НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

СЕЛІВЬОРСТОВ ВАДИМ ЮРІЙОВИЧ

УДК 621.746.554:621.771.07-412:621.746.464

РОЗРОБКА, ДОСЛІДЖЕННЯ І МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ГАЗОДИНАМІЧНОГО ВИТИСНЕННЯ РОЗПЛАВУ

ІЗ ЛИВНИКОВО – ЖИВЛЮЧОЇ СИСТЕМИ У ВИЛИВОК

05.16.04 – Ливарне виробництво

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ – 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі ливарного виробництва Національної металургійної академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Хричиков Валерій Євгенович,

Національна металургійна академія України,

професор кафедри ливарного виробництва.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Бубликов Валентин Борисович,

Фізико-технологічний інститут металів

та сплавів НАН України,

завідувач відділом високоміцних

і спеціальних чавунів;

- кандидат технічних наук, доцент

Сиропоршнєв Леонід Миколайович,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

доцент кафедри “Ливарне виробництво чорних

та кольорових металів”.

Провідна установа: Запорізький державний технічний університет, кафедра

“Машини та технологія ливарного виробництва”

Захист відбудеться " 26 " червня 2000 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.002.12 при Національному технічному університеті України "КПІ" за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37, НТУУ "КПІ", ІФФ, корпус №9, ауд. 203, тел. 441-14-67.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "КПІ" за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37, НТУУ "КПІ".

Автореферат розісланий "25" травня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Федоров Г.Є.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв'язку з гострим сировинним дефіцитом матеріалів та енергоносіїв, високою їхньою вартістю, проблема зменшення непродуктивних витрат металу, у тому числі на ливниково-живлючу систему (ЛЖС) при виробництві виливків з чавуна та сталі залучає все більшу увагу технологів і дослідників. Тому існує потреба в нових технологічних рішеннях, що забезпечують підвищення виходу придатного литва при мінімальних витратах на їхнє вбудовування в чинний технологічний процес.

Наукові основи вивчення ливниковых систем були закладені у 30-х роках ХХ сторіччя. Подальші дослідження дозволили встановити основні закономірності, що були використані при конструюванні та розрахунку ЛЖС для всіх основних ливарних сплавів.

Одним з найбільш поширених типів ЛЖС, широко використовуваних у ливарному виробництві, є сифонна система підводу металу. Такий підвод застосовують для одержання масивних виливків з високими службовими властивостями, для заливання більшої частини чавунних прокатних валків. При цьому на Дніпропетровському та Лутугинському заводах прокатних валків щорічно на ЛЖС витрачається 1200т високоякісного чавуну на суму ~ 4000000 гривень (у цінах за 1998р.) з врахуванням вартості вороття, а витрати металу на ЛЖС злитків із спокійних марок сталі тільки на ОАО "Дніпропетровський металургійний завод ім. Г.І. Петровського" складає 2685т на рік, що у вартісному вираженні - більш ніж 770000 гривень.

Роботу виконано відповідно до Державної дослідної науково-технічної програми 0401 Держкомітету з науки і інтелектуальної власності України "Ресурсозберегаючі та екологічно чисті процеси і технології в металургії та ливарному виробництві" (проект 04.03.02/003К-95).

Мета й завдання досліджень. Мета роботи - одержання науково обгрунтованих результатів, що забезпечують розробку нової технології газодинамічного витиснення рідкого металу з ливниково-живлючої системи у виливки і рішення актуальної задачі ливарного виробництва - зменшення непродуктивних витрат металу.

Для досягнення поставленої цілі необхідно вирішити такі задачі: визначити технологічні можливості здійснення процесу газодинамічного витиснення розплаву з сифонної ЛЖС; встановити основні засоби підвищення тиску в ЛЖС та визначити склад речовин, при нагріванні яких виділяється достатній обсяг газу для ефективного впливу на розплав; розробити конструкції устроїв, що забезпечують герметизацію ЛЖС від навколишнього середовища, введення газу і наступне витиснення розплаву у виливок; встановити термочасові режими реалізації нового процесу, що враховують різноманітні розміри сифонної ЛЖС, теплофізичні властивості матеріалу форми та сплаву, а також тривалість заливання.

Наукова новизна результатів, отриманих особисто здобувачем. Виконані дослідження дозволили одержати науково обгрунтовані результати, які забезпечили розробку нової технології регульованого газодинамічного витиснення рідкого металу із сифонної ЛЖС у виливки. Відмінною рисою запропонованих устроїв є герметизація ливникової системи від навколишнього середовища за рахунок залитого сплаву, що примусово твердіє до утворення прошарку металу заданої товщини.

Розроблено фізичну і математичну моделі процесу затвердіння металу в системі стояк - устрій для введення газу, що описують стан елементів зазначеної системи до заливання розплаву в ливарну форму, під час заповнення форми металом та після введення металевого холодильника. Складений на основі отриманих розрахункових формул алгоритм дозволяє моделювати процес теплообміну з різноманітними варіантами конфігурації та розмірів холодильника, діаметра стояка, тривалості заливання, теплофізичних властивостей форми і розплаву.

