ИССЛЕДОВАНИЕ  ВЛИЯНИЯ  ОБЪЕМА  «ЗАХОЛАЖИВАЮЩЕЙ»  ГОЛОВНОЙ  ЧАСТИ  КУЗНЕЧНОГО  СЛИТКА  НА  ОСОБЕННОСТИ  ЕГО  ЗАТВЕРДЕВАНИЯ  И  РАЗВИТИЯ  ДЕФЕКТНЫХ  ЗОН

Зюбан  Николай  Александрович

д-р  техн.  наук,  профессор,  заведующий  кафедрой  «Технология  материалов»  Волгоградского  Государственного  Технического  Университета,  РФ,  г.  Волгоград

E -mail:  tecmat@vstu.ru

Руцкий  Дмитрий  Владимирович

канд.  техн.  наук,  доцент  Волгоградского  Государственного  Технического  Университета,  РФ,  г.  Волгоград

Галкин  Антон  Николаевич

аспирант  Волгоградского  Государственного  Технического  Университета,  РФ,  г.  Волгоград

Гаманюк  Сергей  Борисович

канд.  техн.  наук,  доцент  Волгоградского  Государственного  Технического  Университета,  РФ,  г.  Волгоград

Пузиков  Артемий  Ярославич

аспирант  Волгоградского  Государственного  Технического  Университета,  РФ,  г.  Волгоград

RESEARCH  OF  INFLUENCE  OF  VOLUME  OF  THE  "COOLING"  HOT  TOP  OF  THE  FORGE  INGOT  ON  FEATURES  OF  ITS  HARDENING  AND  DEVELOPMENT  OF  DEFECTIVE  ZONES

Nikolai  Zyuban

doctor  of  Technical  Sciences,  Professor,  Head  of  Department  "Materials  Technology"  Volgograd  State  Technical  University,  Russia,  Volgograd

Dmitry  Rutskii

associate  professor  of  Volgograd  State  Technical  University,  Russia,  Volgograd

Anton  Galkin

graduate  student  of  the  Volgograd  State  Technical  University,  Russia,  Volgograd

Sergey  Gamanyuk

associate  professor  of  Volgograd  State  Technical  University,  Russia,  Volgograd

Artemy  Puzikov

graduate  student  of  the  Volgograd  State  Technical  University,  Russia,  Volgograd

АННОТАЦИЯ

Целью  работы  являлось  исследование  влияния  объема  «захолаживающей»  головной  части  кузнечного  слитка  на  особенности  развития  дефектных  зон.  Результаты  исследования,  проводимого  на  основе  физического  моделирования,  показали  что  использование  слитка  с  максимальной  степенью  охлаждения  (прибыль-холодильник)  приводит  к  увеличению  в  1,5  раза  вертикальной  составляющей  затвердевания  по  сравнению  с  обычным  слитком  с  утепляющей  прибылью,  что  обеспечивает  благоприятные  условия  для  уменьшения  развития  ликвационных  процессов  и  повышения  химической  однородности  литого  металла. 

ABSTRAKT

The  purpose  of  work  was  research  of  influence  of  volume  of  the  "cooling"  head  part  of  a  forge  ingot  on  features  of  development  of  defective  zones.  Results  of  the  research  conducted  on  the  basis  of  physical  modeling  showed  that  use  of  an  ingot  with  the  maximum  extent  of  cooling  (profit  refrigerator)  leads  to  increase  by  1,5  times  of  a  vertical  component  of  hardening  in  comparison  with  a  usual  ingot  with  the  warming  profit  that  the  likvatsionnykh  of  processes  and  increase  of  chemical  uniformity  of  cast  metal  provides  favorable  conditions  for  development  reduction. 

Ключевые  слова :  слиток;  «захолаживающая»  надставка;  физическое  моделирование;  затвердевание

Keywords :  ingo;  "cooling"  hot  top;  physical  modeling;  solidification

Работа  выполнена  в  рамках  проекта  РФФИ,  соглашение  №  HK  15-08-08098\15.  Классическая  технология  получения  слитков  путём  разливки  стали  в  изложницы  с  утепляющей  прибыльной  надставкой  является  наиболее  распространённой  после  непрерывной  разливки,  имеющей  свой  сортамент  и  предназначение.  Обеспечивая  относительно  плотную  осевую  зону  утепление  прибыли  способствует  интенсивному  развитию  ликвационных  процессов  по  высоте  слитка,  особенно  ликвации  углерода,  серы  и  фосфора,  что  отрицательно  сказывается  на  качестве  получаемых  заготовок  и  уменьшении  выхода  годного. 

