Создание технологии производства крупных кузнечных слитков с улучшенными свойствами на основе управления параметрами слитка и процессами разливки стали в вакууме

• Автор: Зюбан, Николай Александрович
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 312 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Анализ современных концепций процессов вакуумной отливки слитков и формирования качества металла

1. Роль геометрических параметров в формировании структуры слитков

2. Анализ эффективности процессов струйного вакуумирования стали.

2.1. Особенности взаимодействия газов с жидким металлом

2.2. Теоретические предпосылки и технологические основы вакуумирования жидкой стали

2.2.1. Термодинамика и кинетика процессов дегазации

2.2.2. Особенности механизма удаления газов из расплава в процессе вакуумуглеродного раскисления стали

2.3. Анализ технологических процессов вакуумирования жидкого

металла.
2.4. Влияние вакуумирования на качество металла
2.5. Анализ механизма процессов дегазации вакуумируемого металла
3. Фомирование структуры слитков и принципы управления
1 процессами затвердевания металла.
3.1. Термодинамические основы затвердевания металлов и роль переохлаждения в процессах кристаллизации.
3.2. Влияние перегрева на величину переохлаждения металла для обычных и инокулированых расплавов
3.3. Особенности кристаллизации и формирования структуры инокулированного металла
3.4. Влияние инокуляторов на содержание неметаллических включений в стали.
Глава 2. Исследование и оптимизация параметров изготовления

крупных слитков с цслыо повышения качества металла и у меньше НИИ отходов при ковке.
1.Исследование влияния параметров слитка и технологических факторов на качество металла
1.1. Анализ особенностей конфигурации промышленных слитков различной массы
1.2. Исследование и моделирование влияния технологических факторов и геометрических параметров слитков на качество V металла.
1.3. Оптимизация геометрических параметров крупных слитков с целью уменьшения осевых дефектов и получения благоприятной структуры металла
1.4. Анализ связи структуры слитка с механическими свойствами. 2. Теоретические и промышленные исследования процесса кристаллизации и качества металла слитков с изменнной геометрией донной части
2.1. Математическое моделирование процесса кристаллизации сравнительного и опытного слитков
2.2. Промышленное исследование строения слитка новой конфигурации
2.2.1. Методика исследований
2.2.2. Обсуждение результатов исследования
Глава 3. Исследование и анализ эффективности процесса струйного
вакуу.мировании стали
1. Исследование влияния технологических параметров разливки на степень дегазации металла.
1.1. Технологические особенности выплавки стали для крупных слитков
1.2. Технологические режимы отливки слитков в вакууме
1.3. Методика проведения исследований.
1.4. Обсуждение результатов
2. Определение вклада струи в процесс дегазации и оценка с реакционной поверхности по данным промышленных исследований.
3. Оценка эффективности струйного вакуумирования стали и проблемы дегазации при отливке крупных слитков.
4. Анализ кинетики удаления газов при вакуумной разливке стали и возможности интенсификации этого процесса
Глава 4. Интенсификация процесса дегазации при разливке .металла.
1. Анализ условий образования газовой фазы в струе
2. Проведение исследований на холодной модели.
2.1. Физическое моделирование процесса струйного вакуумирования стали.
2.2. Методика проведения лабораторных исследований.
2.3. Определение оптимальных параметров расположения стопора
при продувке струи азотом.
2.3.1. Расчт высоты подъма стопора на холодной модели
2.3.2. Определение высоты подъма стопора на компьютерной модели.
2.4. Исследование процесса интенсификации дегазации струи на водном растворе СО2.
3. Интенсификация вакуумирования металла в промышленных условиях.
3.1. Методика исследования
3.2. Отливка опытных слитков с продувкой струи аргоном
3.3. Распределение неметаллических включений в поковках, полученных из сравнительного и опытного слитков,
3.4. Анализ механических свойств металла опытных поковок
Глава 5. Основы управления ннокулнрованием расплава при
вакуумной отливке слитков.
1. Исследование процесса образования инокуляторов.
1.1. Расчт температурных характеристик процесса разливки металла в вакууме.
2. Математическое моделирование и основы регулирования процесса формирования инокуляторов при разливке металла в вакууме
3. Исследование возможности развития окислительных процессов на поверхности падающих в вакууме капель.
3.1. Методика проведения исследований.
3.2. Обсуждение полученных результатов и анализ состояния поверхности образующихся в вакууме инокуляторов.
4. Расплавление инокуляторов в жидком металле
5. Исследование качества металла и изделий, полученных из инокулиро
ванных слитков
Глава 6. Особенности внеиечной обработки и вакуумной разливки стали в современных и перспективных технологических процессах производства слитков, поковок и непрерывнолитых заготовок.
1. Роль вакуумирования в современных технологических процессах производства стали.
2. Технология производства и вакуумной обработки основных сталей
2.1. Анализ процессов выплавки основных сталей и формирования неметаллических включений в расплаве
2.2. Особенности вакуумирования основных сталей при отливке крупных слитков.
3. Проблемы качества флокеночувствительных сталей и особенности
удаления водорода при разливке нераскисленного металла
4. Оценка возможностей вакуумирования основных и кислых сталей при их разливке в вакууме.
5. Анализ поведения неметаллических включений в основной и кислой стали и их влияние на свойства.
6. Анализ уровня механических свойств основной и кислой стали.
6.1. Результаты промышленных исследований.
6.2. Особенности влияния серы на свойства вакуумированных сталей
7. Анализ современных технологий производства крупных поковок из вакуумированного металла и перспективы развития вненечной
обработки при отливке слитков и непрерывнолитых заготовок
Общие выводы.
Список литературы


