Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях
  4.2 Влияние низкочастотной обработки на повышение стойкости чугунных изложниц

Известно, что отливки из чугуна широко используются в различных отраслях машиностроения в силу того, что чугун, как конструкционный материал, обладает определенной совокупностью литейных и эксплуатационных свойств при сравнительно низкой себестоимости изделий. Среди многочисленных типов отливок из чугуна особое место по значимости занимают изложницы для слитков, так как они эксплуатируются в крайне сложных температурных условиях (периодические теплосмены и неравномерный прогрев стенок изложниц в процессе остывания слитков) в потоке сталеплавильного производства. Учитывая высокую актуальность повышения стойкости изложниц с точки зрения снижения затрат на тонну стали в настоящей работе выполнены специальные исследования по оценке возможностей использования вибрации для решения этой задачи.

При анализе чугунных изложниц как объекта исследования во внимание были приняты следующие факторы:

а) высокие требования, предъявляемые к качеству отливки, и тяжелые с точки зрения термических и механических нагрузок условия ее эксплуатации;

б) достаточно сложные условия затвердевания отливок изложниц, в том числе различие в условиях затвердевания стенок и углов;

в) наличие центрального стержня, препятствующего свободной усадке изложницы при затвердевании, что способствует формированию в отливке внутренних напряжений уже в процессе затвердевания;

г) весьма короткий период эксплуатации отливок, что позволяет достаточно быстро и эффективно проследить результаты виброобработки и скорректировать режимы воздействия;

д) большой объем потребления изложниц в черной металлургии и машиностроении при сравнительно высоком их расходе (в среднем 20-22 кг/т разливаемой стали [169]).

Отличительной чертой работы изложницы в процессе ее эксплуатации являются циклически повторяющиеся односторонние нагревы от заливаемой во внутреннюю полость стали и последующие охлаждения, включающие период извлечения слитков и подготовку изложницы к работе. В результате значительного температурного градиента в стенке изложницы возникают большие температурные напряжения, что в совокупности со структурными изменениями происходящими в чугуне [170], приводит к ее разрушению после определенного числа наливов. Основными причинами выхода изложниц из эксплуатации является образование продольных и поперечных трещин, а также возникновение сетки разгара, размывов стенок, коробления и т.п. Принято считать, что по признаку "образование трещины" выходит из строя до 90% всех изложниц [171].

В соответствии с классификацией дефектов, возникающих в изложницах, впервые предложенной А.А. Горшковым [172], различают трещины первого (возникающие с наружной стороны после нескольких наливов), второго (возникающие на внутренней стороне после большего количества наливов) и третьего (сетка разгара, возникающая после значительного числа односторонних нагревов [173]) рода. Кроме рассмотренных дефектов, в практике эксплуатации изложниц можно встретить и другие дефекты, которые носят случайный характер и могут быть объяснены низкой квалификацией обслуживающего персонала. Возникновение в стенках изложниц различного рода трещин является следствием действия внутренних напряжений (температурных, литейных и эксплуатационных). Величина внутренних напряжений зависит от физических свойств чугуна и от конструкции изложницы. Как показывают многочисленные исследования, для оценки пригодности материала для изготовления изложниц условно можно использовать следующее выражение [174]:

где С - предел прочности при растяжении; - относительное удлинение, %; - коэффициент теплопроводности; Е - модуль упругости; - коэффициент линейного расширения.

Между тем, в литературе имеются данные, в которых предлагается использовать в анализе также дополнительные параметры: циклическая вязкость, теплоустойчивость, ростоустойчивость, жаростойкость, квазиизотропия, ликвация, несплошность структуры, износостойкость и адгезия [175], однако простых эмпирических зависимостей между этими параметрами, качеством чугуна и стойкостью изложницы не предложено.

Сопоставляя выражение (4.1) с результатами исследований влияния виброобработки на свойства чугуна, рассмотренными в предыдущем параграфе, следует отметить, что такое воздействие может заметно повысить стойкость изложниц, в первую очередь, за счет повышения физико-механических свойств чугуна; (С и ) без уменьшения коэффициента теплопроводности ().