Уменьшить  структурную  и  химическую  неоднородность  можно  рядом  технических  решений  —  вибрационным  воздействием  [3],  инокулированием  [2;  5],  вращением  слитка  при  затвердевании  и  др.,  однако  главным  условием  получения  качественного  металла  остаются  правильно  выбранные  геометрические  параметры  слитка  [1;  8;  9].  Именно  в  этом  случае  можно  получить  более  благоприятную  макроструктуру,  снизить  ликвационную  неоднородность  и  дефектность  осевой  зоны.

Одним  из  методов,  позволяющих  совместить  эти  два  условия,  является  отливка  слитков  с  применением  захолаживания  прибыли,  предназначенная  для  производства  полых  поковок.  Использование  этой  технологии  обусловило  повышение  выхода  годного,  перемещение  усадочной  раковины  в  осевую  область,  удаляемую  при  ковке,  уменьшение  ликвации  углерода,  серы,  фосфора  по  высоте  слитка  [7].

Физическое  моделирование,  процесса  затвердевания  слитков,  проводилось  на  моделях  —  изложницах  с  утепляющей  и  захолаживаемыми  прибыльными  надставками  различного  объема  [4;  6].

По  результатам  физического  моделирования  для  различных  горизонтов  слитка  были  построены  графики  зависимости  изменения  количества  нарастающего  твёрдого  слоя  в  вертикальном  направлении  от  времени  охлаждения  расплавленного  гипосульфита  в  изложнице  (рисунок  1)  с  различными  объёмами  захолаживающей  надставки  (11,6  %,  21,8  %).

Приведённые  данные  характеризуют  особенности  затвердевания,  как  всего  слитка,  так  и  различных  его  областей,  в  зависимости  от  условий  теплоотвода.  В  случае  (см.  рисунок  1  а)  с  утепляющей  прибыльной  надставкой  рост  твёрдой  фазы  в  вертикальном  направлении  практически  линейно  связан  со  временем  процесса,  приближаясь  к  прямо  пропорциональной  зависимости.  Это  характеризует  стабильность  и  равномерность  процесса  кристаллизации  модельного  слитка  традиционной  формы.

Рисунок  1.  Динамика  нарастания  твёрдой  фазы  модельных  слитков  в  зависимости  от  времени  затвердевания:  а  —  обычный  слиток;  б  —  слиток  с  захоложенной  прибыльной  надставкой  малого  объёма  (11,6  %);  в  —  слиток  с  захоложенной  прибыльной  надставкой  большего  объёма  (21,8);  г  —  слиток,  полученный  совместным  использованием  захолаживающей  прибыльной  надставки  и  выпуклого  поддона

При  использовании  захолаживаемой  прибыли  объёмом  11,6  %  (см.  рисунок  1  б)  пропорциональный  участок  вертикальной  кристаллизации  сохраняется  в  течение  50  мин.,  после  чего  интенсивность  затвердевания  многократно  возрастает.  Это  обусловлено  смыканием  вертикального  фронта  кристаллизации  с  боковыми  растущими  кристаллами.  При  прохождении  теплового  центра  слитка  интенсивность  вертикальной  кристаллизации  существенно  снижается,  и  процесс  завершается  на  уровне  150  мм  (60  %)  высоты  тела  слитка.  При  отливке  модельного  слитка  с  объёмом  захолаживаемой  прибыли  21,8  %  (см.  рисунок  1  в)  пропорциональный  участок  равномерной  кристаллизации  возрастает  до  110  мин.,  что  объясняется  снижением  температурного  градиента  по  высоте  слитка  за  счёт  более  мощного  охлаждающего  воздействия  прибыли-холодильника.  Динамика  дальнейшего  процесса  кристаллизации  практически  не  отличается  от  предыдущего  случая  (см.  рисунок  1  б).  Изменение  скорости  вертикальной  кристаллизации  в  зависимости  от  времени  затвердевания  и  условий  охлаждения  приведено  на  рисунке  2.

Рисунок  2.  Изменение  скорости  вертикальной  кристаллизации  модельных  слитков  в  процессе  затвердевания  расплава  в  зависимости  от  условий  охлаждения