Дослідження процесу нагрівання та наступного охолодження формувальної суміші стояка при заливанні чавунного прокатного валка дозволили встановити термочасові режими реалізації процесу газодинамічного витиснення розплаву з ЛЖС. Побудовані ізотерми та ізохрони були використані при адаптації математичної моделі процесу затвердіння розплаву в ливниковій системі.

Встановлено кінетику прогріву вогнетривкого припасу та температурне поле по його товщині при заливанні виливків спокійної сталі масою 28,6т, побудовані ізотерми та ізохрони, що можуть бути застосовані також для оцінки теплових умов роботи матеріалу стояка та для розробки нових видів вогнетривів. Визначено термочасові режими затвердіння металу в зазорі між центровою вогнетривкою трубкою і сталевою трубою-холодильником методом моделювання процесу герметизації ливникової системи в лабораторних та промислових умовах.

Встановлено, що розрахункова тривалість герметизації системи стояк-устрій для введення газу відповідає результатам експериментальних досліджень, а процес затвердіння розплаву у внутрішній частині труби-холодильника не порушить процес введення газу в стояк.

Розроблено різноманітні варіанти конструкцій устроїв, що забезпечують герметизацію ЛЖС від навколишнього середовища, подачу газу і наступне витиснення розплаву у виливок. Встановлено також можливість занурення устрою в рідку сталь у випадку влучення шлаку в стояк. Визначено склад речовин, при нагріванні яких виділяється достатній обсяг газу для ефективного впливу на розплав, виконано розрахунок їхньої кількості. Встановлено, що застосування суміші карбонату кальцію з вуглецем меньш технологічно у порівнянні з парафіном (твердим граничним вуглеводнем), основними перевагами якого є низька температура кипіння та гарантоване розкладання його розрахункової кількості.

Встановлено, що конструкція устрою з регульованою подачею газу крім надійності формування затверділого прошарку в сифонній ЛЖС забезпечує усунення його можливих розривів по розніманню центрових вогнетривких трубок за рахунок повернення рідкого металу в стояк. Наступне витиснення розплаву забезпечить живлення усадки осьової зони виливка, а також можливість проводити газоімпульсну обробку розплаву в ливарній формі, продування металу, що кристализується, інертним газом або газом з модифікуючими порошками. Сполучення можливостей економії металу на ливникової системі та газодинамічного впливу на розплав може бути використане для одержання двошарових високоякісних виробів у стаціонарних ливарних формах.

В результаті вивчення механізму термічного розкладання карбонатів кальцію різноманітних родовищ встановлено, що нестабільність роботи надливів під газовим тиском обумовлена, насамперед, використанням карбонато-вуглицевої суміші. Парафін, на відміну від CaCO3, розкладається необоротно, що робить роботу стрижня газового тиску більш стабільною. Виведено розрахункові формули та побудовано графіки, що дозволяють визначити необхідну кількість парафінового заряду для надливів сталевих і чавунних виливків різноманітної маси при необхідному газовому тиску. Використання парафіну дозволяє знизити витрату заряду в 5-12 разів.

Практичне значення отриманих результатів. Результати виконаних досліджень явилися основою для розробки ефективної технології газодинамічного витиснення розплаву з ЛЖС у виливок, що забезпечує зменшення непродуктивних витрат металу. В умовах вальцеливарного цеху ОАО "Дніпропетровський завод прокатних валків" застосування технології дозволить у середньому заощаджувати 175кг чавуну на кожному валку, а у конверторному цеху ОАО "Дніпропетровський металургійний завод ім. Г.І. Петровського" скорочення витрат металу на ЛЖС складе 4,2 кг на кожній тонні відлитих злитків.

Використання парафіну в якості газообразуючої речовини для надливів під газовим тиском виливків із чавуну та сталі дозволить збільшити вихід придатного в середньому на 16%. Необхідна кількість парафіну при цьому в ~13 разів менша, ніж суміші карбонату кальцію з вуглецем, що знизить матеріалоємність стрижня газового тиску з тією ж вартістю заряду. Застосування парафіну забезпечить також стабільність роботи надливів під газовим тиском.

Особистий внесок здобувача. Автор приймав особисту участь у підготовці методик, виконанні розрахунків та експериментів, їхньому проведенні, аналізі та опрацюванні експериментальних даних. Узагальнення отриманих результатів, написання статей у співавторстві виконувалося при особистій участі автора. Основні наукові і теоретичні положення, подані в дисертаційній роботі, розроблені автором особисто. Іспити розробленої автором технології здійснювалися при участі співробітників відповідних підприємств.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації повідомлені на 1 конгресі та 4 міжнародних науково-технічних конференціях.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 6 наукових працях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з введення, семи глав, висновків і 3 додатків, викладена на 111 сторінках машинописного тексту, містить 29 малюнків, 2 таблиці та список літератури з 85 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертації обгрунтована актуальність роботи, сформульовано ціль і задачі досліджень, відзначена наукова новизна отриманих результатів, їхнє практичне значення, положення та результати, які винесені на захист.