Оценку влияния виброобработки чугунных отливок исследовали в условиях литейного цеха Донецкого металлургического завода при производстве чугунных изложниц для слитков массой 5,6 тонн [176]. При этом был принят во внимание тот факт, что многолетний поиск оптимальных технологических и конструкционных решений, направленных на повышению стойкости изложниц в сталеплавильных цехах ДМЗ в целом позволил достигнуть в 80-е годы крайне высоких показателей (расход изложниц составлял 11-12 кг/т стали). Такой низкий расход изложниц делает этот завод предпочтительным для проведения дальнейших исследований, так как при этом с большей степенью уверенности можно утверждать, что основные критерии повышения стойкости изложниц (традиционные решения) в основном установлены и оптимизированы.

Принимая во внимание тот факт, что в изложницах перед началом эксплуатации имеется определенный уровень внутренних (остаточных) напряжений [177], в значительной мере влияющих их эксплуатационную стойкость, исследования были выполнены в следующем порядке:

а) разработка промышленной технологии виброобработки изложниц в процессе их затвердевания и оценка ее эффективности с точки зрения повышения стойкости;

б) разработка промышленной технологии виброобработки изложниц после их выбивки из формы с целью снятия внутренних остаточных напряжений и определение степени эффективности такой обработки;

в) исследование динамики изменения внутренних напряжений для изложниц, подвергнутых дополнительному воздействию вибрацией, и выбор рациональной схемы виброобработки в промышленных условиях.

Такая последовательность проведения исследований объясняется, прежде всего, тем фактом, что при обработке изложницы в процессе затвердевания, видимо, также может происходить снятие внутренних напряжений из-за длительности периода воздействия вибрации. На наш взгляд, представляется весьма важным разделение эффектов, достигаемых при вибрации, так как это, в конечном счете, позволяет оптимизировать режимы обработки.

Для виброобработки изложниц в процессе их затвердевания опоки располагались на специальной виброплите. При этом обработку начинали через 100-200 секунд после окончания заливки. Для уточнения оптимальных режимов воздействия был исследован диапазон 23-56 Гц, который, судя по предыдущим исследованиям можно было рассматривать как наиболее эффективный. Для каждой частоты вибрации были получены 8-10 опытных изложниц, а в качестве сравнительных использовались изложницы без обработки, полученные из чугуна той же плавки. Сравнение стойкости опытных (числитель) и сравнительных изложниц (знаменатель) приведено ниже:

  • 23 Гц - 81,2/69,2 наливов (17%)
  • 30 Гц - 78,0/67,2 наливов (16%)
  • 35 Гц - 69,5/68,8 наливов (1%)
  • 40 Гц - 69,2/64,5 наливов (7%)
  • 56 Гц - 66,0/67,4 наливов (2%)

Для оценки степени влияния вибрации на качество получаемого чугуна из стенок изложниц отбирались керновые пробы, по которым осуществляли металлографические исследования, а также измеряли плотность чугуна и предел прочности. В целом результаты, относящиеся к плотности и прочности чугуна изложниц, оказались весьма близкими к ранее рассмотренным данным для опытных отливок. При этом в отобранных образцах отмечено более равномерное распределение свободного графита при одновременном уменьшении линейных размеров пластин.

Одной из причин улучшения прочностных характеристик чугуна и эксплуатационных свойств отливок, по нашему мнению, можно считать некоторое изменение условий затвердевания чугуна в стенках изложниц в случае наложения вибрационного воздействия за счет принудительного перемешивания жидкой фазы. Этот факт был подтвержден в ходе специальных исследований, в которых на трех уровнях по высоте опытной и сравнительной изложницы были установлены термопары. Показания термопар фиксировались в течение всего периода затвердевания. Как видно из результатов измерений, приведенных на рис. 4.4, время затвердевания отливки в случае использования вибровоздействия уменьшается по крайней мере на 15-20%. Кроме того, сравнивая результаты измерений по различным уровням отливки изложниц, нетрудно заметить также, что для опытной изложницы характерно более равномерное распределение температур по ее высоте, что безусловно улучшает условия затвердевания.

Кривая охлаждения сравнительной и опытной изложниц для трех уровней

Рис.4.4. Кривая охлаждения сравнительной (а) и опытной (б) изложниц для трех уровней (верх, середина, низ)

Таким образом, выполненные исследования по виброобработке изложниц в процессе затвердевания, позволили установить, что в этом случае удается достигнуть более равномерного распределения температур по высоте жидкой фазы при сокращении времени затвердевания. При этом стойкость опытных изложниц повысилась в среднем на 16-17%.

