Управління формуванням структури металевих заготівок шляхом теплосилових дій на твердіючі сплави

Найбільший ефект вібраційної дії на твердіючу заготовку досягається при підведенні віброімпульсу в зону вторинного охолодження. При цьому посилюється тепловідвід від заготовки в зоні кристалізатора на 8% і в зоні вторинного охолодження на 12%.

7. Дослідженнями тепло- і масообміну з використанням фізичної моделі кристалізатора МБЛЗ при газоімпульсній обробці розплаву з малою амплітудою (0,04 м) і високою частотою імпульсів (120…900 хв.-1) встановлено, що вона викликає розвиток потужних турбулентних потоків по осі заготовки, які розповсюджуються до самої верхньої зони вторинного охолодження. Вихори, які утворюються при цьому, створюючи інтенсивний рух розплаву, здійснюють силову дію на границю тверднення і викликають обламування вершин дендритів.

Установлено, що при великих частотах пульсації (600…900 хв.-1) за рахунок осідання уламків дендритів глибина рідкої лунки зменшується до 2 разів. За результатами фізичного моделювання рекомендувани наступні параметри газоімпульсного перемішування: частота 150 ч 180 хв.-1; ампліту-да - 60 ч 100 мм; глибина занурення труби - 180 ч 190 мм.

8. Показано, що вібраційна обробка зливків зі сталей марок 20, 60 і Х18Н9Т, сірого чавуну СЧ18-36 і алюмінієвого сплаву АК5М2 викликає: подрібнення дендритної структури в 2-10 разів і мікроструктури в 1,6ч2,5 рази; усуває транскристалізацію в нержавіючій сталі; забезпечує утворення тонкодиференційованої графітної евтектики і подрібнення в 2 рази евтектичних аустенітно-графітних колоній в чавуні; подрібнення в 2-2,5 рази структури і рівномірний розподіл евтектичної складової в зливку зі сплаву АК5М2. Вібраційна обробка підвищує на 15ч45% пластичні властивості сталей і 33ч54% алюмінієвого сплаву, знижує залишкові напруження в сталевих зливках на 20ч29%, а в зварних швах - в 1,5ч2,5 рази.

9. Отримані в дисертаційній роботі результати вивчення закономірностей кристалізації і структуроутворення сплавів при накладенні вібрації на рідкий метал і метал, що кристалізується дозволили розробити технологію і апробувати її на низці заводів при отриманні литих заготовок для відповідальних деталей нафто- і газопромислового устаткування. Очікуваний економічний ефект при цьому складає 300 - 400 у.о. на тонні сталі у виробі.

Основний зміст дисертації опубліковано в наступних роботах

1. Эльдарханов А.С., Ефимов В.А., Нурадинов А.С. Процессы формирования отливок и их моделирование. -М.: Машиностроение, 2001. - 208 с.

2. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д., Нурадинов А.С. Влияние внешних воздействий на структурообразование и неметаллические включения при кристаллизации стали // Сталь. - 1999. - № 7. - С. 27-30.

3. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. Моделирование процессов кристаллизации и структурообразования сплавов // Процессы литья. - 2001. - № 1. - С. 15-21.

4. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. Теплофизические условия формирования литых заготовок // Процессы литья. - 2001. - №3. - С. 48-52.

5. Эльдарханов А.С., Ефимов В.А., Нурадинов А.С. Литье стали под давлением // Металлургия машиностроения. - 2001. - № 3. - С. 37-46.

6. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. Влияние градиента температуры на кристаллическую структуру литья // Сталь. - 2001. № 5. - С. 25-27.

7. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С. Влияние вибрации на интенсивность теплопередачи к границе затвердевания сплавов // Материаловедение. - 2001. - № 5. -С. 52-55.

8. Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С., Ефимов В.А. Моделирование процесса формирования конуса осаждения неметаллических включений в крупных стальных слитках // Сталь. - 2001. - № 10. - С. 21-22.

9. Ефимов В.А. Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. Исследование термокапиллярного массопереноса ликватов при затвердевании сплавов // Материаловедение. - 2001. - №10. - С. 9-12.

10. Нурадинов А.С., Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д. Влияние температурных полей в затвердевающей отливке на формирование ее структуры // Сталь. - 2002. - №2. - С. 26-28.

11. Эльдарханов А.С., Ефимов В.А., Нурадинов А.С., Таранов Е. Д. Моделирование процесса вибрационной обработки металлических сплавов // Металлургия машиностроения. - 2002. - № 2. - С. 18-19.

12. Нурадинов А.С. Влияние распределения температурных полей на формирование слитка // Процессы литья. - 2002. - №3. - С. 30-34.

13. Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С. Влияние упругих колебаний на кристаллизацию и структуру слитка // Металлургическая и горнорудная промышленность. -2002. - № 7. -С. 192-195.

14. Нурадинов А.С., Ефимов В.А. Исследование теплофизических условий затвердевания стальных слитков в поле упругих волн // Процессы литья. - 2002. - №4. - С. 30-35.

15. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С. Влияние вибрационной обработки на структуру и свойства слитка стали 60 // Сталь. - 2002. - № 12. - С. 15-17.

16. Нурадинов А.С. Исследование вибрационной обработки слитков из нержавеющей стали // Процессы литья. - 2003. - №1. - С. 33-36.

17. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С. Влияние упругих волн на межфазный переход расплава в кристаллическую структуру слитков // Материаловедение. - 2003. - № 3. - С. 36-38.

18. Кондратюк С.Е., Таранов Е.Д., Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С. Вплив температурно-часових параметрів на кристалізацію розплавів у нерівноваж-ному стані // Металознавство та обробка металів. - 2003. - №4. - С. 3-7.

19. Нурадинов А.С. Распределение температурных полей и конвективных потоков при затвердевании слитков // Материаловедение. - 2003. - №7. - С. 12-15.

20. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С. Моделирование процессов формирования кристаллической структуры литья под давлением // Сталь. - 2003. - №6. - С. 39-41.

21. Найдек В.Л., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С, Таранов Е.Д. О механизме воздействия вибрации на кристаллизацию и структурообразование сплавов // Литейное производство. - 2003. - №9. - С. 13-15.

22. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С. Влияние вибрации на теплофизические процессы и структуру кристаллизующегося металла // Литейщик России. - 2003. - №8. - С. 8-10.

23. Нурадинов А.С. Распределение температурных полей и конвективных потоков при затвердевании слитков // Материаловедение. - 2003. - №7. - С. 12-15.

24. Найдек В.Л., Нурадинов А.С., Пилипенко Т.К., Таранов Е.Д. Вплив вібрації на структуру сірого чавуну // Металознавство та обробка металів.

- 2004. - №4. - С. 30-34.

25. Нурадинов А.С., Таранов Е.Д., Эльдарханов А.С., Ефимов В.А. Влияние внешних воздействий на перемещение ликвирующей фазы в затвердевающем слитке //Процессы литья. - 2004. - №2. - С. 37-40.

26. Нурадинов А.С., Ефимов В.А., Таранов Е.Д., Эльдарханов А.С. Влияние вибрации на формирование макро- и микроструктур затвердевающих стальных слитков // Материаловедение. - 2004. - №5. - С. 24-26.

27. Найдек В.Л., Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д. Применение динамических воздействий для повышения качества слитков и непрерывнолитых заготовок // Процессы литья. - 2005. - №1. - С. 34-39.

28. Нурадинов А.С., Найдек В.Л., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д. Формирование непрерывнолитой заготовки в поле упругих колебаний // Металл и литье Украины. - 2005. - №3-4. - С. 131-132.

29. Найдек В.Л., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. Влияние способа виброобработки на характер затвердевания непрерывнолитой заготовки // Металлургия машиностроения. - 2005. - №4. - С. 97-99.

30. Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д., Пилипенко Т.К. Формирование микроструктуры серого чугуна под воздействием вибрации // Литейщик России. - 2006. - №1. - С. 26-28.

31. Нурадинов А.С., Найдек В.Л., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д. Влияние вибрации на структуру и свойства алюминиевого сплава АК5М2 // Литейщик России. - 2005. - №10. - С 23-25.

32. Тарасевич Н.И., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. и др. Влияние вибрационной обработки на параметры затвердевания стальной заготовки // Процессы литья. - 2006. - №1. - С. 64-69.

33. Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д. и др. Теплообменные процессы при формировании НЛЗ в поле упругих колебаний // - Сталь. - 2006. - № 6. - С. 51-52.

34. Нурадинов А.С. Теплообменные процессы при формировании непрерывнолитых заготовок // Литейщик России. - 2006. - № 7. - С. 34-37.

35. Найдек В.Л., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. Вибрация как способ повышения качества литых заготовок // Процессы литья. - 2007. - № 1. - С. 46-53.

Анотація

Нурадинов А.С. “Управління формуванням структури металевих заготівок шляхом теплосилових дій на твердіючі сплави”

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.02 - “Металургія чорних металів”. - Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2007.

Дисертаційна робота присвячена теоретичному та експериментальному узагальненню закономірностей процесів кристалізації, термокапілярного масопереносу ліквуючих домішок, формування кристалічної структури і властивостей твердіючих литих заготівок в умовах теплосилових дій на рідкий та твердіючий розплав.