Перший розділ оглядовий, він присвячений освітленню стану проблеми та вибору напрямку досліджень. Показано, що існує потреба в нових технологічних рішеннях, що забезпечують як зменшення непродуктивних витрат металу, у тому числі на ЛЖС, так і умови одержання однорідного литого металу, однакового хімічного складу по висоті і перетину виливків у макро- та мікрообьємах за допомогою зовнішніх впливів на розплав. Описані основні методи цих впливів, їх переваги та недоліки. Встановлено, що найбільш простим і технологічним є використання процесів газодинамічного впливу на розплав у ливарній формі.

Аналіз експериментальних та теоретичних робіт показав, що незважаючи на достатньо численні дослідження, проведені в цьому напрямку, замало інформації про технологічні пристрої для газодинамічного впливу на розплав у ливарній формі, їхні конструктивні особливості та можливості застосування. Описано одне з перших устроїв, яке з'явилося в Японії, що забезпечує витиснення рідкого металу із стояка у виливки та повторне використання стояка (рис. 1). У відомому засобі розплав із стопорного ковша через розливний стакан і стояк заливають в ливарну форму. Потім у простір між центровою та ковшем за допомогою гідравлічного приводу вводять ущільнюючий устрій, що герметизує порожнину стояка.

У цю порожнину з балона подають під тиском газ, що витискує рідкий метал із стояка в форму. Після виймання виливка стояк знову може бути використаний для чергового заливання.

Недоліком даного засобу є наявність легкоуразливої системи з'єднання стояка і ковша через ущільнюючий устрій, що має гумові прокладки. Крім того, конструкція достатньо складна та громіздка, що утрудняє її використання в чинному технологічному процесі. Проте принцип витиснення розплаву із стояка заслуговує на увагу. Через порожнину, що утворилася, у ЛЖС можливе введення газоподібних речовин та інших активних елементів, що впливають на метал виливка, що кристализується.

Зроблено висновок про перспективність робіт з економії металу на сифонну ЛЖС, в області зовнішніх впливів на розплав з метою підвищення його якості та необхідності проведення подальших досліджень, спрямованих на розробку нових ефективних технологій газодинамічного впливу на розплав.

У другому розділі обгрунтовано вибір методик та методів дослідження. Процеси затвердіння металу в стояку, нагрівання та охолодження вогнетривкої проводки і формувальної суміші досліджувалися за допомогою термоелектричного метода. Зварювання гарячих спаїв здійснювали по відомих методиках.

При дослідженні затвердіння сталі у середині вогнетривкої трубки застосовували вольфрам-ренієві (ВР) термопари, а в різноманітних точках по діаметру вогнетривкої трубки - хромель-алюмелеві (ХА). Розігрів і охолодження чавуна та формувальної суміші стояка досліджували за допомогою ХА термопар в інтервалі температур 0-13700С. Гарячі спаї термопар у розплаві захищали за допомогою термозахисного блока, що складається з кварцової трубки з подовженим наконечником та завальцованої сталевої тонкостінної трубки з нержавіючої сталі. Розроблена конструкція виключала ушкодження термопари при усадці виливка.

Холодні спаї термоелектродів кріпили до вхідних клем багатокрапкового потенциометра типу КСП-4. Контроль температури у печах та ковші здійснювали термопарами занурення типу ВР та ПП. Тарування приладів робили потенциометром ПП-63 з класом точності 0,05 та згідно результатів виготовляли градуювальну лінійку. Оцінено помилку виміру для ХА та ВР термопар.

Результати запису термо-э. д.с. робили для кожної термопари окремо з інтервалом часу від 8 до 24 секунд. Наступне опрацювання експериментальних кривих охолодження здійснювали побудовою кінетичної діаграми затвердіння та ізотерм. Побудову температурного поля робили по графічній методиці, уточнення - методом послідовного наближення вже від ізохрони температурного поля до ізотерм кінетичної діаграми затвердіння.

Дослідження в умовах ОАО "Дніпропетровський завод прокатних валків" та ОАО "Дніпропетровський металургійний завод ім. Г.І. Петровського" проводили з використанням ливарної оснастки вальцеливарного (ВЛЦ) і киснево-конверторного (ККЦ) цехів. Виміри температур у ККЦ робили на спокійних марках сталі.

Роботу устроїв для газодинамічного впливу на розплав оцінювали методом виливання через

різноманітні проміжки часу в лабораторії кафедри ливарного виробництва НМетАУ в індукційній печі типу МГП-52. Час від початку заливання до занурення випробуваної конструкції устрою у виливок, а також до випуску рідкого залишку, фіксували секундоміром. Контроль хімічного складу сталі здійснювали стандартними хімічними та спектральними методами.

Дослідження мікроструктури проводили на оптичному металомікроскопі МИМ-8М при збільшеннях 12 - 500. Шліфи досліджували до та після травлення.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням роботи устроїв, забезпечуючих витиснення розплаву із стояка. Подано розроблені схеми варіантів роботи різноманітних конструкцій устроїв для витиснення розплаву з ЛЖС, що засновані на ефекті самогерметизації металу у системі. Розроблено конструкції з регульованою подачею газу (рис. 2) та введенням фіксованої кількості речовини, при нагріванні якої виділяється газ.

На відміну від розробленої в Японії конструкції, запропоновані устрої вводять безпосередньо до ливникової системи після закінчення заливання. Частини устроїв, що занурюються в розплав, герметизують ливникову систему, забезпечуючи за допомогою холодильника спеціальної конструкції прискорене затвердіння дзеркала металу в стояку та у зазорі між холодильником і вогнетривом.

