассчитанное значение составляет 108 мкм, а после имитации термического цикла на Gleeble 3800 106 мкм

В результате применения комплексных исследований к изучению особенностей формирования слоев металла установлена высокая химическая и структурная однородность, стабильный уровень физико-механических свойств на разных уровнях по высоте модельного слитка. Показано, что уровень ударной вязкости KCV литого металла в зоне термического влияния после ЭШНУ ЖМ составляет 240…298 Дж/см² (согласно нормативам AISI для исходной стали типа 316 L (03Х17Н14М3) в деформированном состоянии он равен 182…312 Дж/см² ).

Выданы рекомендации относительно разработки концепции печи для получения крупных слитков диаметром от 1400 до 3200 мм та массой до 300 т и определены основные технологические этапы их изготовления.

Ключевые слова: последовательное кольцевое электрошлаковое наплавление жидким металлом (ЭШНУ ЖМ), высоколегированная сталь, крупные слитки, модельные слитки, зона сплавления, термический цикл ЭШНУ ЖМ, дисперсность дендритной структуры, физико-механические свойства, ударная вязкость.

ABSTRACT

Polishko G.O. Peculiarities of ingots enlargement by sequential circle Electroslag Surfacing. - Manuscript.

The thesis for the scientific degree of Candidate of Technical Sciences in specialty - 05.16.02 “Metallurgy of ferrous and nonferrous metals and special alloys”.- E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2011.

In this work the possibility of forming huge homogeneous heavy forged ingots with a view to their enlargement by sequential circle Electroslag Surfacing by means of Liquid Metal (ESSE LM process) was theoretically justified and experimentally confirmed for the first time. Based on comprehensive studies using mathematical modeling of ESSE LM sequence and results of experimental studies of ESSE LM process thermal cycles were calculated and physically modeled using modern research complex Gleeble 3800 with a fully digital thermal testing system, which allowed to evaluate the efficiency of the sequential circular ESSE LM and influence of its thermal cycle on the structure of the fusion area for enlargement of large high-alloy steels and alloys similar to 316L while providing disperse homogeneous dendrite structure of cast metal.

The thesis is dedicated to the investigation of possibilities for applying sequential ESSE LM for enlargement of huge steel ingots using model ingots that were obtained in the laboratory. As a result of defining peculiarities of the formation of huge steel ingots by the sequential circular ESSE LM issued technological advice on developing the concept of ESSE LM furnace for huge ingots with diameters from 1400 to 3200 mm and weighing 300 tons, and the sequence of main manufacturing operations of their production.

Keywords: enlargement by sequential Electroslag Surfacing by means of Liquid Metal (ESSE LM), high-alloy steels, huge ingots and model ingots, fusion zone, thermal cycle of ESSE LM, dispersed dendrite structure, physical and mechanical properties, impact strength.

Підписано до друку 24.05.2011 р. Формат 60х80/16.Пап офс.№1 Офс. друк.

Ум. друк. 0,9. Ум. фарбо-відб. 0,9. Тираж 120 прим. Зам. №

ПОД ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України, 03680, Київ 150, МПС, вул. Антоновича, 69

Размещено на Allbest.ru

...