Высокие  значения  вертикальной  скорости  в  начальные  моменты  кристаллизации  во  всех  рассматриваемых  случаях  практически  идентичны  и  обусловлены  значительным  градиентом  температур  между  расплавом  и  поддоном.  Снижение  теплоотвода  за  счёт  нарастания  затвердевшего  слоя  приводит  к  снижению  температурного  градиента  и,  как  следствие,  к  резкому  снижению  скорости  кристаллизации  (для  всех  случаев).  Дальнейшее  возрастание  скорости  продвижения  твердой  фазы  связано  с  формированием  дендритного  каркаса  и  затвердеванием  слитка  практически  по  всему  объёму.  Однако  в  случае  с  утепляющей  прибылью  этот  процесс  тормозится  относительно  медленным  затвердеванием  осевых  и  прилегающих  к  ним  объёмов  слитка  за  счёт  воздействия  прибыли,  чем  и  объясняется  небольшой  рост,  а  затем  снижение  скорости  кристаллизации.  В  случае  применения  захолаживающих  прибыльных  надставок  наблюдается  более  интенсивный  рост  скорости  затвердевания,  однако,  максимальное  значение  этой  величины  характерно  для  надставки  с  объёмом  11,6  %.  Для  объёма  прибыли  21,8  и  14,2  %  эти  значения  меньше,  что  можно  объяснить  снижением  температурного  градиента  по  высоте  слитка,  несмотря  на  интенсивные  процессы  кристаллизации  за  счёт  сращивания  объёмно  ориентированных  кристаллов.  Результирующая  скорость  кристаллизации  в  слитках  с  захолаживающей  прибыльной  надставкой  существенно  выше,  чем  в  слитке  с  утеплением  головной  части,  в  частности,  для  слитка  с  «выпуклым»  поддоном  и  объёмом  захоложенной  прибыли  14,2  %  в  1,5  раза.

Выводы

При  отливке  модельных  слитков  с  захолаживаемой  прибылью  в  зависимости  от  её  объёма  пропорциональный  участок  вертикального  затвердевания  составляет  от  20  до  45  %  времени  процесса,  после  чего  интенсивность  затвердевания  многократно  возрастает,  что  обусловлено  сращиванием  вертикального  фронта  затвердевания  с  дендритным  каркасом  различно  ориентированных  кристаллов  и  смещению  процесса  к  объёмному  типу.  Слиток  с  максимальной  степенью  охлаждения  (прибыль-холодильник)  затвердевает  со  скоростью  вертикальной  кристаллизации  в  1,5  раза  большей  по  сравнению  с  обычным  слитком  с  утепляющей  прибылью,  что  обеспечивает  благоприятные  условия  для  уменьшения  развития  ликвационных  процессов  по  высоте  слитка.

Список  литературы:

1.Влияние  геометрических  параметров  на  процессы  кристаллизации  и  образование  дефектных  зон  в  слитках  с  различной  конфигурацией  донной  части  /  Н.А.  Зюбан,  Д.В.  Руцкий,  С.Б.  Гаманюк,  А.Н.  Галкин,  А.С.  Воробьева,  Д.Г.  Шулешко  //  Технология  металлов.  —  2013.  —  №  4.  —  C.  26—33.

2.Жульев  С.И.,  Зюбан  Н.А.  Производство  и  проблемы  качества  кузнечного  слитка:  Монография  /  ВолгГТУ.  РПК  «Политехник»,  2003.  —  168  с.

3.Затвердевание  металлического  расплава  при  внешних  воздействиях  /  А.Н.  Смирнов,  [и  др.].  Донецк:  Издательство  «ВИК»,  2008.  —  250  с.

4.П.м.  135551  РФ,  МПК  B22D7/08.  Модель  изложницы  для  исследования  процесса  кристаллизации  слитков  /  Н.А.  Зюбан,  Д.В.  Руцкий,  А.Н.  Галкин,  С.Б.  Гаманюк,  Е.А.  Косова,  А.Я.  Пузиков;  ВолгГТУ.  2013.

5.Патент  на  полезную  модель  №  42454,  РФ  В  22  D  27/15  /  Устройство  для  отливки  слитков  в  вакууме  с  инокуляторами.  /  Жульев  С.И.,  Зюбан  Н.А.  Опубл.  16.06.04  Бюл.  №  34.

6.П.м.  110667  РФ,  МПК  В22D  7/08.  Устройство  для  исследования  процесса  кристаллизации  слитков  в  модели  изложницы  /  Н.А.  Зюбан,  Д.В.  Руцкий,  С.Б.  Гаманюк,  С.Н.  Никуйко,  А.Н.  Галкин;  ВолгГТУ.  2011.

7.Effect  of  chilling  of  the  top  part  of  a  steel  ingot  on  the  conditions  of  its  crystallization  and  the  quality  of  forgings  obtained  from  it  /  Галкин  А.Н.,  Зюбан  Н.А.,  Руцкий  Д.В.,  Гаманюк  С.Б.,  Пузиков  А.Я.,  Фирсенко  В.В.  //  Metallurgist.  —  2013.  —  Vol.  57,  —  №  3—4.  —  C.  199—206.

8.V.S.  Dub,  A.N.  Romashkin,  A.N.  Mal'ginov,  I.A.  Ivanov,  D.S.  Tolstykh,  :  Metallurgist,  —  2014,  —  Vol.  57,  —  pp.  987—995.

9.V.S.  Dub,  A.N.  Romashkin  I.A.  Ivanov    D.S.  Tolstykh,  and  A.N.  Mal’ginov  :  Metallurgist,  —  2014,  —  Vol.  57,  —  pp.  1088—1094.