Одночасно формується прошарок металу на внутрішній поверхні вогнетривкої проводки або формувальної суміші ЛЖС, який герметизує систему стояк-устрій для введення газу від навколиш-

нього середовища. Через визначений проміжок часу система стояк-устрій для введення газу опиняється цілком герметичною. Після цього для витиснення розплаву з ливникової системи через частину устрою, що занурюється, подається газ.

У запропонованому процесі необхідна послідовність та обмеженість у часі операцій: від герметизації устрою та ливникової системи від навколишнього середовища за допомогою холодиль-

ника, до моменту введення газу і наступного повного затвердіння живильників (розведень).

Проведено моделювання процесу герметизації ливникової системи в лабораторних та промислових умовах з використанням у якості холодильника сталевої труби з зовнішнім діаметром 76мм і товщиною стінки ~5мм у стояку діаметром 100мм. Результати експериментів показали, що тривалість затвердіння металу в зазорі між центровою вогнетривкою трубкою та трубою-холодильником складає 10-15с.

Проведено експериментальні термографічні дослідження затвердіння металу в зазорі між трубою-холодильником та центровою вогнетривкою трубкою, а також у середині труби- холо- дильника в умовах ККЦ ОАО "Дніпропетровський металургійний завод ім. Г.І. Петровського". Встановлено, що загальна тривалість затвердіння сталі (100% твердої фази) у зазорі складає <1 хв., а у середині труби-холодильника ~5 хв. (рис. 3). Останнє вказує на те, що при використанні нової технології затвердіння стали у внутрішній частині труби-холодильника не порушить процес надходження газу в стояк.

Встановлено, що аналітичним методом визначити момент затвердіння розплаву в зазорі між холодильником та вогнетривом досить складно, тому що перед введенням холодильника в стояк через нього проходить декілька тонн рідкого металу. У зв'язку з цим проведені експериментальні дослідження процесу нагрівання вогнетривів центрової з внутрішнім діаметром 100 мм при заливанні сталевих злитків (рис. 4) і формувальної суміші стояка з внутрішнім діаметром 65 мм при заливанні чавунних прокатних валків (рис. 5). Побудовані ізотерми та ізохрони використовували при адаптації математичної моделі процесу затвердіння розплаву в ЛЖС.

Отримані експериметальні дані можуть бути застосовані також для оцінки теплових умов

роботи матеріалу стояка та для розробки нових видів вогнетривів.

Нестабільність температури заливання розплаву, а також зміна розмірів стояка і холодильника, хімічного складу сплаву, основних теплофізичних властивостей його та ливарної форми можуть бути враховані тільки при математичному моделюванні затвердіння розплаву в систе-

мі стояк-устрій для введення газу.

У четвертому розділі приведено опис розробленої моделі процесу затвердіння розплаву в стояку з циліндричним холодильником. 1)

Розроблено два варіанти фізичної моделі процесу затвердіння металу в системі стояк - устрій для введення газу. Модель описує стан елементів зазначеної системи до заливання сплаву в ливарну форму, під час заповнення форми металом, а також минущі в ній процеси після введення

металевого холодильника.

_____________________

1) Розділ виконано під науковим керівництвом д-ра техн. наук Соценко О.В.

Процес теплообміну описували з застосуванням методу ентальпій, з огляду на фазові перетворення. Подано рівняння теплопровідності, граничні та початкові умови для форми, суміші, холодильника, розплаву в зазорі між холодильником і вогнетривкою проводкою, внутрішнього прошарку розплаву.

Поставлену задачу вирішували з використанням методу кінцевих різниць. Отримано розрахункові формули, що дозволяють моделювати процес теплообміну, змінюючи значення деяких основних вихідних параметрів. За допомогою розробленої моделі досліджували процес затвердіння розплаву з різноманітними варіантами конфігурації та розмірів холодильника, діаметра стояка, теплофізичних властивостей металу та форми.

Складено алгоритм розрахунку процесу затвердіння виливка, що реалізований у виді програми, написаної на мові Фортран. Для адаптації моделі використовували дані експериментальних досліджень процесу нагрівання форми та кристалізації металу в стояку, виконані в главі 3. Як показали розрахунки, затвердіння сталі в зазорі між вогнетривкою проводкою та трубою - холодильником проходить протягом приблизно 10с, що практично відповідає результатам експериментальних досліджень.

При практичному використанні цих даних часовий інтервал від моменту введення устрою в стояк до подачі газу може складати 12 - 20 с. Проте необгрунтоване збільшення паузи між закінченням введення устрою в стояк і подачею газу призведе до затвердіння живильника (розведень), що виключить можливість витиснення розплаву у виливок.

У п'ятому розділі зроблено оцінку фізичних та технологічних властивостей речовин, що забезпечують виділення газу при розкладанні, приведені результати досліджень по удосконаленню конструкцій устроїв і технологічного процесу їхньої роботи. Виконано розрахунки по визначенню кількості та складу речовин, при нагріванні яких виділяється достатній обсяг газу для витиснення розплаву із стояка. Проведено експериментальні дослідження кінетики ізотермічного розкладання карбонатів кальцію різноманітних родовищ при температурі 14500С. Встановлено, що застосування суміші карбонату кальцію з вуглецем менш технологично та ефективно в порівнянні з парафіном (твердим граничним вуглеводнем), реакція термічного розкладання якого не залежить від тиску.