Коэффициент массопсреноса определяется отношением
где Ог коэффициент диффузии растворнного газа в расплаве д толщина неперемешиваемого пограничного слоя металла. Концепция пограничного слоя при описании процессов дегазации является в настоящее время общепризнанной благодаря исследованиям 7,9,,. Однако, как показано в работе , существует и другая, альтернативная модель массопсреноса в жидком металле, в соответствии с которой предполагается, что турбулентное движение в жидкости происходит у самой поверхности раздела, постоянно обновляющейся потоками металла, поступающего из объма. Эти потоки отдают в газовую фазу некоторое количество растворнного газа и вытесняются новыми потоками, за счт чего и происходит обновление поверхности. В связи с этим, сторонниками этой теории полностью исключается возможность существования так называемого неподвижного пограничного слоя и вводится понятие фактора обновления поверхности Б, который зависит от интенсивности турбулентных потоков в объме металла. Последователями этой теории была установлена пропорциональная зависимость а от для частного случая массопереноса в цилиндрической стальной ванне при электромагнитном перемешивании. Однако других исследований, подтверждающих справедливость зависимости 1. Таким образом, в настоящее время существует мнение, поддерживаемое большинством исследователей, о том, что процессы удаления водорода и азота из жидкого железа и его сплавов, как и процессы растворения этих газов полностью контролируются скоростью их массопереноса из объмов метала на его поверхность и решающее влияние на эти процессы оказывают величины коэффициента массопереноса а, удельной поверхности РIV и время т. Справедливость этих положений для азота подтверждается данными работ,,,. С другой стороны, исследованиями , было установлено, что в некоторых случаях процессы удаления поглощения азота контролируется не внутренним массопереносом, а скоростью его молизации на поверхности расплава. Исследователи объясняют это присутствием в металле поверхностноактивных веществ, в первую очередь кислорода и серы, которые блокируя поверхность расплава препятствуют свободному переходу атомов азота через межфазную поверхность. Пельке и Эллиот установили критическое значение растворнного кислорода 0,6 , выше которого существенно замедляется поглощение и удаление азота из жидкого металла. Поведение водорода в жидком расплаве полностью подчиняется кинетическому уравнению первого порядка, что подтверждается работами ,,7,9. В работе приведены результаты производственных исследований характера изменения концентрации водорода за время дегазации на установке Н. Эти результаты представлены на рис. ИиИи и коэФФИ1иентом рециркуляции металла че
рез вакуумкамеру. Рис. Таким образом, анализ теоретических основ процесса дегазации показывает, что эффективность удаления водорода и азота из расплава определяется величиной разрежения в вакуумных установках обработки стали и в большой степени зависит от интенсивности перемешивания металла . Поэтому методы внепечного вакуумирования должны в достаточной мере обеспечивать высокую степень перемешивания и турбулентности обрабатываемого расплава с целью достижения предельно низких концентраций газов в металле. Термодинамические и кинетические закономерности дегазации показывают, что лимитирующее звено процесса массоперенос в объме расплава растворнных газов в большой степени зависит от величины поверхности раздела двухфазной системы металл газ. Внешняя поверхность жидкого металла в этой системе не играет большой роли, в связи с большой длительностью перемещения атомов азота и водорода к поверхностным слоям расплава. В работе приводятся расчтные данные о невозможности интенсивного развития процессов удаления газов непосредственно с поверхности вакуумируемого металла. В реальных расплавах величина межфазной поверхности металл газ имеет довольно высокие значения за счт образования и распределения по всему объму ванны пузырей окиси углерода или аргона. Всплывая вверх и увеличиваясь в объме они способствуют интенсивному перемешиванию металла и многократному возрастанию скорости дегазации.