Мазорчук Володимир Федорович. Кристалізація розплаву з використанням надливної вставки, що плаває, яка виготовлена з вторинних матеріа

brief description

Мазорчук Володимир Федорович. Кристалізація розплаву з використанням надливної вставки, що плаває, яка виготовлена з вторинних матеріа : Дис... канд. наук: 05.16.04 2009

Мазорчук В.Ф. Кристалізація розплаву з використанням надливної вставки, що плаває, яка виготовлена з вторинних матеріалів Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 ливарне виробництво. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2009.
Дисертація присвячена дослідженню процесів затвердіння металу надливної частини виливка (злитка) за умов використання надливної вставки нової конструкції; розробці складу вогнетривкої формувальної суміші на основі золи-виносу Придніпровської ТЕС з ефективнішими теплофізичними властивостями для виробництва надливної вставки, що плаває; комп’ютерному моделюванню процесу твердіння злитка для прогнозування і встановлення зон виникнення усадкових дефектів, впливу надливної вставки, що плаває, на якість литого металу.
Особливістю розробленої вогнетривкої формувальної суміші є те, що вона виробляється на основі відходів золи-виносу Придніпровської ТЕС. Експериментально встановлена температура нагріву та охолодження надливної вставки, що плаває, і побудовано температурне поле форми вставки у процесі заливки, спливання на протязі ~15 хвилин та після затвердіння злитка масою 2700 кг.
Виконано комп’ютерне моделювання у СКМ ЛП «Полігон» процесів твердіння та охолодження розплаву виливку та злитка, нагріву і охолодження надливної вставки, що плаває. Адаптацію моделі виконували з урахуванням температурних полів надливної вставки, що були отримані експериментально.
Встановлено зменшення неметалевих вкраплень по висоті та радіусу злитка, середнього розміру зерна в осьовій зоні та у зовнішніх шарах злитка масою 2700 кг у порівнянні з серійним. Розроблена технологія забезпечує усунення усадкової шпаристості, зменшення висоти залягання концентрованої усадкової раковини та скорочення витрат металу на надлив.

У дисертаційній роботі отримані нові розв’язання науково-прикладної задачі, які полягають у визначенні впливу надливної вставки, що плаває, на процес затвердіння сталевих та чавунних виливків з розробкою раціональної технології виробництва надливної вставки, що плаває і яка виготовлена з вогнетривкої формувальної суміші на основі золи-винос Придніпровської ТЕС. Це дає можливість ефективніше теплоізолювати надлив, що забезпечить зменшення розміру зерна, кількість неметалевих вкраплень і усунення піднадливних дефектів у виливках та зменшення браку литого металу.
На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень зроблені наступні основні висновки:

Аналіз технічної літератури та сучасного стану виготовлення сталевих та чавунних виливків показав, що робота спрямована на дослідження теплових процесів у надливній частині виливка (злитка), моделювання процесів кристалізації металу, удосконалення технології литва з прогнозуванням та встановленням зон виникнення усадкових дефектів, підвищення якості і зменшення браку литого металу, є актуальною.
Розроблено технологію зменшення витрат металу на надлив за рахунок використання надливної вставки, що плаває, яка при сифонній розливці розплаву акумулює тепло перегріву металу, що заливається, а після спливання вгору забезпечує утеплення надливу та спрямоване затвердіння виливка.
Встановлені фізико-хімічні властивості відходів Придніпровської ТЕС золи-виносу. Її основу складають оксиди SiO2~48,1%, Al2O3~23,4%, Fe2O3~7.2%, CaO ~2,3% та MgO ~1,1%. Рентгенофазовим аналізом показано, що у складі золи-винос кремнезем представлений вільним кварцом, а також структурно зв’язаним SiO2у складі муліта (3Al2O32SiO2). Дослідження на деріватографі золи-виносу виявило декілька екзотермічних ефектів при вигоранні залишкового вуглецю та ряд хімічних зольних перетворень.
Розроблено склад вогнетривкої формувальної суміші для виготовлення надливної вставки, що плаває, на основі вторинних матеріалів (зола-винос ТЄС 77-87% та зола від спалювання лузги 13-23%). Встановлено, що міцність на стиснення стандартних зразків із часом витримки на повітрі 1, 2, 3 та 24 години (0,35 МПа; 0,41 МПа; 0,53 МПа; 2,79 МПа відповідно) не поступається стандартним формувальним сумішам.
Встановлені теплофізичні властивості розробленої вогнетривкої формувальної суміші при температурі 300С: питома теплоємність С = 697 Дж/кгК, теплопровідність = 0,352, Вт/мК, теплоакумулююча здатність bф= 630,27 Втс/мК. Менша теплоакумулююча здатність суміші при порівнянні з піщано-глинистою сумішшю та шамотом дозволяє ефективніше теплоізолювати надливну частину виливка.
Моделювання процесу нагріву суміші різноманітних складів на зразках 50 мм, занурених в індукційну піч з рідким металом (t=1580-1590С), дозволило встановити змінення температури у центрі зразка протягом 18 хв., її жаростійкість та визначити раціональний склад вогнетривкої суміші для виготовлення надливної вставки, що плаває.
Встановлено температурне поле форми надливної вставки, що плаває, у процесі її спливання у виливниці протягом 15 хв. та після затвердіння до 160 хв., злитка масою 2700 кг.
Розроблено теплофізичну модель затвердіння злитка 460 мм та каландрового валу 450 мм (12000 кг) з надливною вставкою, що плаває, та з товщиною стінки, що змінюється (25 і 50 мм). Адаптацію моделі проводили з використанням отриманих експериментальних температурних замірів.
Порівняльний аналіз динаміки затвердіння каландрових валів, відлитих за серійною технологією і з використанням надливної вставки, що плаває, у комп’ютерній програмі СКМ ЛП «Полігон» показав, що розроблена технологія більш ефективно теплоізолює надлив, а тривалість її затвердіння збільшується у 2,3 рази.
Моделювання процесу затвердіння злитків з надливною вставкою, що плаває, показало, що глибина залягання теплового вузла у серійному злитку складає 85 мм, в дослідному з товщиною стінки вставки 50 мм 34 мм і з товщиною стінки вставки 25 мм 17 мм.
Моделювання розподілу концентрованих усадкових дефектів показало, що глибина їх залягання у серійному злитку масою 2700 кг складає ~155 мм, в опитному з товщиною стінки вставки 50 мм ~86 мм та товщиною стінки вставки 25 мм ~51 мм. Зменшення витрат металу на надлив в опитному злитку з товщиною стінки вставки 50 мм склало ~7,7 кг і з товщиною стінки вставки 25 мм ~27 кг. Крім того, були повністю усунені піднадливні усадкові дефекти при використанні розробленої технології.
Порівняльний аналіз показав, що в дослідному злитку мікроструктура по висоті та радіусу більш однорідна, ніж у серійному. Середній розмір зерна у дослідному злитку становить близько 0,48 мм та у серійному близько 0,85 мм. Подрібнення зерна в дослідному злитку обумовлено зменшенням температури рідкої сталі за умов відведення тепла перегріву у надливну вставку, що плаває, під час заливки, що призводить до прискорення процесу кристалізації виливка.
Встановлено, що у злитку, відлитому за серійною технологією, неметалеві вкраплення розподілені нерівномірно і складають в середньому близько 2,07%, а в дослідному близько 1,54%. Надливна вставка, що плаває, збільшує тривалість затвердіння надлива і запобігає утворенню «мостів». Це забезпечує спливання неметалевих вкраплень у верхню частину злитка.
Встановлено, що розроблена технологія збільшує щільність сталі. Середнє значення щільності метала серійного злитка склало ~7,843 г/см3, а дослідного ~7,867 г/см3.
Результати роботи пройшли випробування у промислових умовах на ВАТ «ІНТЕРПАЙП НТЗ» (м. Дніпропетровськ), акт від 22.11.07. Крім того, розроблені теоретичні положення використовуються в навчальному процесі на кафедрі ливарного виробництва НМетАУ при викладанні лекційних курсів з дисциплін «Технологічні основи ливарного виробництва» і «Затвердіння металів», а також при виконанні студентами дипломних проектів та робіт (довідка від 02.06.2008 р.).