Розрахунки показали, що, наприклад, для витиснення сталі із стояка висотою 2,9 м у виливок парафіну необхідно 6,3 г, а суміші карбонату кальцію з вуглецем у 13 разів більше - 80 г. Тому застосування парафіну забезпечить також зниження матеріалоємності устрою для введення газу за рахунок зменшення обсягу контейнера з газообразуючою речовиною.

Подано варіанти конструкцій устроїв, що забезпечують витиснення розплаву з сифонної ливникової системи. Описано схему їхньої роботи при використанні різноманітних видів холодильників. Зроблено оцінку можливості занурення устрою в рідку сталь у випадку влучення шлаку в стояк.

Проведено експлуатаційні іспити розроблених устроїв у вальцеливарному цеху ОАО "Дніпропетровський завод прокатних валків" та киснево-конверторному цеху ОАО "Дніпропетровський металургійний завод ім. Г.І. Петровського". Встановлено, що ефективність газодинамічного впливу на розплав залежить, насамперед, від надійності герметизації системи від навколишнього середовища за рахунок організації процесу затвердіння сталі на внутрішній поверхні вогнетрива, центрових вогнетривких трубках та дзеркала металу в стояку. У якості холодильника чавунна дріб виявилася менш ефективною в порівнянні зі сталевими дисками. Застосування контейнера-холодильника з газообразуючою речовиною забезпечує прискорене затвердіння верхньої частини ливникової системи. Проте, у випадку прориву газу по розніманню центрових вогнетривких трубок, відсутня можливість відновити втрачену системою герметичність під час роботи устрою.

Промислові іспити конструкції устрою з регульованою подачею газу показали, що крім надійності формування затверділого прошарку в сифонній ливниковій системі, забезпечується усунення можливих розривів герметизуючого металевого прошарку по розніманню центрових вогнетривких трубок за рахунок повернення рідкого металу в стояк. Після затвердіння нового прошарку металу та повної герметизації ливникової системи від навколишнього середовища знову здійснюється витиснення розплаву у виливок.

Дослідження макроструктури проб, відібраних від стояків злитків дослідного та порівняльного піддонів, залитих з одного ковша, показали відсутність принципових відмінностей у якості металу. Аналіз макро- та мікроструктури проб, відібраних від головної та донної обрізі дослідних і порівняльного злитків, показав ідентичність основних досліджуваних параметрів. Можливість підживлення осьової зони дослідних злитків розплавом, витиснутим із стояка, підтверджує наявність у головній частині обрізі контрольного злитка усадочної шпаристості.

Розроблена технологія регульованого витиснення рідкого металу з сифонної ливникової системи дозволяє також проводити газоімпульсну обробку розплаву в ливарній формі, продування виливків інертним газом або газом з модифікуючими порошками. Сполучення можливостей економії металу на ливниковій системі, живлення усадки та газодинамічного впливу на рідкий метал та метал, що кристализується, може бути використане для одержання двошарових високоякісних виробів у стаціонарних ливарних формах.

У шостому розділі приведений порівняльний аналіз, вибір та розрахунок необхідної кількості газообразуючої речовини для надливів під газовим тиском при одержанні сталевих і чавунних виливків. Застосування надливів під газовим тиском дозволяє збільшити вихід придатного до 75-87%, та у деяких випадках до 95%, замість 50 - 60% - при звичайному засобі лиття з металостатичними надливами.

Крім того, застосування тиску підвищує механічні властивості металу виливків. Показано, що нестабільність роботи надливів під газовим тиском обумовлена, насамперед, використанням карбонату кальцію (мело-графітового заряду). У виливках з малою товщиною стінок і, відповідно,

низькою тривалістю затвердіння, часто не відбувається повної дисоціації розрахункової кількості

газообразуючої речовини та не створюється необхідного тиску газу.

У якості газообразуючої речовини запропонований парафін - суміш твердих граничних вуглеводнів з молекулярною масою 300-500, що цілком переходять у газову фазу при більш низькою, ніж CaCO3, температурі. Крім того, реакції розкладання граничного вуглеводню є необоротними, що робить роботу надливів під газовим тиском більш стабільною. Виведено розрахункові формули та побудовано графіки, що дозволяють визначити необхідну кількість парафінового заряду для надливів сталевих та чавунних виливків різноманітної маси при необхідному газовому тиску. Приведені розрахунки показали, що при використанні парафіну в якості газообразуючої речовини його витрати в 5-12 разів менші, ніж мело-графітової суміші.

У сьомому розділі приведено розрахунок потенційного економічного ефекту використання технології газодинамічного витиснення розплаву з сифонної ливникової системи в сталеві злитки та чавунні прокатні валки, а також застосування парафіну у надливах під газовим тиском.