Вместе с тем, как показывают исследования [272,273], в изложницах может наблюдаться достаточно высокий уровень остаточных (литейных) напряжений еще до начала эксплуатации. Безусловно, эти напряжения, суммируясь с эксплуатационными, могут служить причиной преждевременного образования трещин и выхода изложниц из строя. Возникновение в отливках внутренних напряжений, величина которых не превышает уровня предела упругости, обычно связывается с неодинаковыми линейными и объемными изменениями, происходящие в смежных объемах отливки [179]. При охлаждении отливок в зоне пластичности чугун склонен преимущественно к остаточным деформациям, которые не исчезают. Однако вследствие пластического состояния материала заметных напряжений в отливке не возникает. При более низких температурах возможны упругие деформации, в результате которых возникают остаточные напряжения. Следовательно, остаточные напряжения могут возникнуть лишь тогда, когда весь металл отливки находится в упругом состоянии или же когда часть металла отливки находится в пластическом, а другая часть - в упругом состоянии.

Самым распространенным методом снижения литейных напряжений является термообработка, которая основана на том, что при нагреве отливок до высоких температур, при которых исчезают упругие и появляются пластические деформации, остаточные напряжения в значительной степени снижаются. Однако, использование термообработки для снятия напряжений в чугунных отливках, представляется весьма проблематичным в условиях действующих литейных цехов, так как при этом потребуется существенное наращивание производственных площадей для сооружения участка термических печей. Более того, достигнутый эффект может быть эквивалентен дополнительным затратам. Видимо, использование термообработки целесообразно лишь для отливок из чугуна с шаровидным графитом.

Виброобработка как альтернативный метод снятия внутренних напряжений в последние десятилетия получает все большее распространение для различных типов литых и сварных изделий [179-183]. Механизм вибростарения в ло-кальных зонах объясняется обычно суммированием возникающих при вибрации дополнительных напряжений с начальными остаточными, в результате чего в поликристаллическом материале происходят сдвиги кристаллической решетки, которые сопровождаются перераспределением напряжений. Эффективность вибрационной обработки определяется степенью пластической деформации металла, которая зависит от прикладываемой нагрузки при вибрации, определяемой значением и местом приложения вынуждающей силы, создаваемой вибровоздействием, а также геометрической формой детали. Определение оптимальных режимов обработки в каждом конкретном случае сводится к отысканию такой схемы нагружения деталей при вибрации и таких ее параметров, при которых достаточно просто обеспечивается по возможности полная проработка всей детали циклическими напряжениями требуемой величины.

Учитывая высокую жесткость изложницы с точки зрения упругих деформаций наиболее рациональным, на наш взгляд, представляется крепление вибратора непосредственно на одной из ее стенок (рис. 4.5). С целью определения рациональных режимов вибровоздействия для снятия остаточных литейных напряжений в изложницах Донецкого металлургического завода была разработана следующая методика проведения экспериментов [178, 184, 185]:

  • определение спектра резонансных частот колебаний в системе изложница - вибратор;
  • определение рациональной длительности вибрационного воздействия в зависимости от достигаемой эксплуатационной стойкости изложниц;
  • изучение эффективности вибрационного воздействия на промышленной партии изложниц при эксплуатации в сталеплавильном цехе.

Виброобработка чугунной изложницы для слитка массой 5,6 т Донецкого металлургического завода

Рис.4.5. Виброобработка чугунной изложницы для слитка массой 5,6 т Донецкого металлургического завода

Проявление резонансного эффекта при наложении воздействия фиксировали по величине амплитуды колебаний стенок изложниц в ходе сканирования частоты вибрации с помощью прибора ВИП-2. Отмечено, что в области проявления резонанса амплитуда колебаний стенок изложницы возрастает в 3-5 раз и более. При этом сам эффект резонанса наблюдается в достаточно узком частотном интервале. Для конструкции изложницы ДМЗ наиболее характерное проявление резонансного эффекта наблюдалось в следующих основных диапазонах: 17-22 Гц; 28-34 Гц; 40-47 Гц; 58-64 Гц; 76-81 Гц. Сравнение эффективности снятия остаточных внутренних напряжений при виброобработке на различных резонансных частотах показывает, что для резонансных частот первого и второго порядка (а) характерно более глубокое снятие остаточных напряжений. Однако в этом случае требуется достаточно точная фиксация периода обработки, поскольку при его увеличении свыше критического может наблюдаться повышение внутренних напряжений в стенках изложниц. Для резонансных частот третьего-пятого порядков следует отметить более плавное снятие внутренних остаточных напряжений при некотором уменьшении общего эффекта обработки (б).