Методами фізичного і математичного моделювання та натурними експериментами визначено основні закономірності тепломасопереносу в рідких та твердіючих сплавах в умовах диференційного тепловідводу, зовнішнього тиску, вібрації та газоімпульсного перемішування. Доведена важлива роль конвекції в формуванні структури зливків та отримано кількісний зв'язок процесів кристалізації і структуроутворення сплавів зі значенням температурного градієнту по перерізу зливків.

Аналітично та експериментально підтверджена гіпотеза про те, що просування ликватів в міждендритних ділянках твердіючих сплавів відбувається не внаслідок молекулярної дифузії, а в результаті розвитку капілярного і конвективного масопереносів і пов'язано з виникненням міжфазних сил на границі ліквуючих речовин і зростаючих кристалів. Встановлено кількісний зв'язок кінетики просування ліквата з параметрами зовнішнього тиску.

Експериментально доведено, що реалізація механізму дії вібрації на твердіючий розплав пов'язана з умовами зовнішнього тепловідводу: при інтенсивному тепловідводі механізм дії вібрації на розплав полягає в руйнуванні фронту кристалізації за рахунок ударних навантажень пружних хвиль, а в умовах слабкого тепловідводу - в створенні центрів кристалізації за рахунок розвитку кавітації. Науково обґрунтовані оптимальні параметри газоімпульсного перемішування сплавів.

Віброобробка твердіючих сталевих, чавунних та алюмінієвих зливків забезпечила суттєве подрібнення макро- і мікроструктури в сталі, утворення тонкодиференційної графітної евтектики в чавуні, рівномірний розподіл евтектики в алюмінієвому сплаві, підвищення на 15-45% пластичних властивостей сталі та на 33-54% алюмінієвого сплаву, а також суттєво зниження остаточних напруг в сталевих зливках та зварювальних швах.

Розроблені обладнання та технологія вібрації пройшли промислову перевірку на ряді підприємств країн СНД при одержанні якісних литих заготівок для відповідальних деталей газо- і нафтопромислового устаткування.

Ключові слова: зливок, сплав, тепловідвід, тиск, вібрація, газоімпульсне перемішування, кристалізація, термокапілярний масоперенос, структура, властивості.

Аннотация

Нурадинов А.С. “Управление формированием структуры металлических заготовок путем теплосиловых воздействий на затвердевающие сплавы”

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.02 -“Металлургия черных металлов”. - Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, 2007.

Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному обобщению закономерностей процесса формирования металлических заготовок в условиях теплосиловых воздействий на жидкие и кристаллизующиеся сплавы.

В работе выполнен анализ современных представлений о характере влияния внешних воздействий на кристаллизующиеся сплавы. Показана их важная роль в формировании типа кристаллической структуры и ее дисперсности, а также в развитии процесса ликвации в отливках, слитках и непрерывнолитых заготовках. Обоснована целесообразность дальнейшего развития теории и технологии получения литых заготовок с применением теплосиловых воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл. Разработана общая методическая структура теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретически и экспериментально на термостатируемых физических моделях установлены закономерности гидродинамических и теплофизических процессов, влияющих на формирование структуры слитка в условиях различной интенсивности и характера внешнего теплоотвода. Доказана решающая роль конвективных потоков в перераспределении температур, переохлажденных объемов расплава и параметров кристаллизации по сечению затвердевающих слитков. На основании термометрии и анализа связи процессов кристаллизации и структурообразования модельных и металлических сплавов со значениями температурного градиента по сечению слитков предложена формула для определения оптимальной температуры теплоотводящей поверхности (стенки изложницы), обеспечивающей формирование оптимальной кристаллической структуры. Установлена количественная зависимость между величиной температурного градиента по сечению слитка и скоростью роста первичных и вторичных осей дендритов. Методом физического моделирования определена категория сплавов, термовременная обработка которых нецелесообразна.

Развиты представления о механизме термокапиллярного массопереноса ликвирующей примеси в междендритных участках затвердевающих слитков. Доказано, что быстрое перемещение ликватов в междендритном пространстве происходит, главным образом, не вследствие молекулярной диффузии, а в результате развития термокапиллярного и конвективного массопереносов и связано с возникновением межфазных сил на границе ликвирующих веществ с поверхностью растущих кристаллов. Установлена количественная связь кинетики массопереноса ликвата с параметрами внешнего давления на затвердевающий расплав.