При виробництві чавунних прокатних валків на ОАО "Дніпропетровський завод прокатних валків" (ДЗПВ) і "Лутугинський завод прокатних валків" (ЛЗПВ) застосовують сифонну ливникову систему з діаметром стояка 0,09м. При середній вартості тонни валків V групи виконання СШХН ~3500 гривень (у цінах за 1998р.) та висоті стояка 4,5 м, економія на кожному відлитому валку дорівнює ~ 606 грн. При річному виробництві 6000 прокатних валків на ДЗПВ і ЛЗПВ, економія складе ~ 3630000 гривень.

Використання нової технології в умовах ККЦ ОАО “Металургійний завод ім. Г.І. Петровського” забезпечує витиснення рідкого металу із стояка в злиток за рахунок створення надлишкового тиску газу. Розплав із стояка та живильника переміщується у виливницю. Нова технологія дозволяє витиснути метал із стояка діаметром 0,1 м на висоту 2,5 м у злитки. При річному обсязі виробництва злитків - 500000 т, економія по ККЦ складе ~ 665000 гривень.

В приведених розрахунках не врахована економія металу від витиснення розплаву з живильників, можливе поліпшення якості металу при підвищенні його однорідності та щільності в осьовій зоні виливків за рахунок розплаву що витискується, а також зниження трудомісткості розбирання відходів металу стояків.

При річному виробництві 20 тис. т сталевих виливків використання парафіну в якості газообразуючої речовини для надливів під газовим тиском дозволить збільшити вихід придатного в середньому на 16% та одержати економічний ефект у сумі ~ 2,36 млн. грн.

Таким чином, сумарний потенційний економічний ефект від використання технології газодинамічного витиснення розплаву у виливок складе ~ 6,65 млн. гривень.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Виконані дослідження дозволили одержати науково обгрунтовані результати, що забезпечили розробку нової технології регульованого газодинамічного витиснення рідкого металу із сифонної ливникової системи у виливки. Це відкриває перспективи не тільки рішення актуальної задачі ливарного виробництва - зменшення непродуктивних витрат металу, але і можливості наступного газодинамічного впливу через ЛЖС на рідкий метал, та метал що кристализується, з метою підвищення його якості.

2. Встановлено термочасові режими реалізації нового процесу, що враховують різноманітні розміри сифонної ЛЖС, теплофізичні властивості матеріалу форми і сплаву, а також тривалість заливання. Відмінною рисою запропонованих устроїв є герметизація ливникової системи від навколишнього середовища за рахунок залитого сплаву, що примусово твердіє до утворення прошарку металу заданої товщини.

3. Розроблено фізичну та математичну моделі процесу затвердіння металу в системі стояк - устрій для введення газу, що описують стан елементів зазначеної системи до заливання розплаву в ливарну форму, під час заповнення форми металом та після введення металевого холодильника. Поставлену задачу вирішували з використанням методу кінцевих різниць. Складений на основі отриманих розрахункових формул алгоритм дозволяє моделювати процес теплообміну в системі з різноманітними варіантами конфігурації та розмірів холодильника, діаметра стояка, тривалості заливання, теплофізичних властивостей форми і розплаву.

Для адаптації моделі використовували дані експериментальних досліджень процесу нагрівання форми та кристалізації металу в стояку.

4. Експериментально досліджуваний процес нагрівання та наступного охолодження формувальної суміші стояка з внутрішнім діаметром 65 мм при заливанні чавунного прокатного валка виконання СПХН масою 1080 кг, з бочкою діаметром 330 мм і висотою 1000 мм. Отримані термокінетичні криві показали, що при технологічній розробці конструкції нового устрою основний вплив на затвердіння розплаву в стояку буде робити форма та маса холодильника.

5. Встановлено термочасові режими затвердіння металу в зазорі між центровою вогнетривкою трубкою та трубою-холодильником методом моделювання процесу герметизації ливникової системи в лабораторних та промислових умовах з використанням у якості холодильника сталевої труби з зовнішнім діаметром 76 мм і товщиною стінки ~5 мм у стояку діаметром 100 мм.

6. Експериментально досліджуваний процес нагрівання та наступного охолодження вогнетривів центрової з внутрішнім діаметром 100 мм при заливанні злитків спокійної сталі масою 28,6 т на чотиримісному піддоні. Встановлено кінетику прогріву вогнетривкого припасу та температурне поле по його товщині. Побудовані ізотерми та ізохрони були використані при адаптації математичної моделі процесу затвердіння розплаву в ЛЖС. Отримані экспериметальні дані можуть бути застосовані також для оцінки теплових умов роботи матеріалу стояка та для розробки нових видів вогнетривів.

7. Встановлено, що при використанні нової технології затвердіння сталі у внутрішній частині труби-холодильника не порушить процес надходження газу в стояк. Експериментальні термографічні дослідження затвердіння металу в зазорі між трубою-холодильником та центровою вогнетривкою трубкою, а також усередині труби-холодильника показали, що загальна тривалість затвердіння сталі (100% твердої фази) у середині труби-холодильника складає 5 хвилин.