Кроме того, для определения рациональной длительности вибрационного воздействия были выполнены промышленные эксперименты, в которых партии изложниц (8 - 10 штук в каждой) подвергались виброобработке в течение 4, 6, 8, 10, 12, 16 мин. соответственно на резонансной частоте третьего порядка. В процессе эксплуатации изложниц наблюдения велись не только за опытными, но и за сравнительными изложницами, отлитыми из чугуна той же плавки. Средняя стойкость изложниц для каждого режима обработки определялась как среднее арифметическое значение стойкости изложниц без учета максимального и минимального показателя. Ниже приведены полученные результаты:

  • без обработки 82,8
  • виброобработка в течение:
    • 4 мин 83,7
    • 6 мин 94,1
    • 8 мин 91,4
    • 10 мин 92,0
    • 12 мин 86,3
    • 16 мин 85,2

Наилучшие результаты достигаются при длительности виброобработки в течение 6-8 минут. Некоторое увеличение рациональной длительности виброобработки видимо, следует связывать с вторичным эффектом перераспределения напряжений в стенках изложниц. При увеличении периода обработки свыше указанных значений наблюдается снижение стойкости изложниц, что, видимо, следует объяснять накоплением дополнительных внутренних напряжений уже непосредственно в ходе обработки.

Анализ возможностей повышения стойкости изложниц за счет использования дополнительной виброобработки в условиях промышленного производства осуществлен на партии изложниц количеством 650 штук (рис. 4.6). С помощью статистической обработки данных установлено, что виброобработка в оптимальных режимах может обеспечивать повышение стойкости изложниц в среднем на 10-12% за счет снижения числа изложниц, выходящих из строя по трещинам первого и второго рода.

В дальнейшем, с целью определения наиболее рациональной схемы повышения стойкости изложниц за счет виброобработки, были выполнены эксперименты, в ходе которых, часть изложниц подвергалась виброобработке как при затвердевании, так и после выбивки и обрубки. Для анализа результатов отбирались лишь изложницы с химическим составом близким к средним значениям рекомендованного в технологической инструкции литейного цеха ДМЗ (в скобках указано количество изложниц, принятых во внимание):

  • сравнительные изложницы (34) - 71,4 налива;
  • изложницы с виброобработкой после выбивки и обрубки (29) - 78,2 налива;
  • изложницы с виброобработкой в процессе затвердевания (27) - 83,3 налива;
  • изложницы с виброобработкой и в процессе затвердевания и после выбивки и обрубки (2) - 85,9 налива.

Сравнение стойкости опытных и сравнительных изложниц

Рис. 4.6. Сравнение стойкости опытных и сравнительных изложниц

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что в большинстве случаев представляется достаточно целесообразной организация одного цикла виброобработки, что, естественно, в значительной степени упрощает весь технологический процесс. Применительно к литейному цеху ДМЗ было принято, что, в случае отсутствия серьезных отклонений в технологии и колебаний химического состава чугуна от рекомендуемых значений, достаточно использовать вибрацию изложниц после выбивки и обрубки. Вибрацию же в процессе затвердевания изложницы (в силу более сложного процесса обработки) рекомендуется использовать только для компенсации ухудшения механических свойств чугуна из-за определенных отклонений в его химическом составе и технологии доводки перед заливкой в формы. В общем случае наиболее предпочтительным представляется использование виброобработки при затвердевании изложниц в специализированных цехах с массовым производством.

Выполненные исследования показали, что виброобработка при рациональных режимах воздействия является эффективным средством повышения эксплуатационной стойкости чугунных изложниц. В ходе промышленных экспериментов установлено, что положительный эффект при виброобработке достигается как в части снятия остаточных напряжений, так и в части повышения физико-механических свойств чугуна в отливках за счет виброобработки в процессе затвердевания, что обеспечивает рост эксплуатационных показателей изложниц. Результаты исследований внедрены в промышленное производство в условиях литейного цеха ДМЗ и обеспечили повышение стойкости изложниц в среднем на 10-12%.

  4.2 Влияние низкочастотной обработки на повышение стойкости чугунных изложниц
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