Методом математического моделирования с использованием экспериментальных данных изучены особенности гидродинамических и теплофизических процессов при затвердевании стальных слитков под воздействием вибрации. Развиты представления о механизме воздействия вибрации на кристаллизацию и структурообразование модельных и металлических сплавов в зависимости от их природы и характера внешнего теплоотвода. Показано, что воздействие вибрации на измельчение кристаллической структуры слитка в условиях интенсивного теплоотвода осуществляется, главным образом, за счет разрушения фронта кристаллизации, а в условиях слабого или направленного теплоотвода - создания центров кристаллизации за счет развития кавитации.

На физической модели кристаллизатора МНЛЗ изучено влияние вибрации и газоимпульсного перемешивания с малой амплитудой (0,04 м) и высокой частотой пульсации (120…900 мин.-1) на процессы тепло- и массообмена в формирующейся заготовке. Установлено, что вибро- и газоимпульсное воздействие на затвердевающую заготовку существенно снижает скорость нарастания корочки заготовки, что обеспечивает более быстрый отвод тепла перегрева расплава и наступление периода объемной кристаллизации ядра заготовки. При этом значительно сокращается глубина жидкой лунки за счет интенсивного оседания обломков дендритов с фронта кристаллизации и из зоны кавитации. Научно обоснован диапазон оптимальных параметров (амплитуда и частота импульсов) вибро- и газоимпульсного воздействия на затвердевающую заготовку.

Показано, что вибрационная обработка слитков из сталей марок 20, 60 Х18Н9Т, серого чугуна СЧ18-36 и алюминиевого сплава АК5М2 вызывает измельчение дендритной структуры в 2-10 раз и микроструктуры в 1,6-2,5 раза. При этом, вибрация повышает на 15-45% пластические свойства сталей и на 33-54% алюминиевого сплава; снижает остаточные напряжения в стальных слитках на 20-30%. Разработанная на основе исследований технология виброобработки сплавов прошла промышленную проверку на ряде предприятий при изготовлении заготовок для деталей нефтегазо-промыслового оборудования с ожидаемым экономическим эффектом 300-400 у.е. на тонне стали в изделии.

Ключевые слова: слиток, сплав, теплоотвод, давление, вибрация, газоимпульсное перемешивание, кристаллизация, термокапиллярный массоперенос, структура, свойства.

Abstract

Nuradinov A.S. “Control of formation structure of metal billets by heatforce influences on solidifying alloys”

Thesis for competition for Doctor of Engineering Science by according the 05.16.02 - “Metallurgy of ferrous metals” specialty. - Physics-Technological Institute of Metals and Alloys of NAS of Ukraine, Kiev, 2007.

The doctoral thesis is devoted to the theoretical and experimental generalization of processes regularity for crystallization, thermo-capillary mass transfer liquating additives, formation of crystal structure and properties of solidifying metal billets under conditions of heat-force influences on the liquid and solidifying alloy.

Using methods of physical and mathematical simulation and full-scale experiments there were determined the base regularities of heat and mass transfer in the liquid and solidifying alloys under conditions of varied heat sink, external pressure, vibration and gas-impulsive mixing. The main role of the convection in ingots structure formation is proved and the numerical relation between crystallization processes and alloys structure formation and value of thermal gradient along the ingots section is obtained.

The hypothesis that liquates movement in inter-dendrite zones of solidifying alloys isn't sequent from molecular diffusion but as a result of evolution of capillary and convective mass transfer and it is connected with the appearance of interfacial forces on the border of liquating agents and growing crystals is confirmed analytically and experimentally. The quantitative relation between liquate movement kinetics and external pressure parameters is determined.

It is proved experimentally that the realization of vibration effect on the solidifying melt is connected with the conditions of the external heat sink: during the intensive heat sink the vibration effect on the melt consists of crystallization front destroy at the expense of load impacts of elastic waves, and under conditions of low heat sink - of crystallization centers creation at the expense of cavitation evolution. The optimal parameters of gas-impulsive melt mixing are substantiated scientifically.

Vibration treatment of solidifying steel cast iron and aluminum ingots supplies the essential breakage of macro- and micro-structure in a steel, creation of finely varied graphite eutectic in a cast iron, uniform distribution of eutectic in an aluminum alloy, increase of elastic properties for steel in 15-45% and for aluminum alloy - in 33-54%, and decrease essential of residual stresses in steel ingots and weld seams.

The developed equipment and vibration technology passed the industrial test in some enterprises in CIS countries during obtaining the quality billets for critical parts for gas and oil industry equipment.

Key words: ingot, alloy, heat sink, pressure, vibration, gas-impulsive mixing, crystallization, thermal capillary mass transfer, structure, properties.

Размещено на Allbest.ru