8. Розроблено різноманітні варіанти конструкцій устроїв, що забезпечують герметизацію ЛЖС від навколишнього середовища, введення газу та наступне витиснення розплаву у виливок. Встановлено також можливість занурення устрою в рідку сталь у випадку влучення шлаку в стояк. Визначено склад речовин, при нагріванні яких виділяється достатній обсяг газу для ефективного впливу на розплав та виконаний розрахунок їхньої кількості. Вивчено кінетику термічного розкладання карбонатів кальцію різноманітних родовищ. Встановлено, що застосування суміші карбонату кальцію з вуглецем менш технологічно в порівнянні з парафіном (твердим граничним вуглеводнем), основними перевагами якого є низька температура кипіння та гарантоване розкладання його розрахункової кількості. Для витиснення сталі з стояка висотою 2,9 м у виливки масою 28,6 т парафіну необхідно в 13 разів менше, ніж суміші карбонату кальцію з вуглецем.

9. В результаті промислових іспитів встановлено, що конструкція устрою з регульованою подачею газу крім надійності формування затверділого прошарку в сифонної ЛЖС забезпечує усунення можливих розривів герметизуючого металевого прошарку по розніманню центрових вогнетривких трубок за рахунок повернення рідкого металу в стояк. Наступне витиснення розплаву забезпечить живлення усадки осьової зони виливка, а також можливість проводити газоімпульсну обробку розплаву в ливарній формі, продування металу, що кристалізується, інертним газом або газом з порошками, що модифікують. Сполучення можливостей економії металу на ливниковій системі та газодинамічного впливу на розплав може бути використане для одержання двошарових високоякісних виробів у стаціонарних ливарних формах.

10. Дослідження макроструктури проб, відібраних від стояків дослідного та порівняльного піддонів, залитих з одного ковша, показали відсутність принципових відмінностей у якості металу. Аналіз макро- і мікроструктури проб, відібраних від головної та донної обрізі дослідних та порівняльного злитків, виявив ідентичність основних досліджуваних параметрів. Можливість підживлення осьової зони дослідних злитків розплавом, витиснутим із стояка, підтверджує наявність у головній частині обрізі контрольного злитка усадочної шпаристості.

11. В результаті вивчення основних засобів підвищення тиску в порожнині надливів виливків за допомогою газообразуючих речовин встановлено, що нестабільність роботи надливів під газовим тиском обумовлена, насамперед, використанням карбонату кальцію (мело-графітового заряду). Встановлено, що при використанні парафіну його витрати в 5-12 разів менші, ніж мело-графітової суміші. Реакції розкладання граничного вуглеводню є необоротними, що робить роботу прибутку під газовим тиском більш стабільною. Виведено розрахункові формули та побудовано графіки, що дозволяють визначити необхідну кількість парафінового заряду для надливів сталевих та чавунних виливків різноманітної маси при необхідному газовому тиску.

12. Використання розробленого процесу при виробництві 6 тис. прокатних валків на ДЗПВ і ЛЗПВ дозволить заощадити 3,6 млн. гривень (у цінах за 1998р.). Застосування нової технології в умовах ККЦ ОАО “Металургійний завод ім. Г.І. Петровського” забезпечує витиснення розплаву із стояка в злитки і, при обсязі впровадження 500 тис. т, дозволить заощаджувати 665 тис. гривень. У приведених розрахунках не облічена економія металу за рахунок витиснення розплаву з живильників, можливе поліпшення якості металу при підвищенні його однорідності та щільності в осьовій зоні виливків за рахунок розплаву, що витискується, а також зниження трудомісткості розбирання відходів металу стояків. Використання парафіну в якості газообразуючої речовини для надливів під газовим тиском дозволить збільшити вихід придатного в середньому на 16% та одержати економічний ефект у сумі 2,36 млн. грн.

Таким чином, сумарний потенційний економічний ефект від використання технології газодинамічного витиснення розплаву у виливок складе 6,65 млн. гривень (у цінах за 1998р.).

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Селиверстов В.Ю. Технология вытеснения расплава из стояка в отливку // Теория и практика металлургии. – 1999. - № 4. – С. 12–13.

2. Хрычиков В.Е., Селиверстов В.Ю., Гришин А.М. Технологические особенности применения прибылей под газовым давлением // Теория и практика металлургии. – 1999. - № 5. – С. 38 – 39.

3. Хрычиков В.Е., Селиверстов В.Ю., Семенова Т.В., Бутенко И.Г. Экспериментальное исследование процесса затвердевания стали в центровой с цилиндрическим холодильником // Процессылитья . – 2000. - № 1. – С. 18 – 20.

4. Хрычиков В.Е., Селиверстов В.Ю., Решетняк С.И., Макаренко Л.Л. Моделирование процесса затвердевания металла в системе центровая-устройство для ввода газа // Вісті академії інженерних наук України. – 1997. - С. 65–70.

5. Хрычиков В.Е., Селиверстов В.Ю., Семенова Т.В., Резун В.Е. Экспериментальное исследование процесса нагрева огнеупора в центровой при заливке спокойной стали // Вісті академії інженерних наук України. – 1998. – С. 187–191.

праці, що додатково відображають наукові результати дисертації

6. Хрычиков В.Е., Селиверстов В.Ю., Матвеева М.О., Семенова Т.В., Семенов Д.И. Снижение расхода металла на литниковую систему при производстве крупных отливок // Труды междунар. конф. "Теория и практика решений экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышленности". – Днепропетровск: ГМетАУ. – 1995. – С. 52 – 53.

АНОТАЦІЯ

Селівьорстов В.Ю. Розробка, дослідження і моделювання процесу газодинамиічноговитиснення розплаву із ливниково-живлючої системи у виливок. - Рукопис.

Дисертація на здобуттянаукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04- Ливарне виробництво. - Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2000р.

Дисертація присвячена дослідженню і розробці технології регульованого газодинамічного витиснення рідкого металу із сифонної ливниково-живлючої системи у виливки. Встановлено термочасові режими реалізації процесу, що враховують різноманітні розміри сифонної ЛЖС, теплофізичні властивості матеріалу форми і сплаву, а також тривалість заливання. Відмінною рисою запропонованих устроїв є герметизація ливникової системи від навколишнього середовища за рахунок залитого сплаву, що примусово твердіє до утворення прошарку металу заданої товщини. Розроблено фізична і математична моделі процесу затвердіння металу в системі стояк - устрій для введення газу. Встановлено термочасові режими затвердіння металу в зазорі між центровою вогнетривкою трубкою і трубою-холодильником. Розроблено різноманітні варіанти конструкцій устроїв, що забезпечують герметизацію ЛЖС від навколишнього середовища, введення газу і наступне витиснення розплаву. Визначено склад речовин, при нагріванні яких виділяється достатній обсяг газу для ефективного впливу на розплав та розроблені вівдповідні розрахункові формули.

Ключові слова: ливниково-живлюча система, ЛЖС, розплав, газодинамічне витиснення, виливок, надлив, устрій, технологія, газообразуюча речовина, дослідження, температурне поле, кінетика затвердіння, математична модель.

Аннотация

Селиверстов В.Ю. Разработка, исследование и моделирование процесса газодинамического вытеснения расплава из литниково-питающей системы в отливку. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 – Литейное производство. – Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2000 г.

Диссертация посвещена исследованию и разработке технологии регулируемого газодинамического вытеснения жидкого металла из сифонной литниково-питающей системы в отливки и слитки. Установлены термовременные режимы реализации процесса, учитывающие различные размеры сифонной ЛПС, теплофизические свойства материала формы и сплава, а также продолжительность заливки.

Отличительной особенностью предлагаемых устройств является герметизация литниковой системы от окружающей среды за счет залитого сплава, который принудительно затвердевает до образования слоя металла заданной толщины. Разработаны физическая и математическая модели процесса затвердевания металла в системе стояк - устройство для ввода газа. Модели описывают состояние элементов указанной системы до заливки расплава в литейную форму, во время заполнения формы металлом и после введения металлического холодильника.

Поставленную задачу решали с использованием метода конечных разностей. Составленный на основе полученных расчетных формул алгоритм позволяет моделировать процесс теплообмена в системе с различными вариантами конфигурации и размеров холодильника, диаметра стояка, продолжительности заливки, теплофизических свойств формы и расплава. Для адаптации модели использовали данные экспериментальных исследований процесса нагрева формы и кристаллизации металла в стояке.

Установлены термовременные режимы затвердевания металла в зазоре между внутренней поверхностью формовочной смеси литейной формы стояка или центровой огнеупорной трубкой и трубой-холодильником.

Экспериментально установлена кинетика прогрева формовочной смеси литейной формы стояка и огнеупорного припаса, температурное поле по их толщине при заливке прокатных валков и слитков спокойной стали массой 28,6т. Построены изотермы и изохроны, которые могут быть применены также для оценки тепловых условий работы материала стояка и для разработки новых видов огнеупоров.

Разработаны различные варианты конструкций устройств, обеспечивающих герметизацию ЛПС от окружающей среды, ввод газа и последующее вытеснение расплава. Установлено, что конструкция устройства с регулируемой подачей газа кроме надежности формирования затвердевшего слоя в сифонной ЛПС обеспечивает возможность "залечивания" образующихся несплошностей по разъему центровых огнеупорных трубок за счет возврата жидкого металла в стояк в процессе работы устройства.

Вытеснение расплава из стояка улучшит питание усадки осевой зоны отливки или слитка, обеспечит возможность последующего проведения газоимпульсной обработки металла в литейной форме, продувку кристаллизующегося сплава инертным газом или газом с модифицирующими порошками.

Установлен состав веществ, при нагреве которых выделяется достаточный объем газа для эффективного воздействия на расплав, выведены расчетные формулы для определения их количества. Анализ макро- и микроструктуры проб, отобранных от головной и донной обрези опытных и сравнительного слитков, выявил идентичность основных исследуемых параметров. Возможность подпитки осевой зоны опытных слитков расплавом, вытесненным из стояка, подтверждает наличие в головной части обрези контрольного слитка усадочной пористости.

Изучение основных способов повышения давления в полости прибылей отливок с помощью газообразующих веществ показал, что нестабильность работы прибылей под газовым давлением обусловлена, прежде всего, использованием карбоната кальция (мело-графитового заряда). В отливках с малой толщиной стенок, а также при установке нескольких прибылей, часто не происходит полного разложения расчетного количества газообразующего вещества.

Установлено, что при использовании парафина в качестве газообразующего вещества прибыль под газовым давлением работает более стабильно,