НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ДОЦЕНКО ВАДИМ ПАВЛОВИЧ

УДК.669.14.44

ПІДВИЩЕННЯ ЖАРОМІЦНОСТІ ТА ЗНОСОСТІЙКОСТІ ЛИТИХ ЛАНЦЮГІВ І ЗМИЧОК, ЩО ПРАЦЮЮТЬ ПРИ ВИСОКІЙ ТЕМПЕРАТУРІ, ДЛЯ ПЕЧЕЙ У ЦЕМЕНТНІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ

Спеціальність 05.16.04 – ливарне виробництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному політехнічному університеті (ОНПУ) Міністерства освіти і науки України, м. Одеса

Науковій керівник: доктор технічних наук, професор

Іванова Ліна Олександрівна

Одеський Національний політехнічний університет

завідуюча кафедрою „Машини і технологія

ливарного виробництва”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Луньов Валентин Васильовіч

Запорізький Національний технічний університет

директор фізико-технічного інститута, завідувач

кафедрою „Машини і технологія ливарного

виробництва”

кандидат технічних наук, доцент

Денісенко Вадим Миколайович

Донбаська державна машинобудівнича Академія,

доцент кафедри „Ливарного виробництва”

Провідна установа: Національний технічний університет України „КПІ”

Міністерства освіти і науки України, кафедра ливар-

ного виробництва чорних та кольорових металів”

м.Київ

Захист відбудеться „__03__” ___квітня_____ в 2007 р. о _12:30_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 у Національній металургійній академії України за адресою: пр. Гагаріна, 4, м.Дніпропетровськ, Україна, 49600.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: пр. Гагаріна, 4, м.Дніпропетровськ, Україна, 49600.

Автореферат розісланий „____” _____________ в 2007 р.

Вченій секретар

спеціалізованої вченої ради Должанський А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ланцюги і змички є важливими елементами цементних печей. Вони повинні поєднувати високі зносостійкість, жаростійкість та жароміцність у специфічних умовах термоциклічних та механічних навантажень і високих температур.

До теперішнього часу ланки навісних ланцюгів для цементних печей виготовлялися зварними з прокату високолегованих сталей Х18Н10Т, Х18Н9Т і ін. Однак ці матеріали недостатньо протистоять дії абразивного зносу та термоциклічних навантажень, стоншуються, подовжуються в процесі їх експлуатації при підвищеній температурі під дією розтягуючих сил. Зварка ланок при цьому не завжди забезпечує якість стику, і змички ланцюга часто виходять з ладу через обрив ланок по місцю зварювання.

Одним із шляхів вирішення цієї задачі є заміна сталі у матеріалі ланцюгів на леговані чавуни. Але чавуни з необхідним комплексом властивостей, що відомі, мають високий вміст дефіцитних та дорогих легуючих елементів (особливо, Ni, а також Mo, V та інш.), і засоби отримання з них виливків є нетехнологічними. Це значно ускладнює виробництво. Вони не поєднують одночасно високі зносостійкість, жаростійкість та жароміцність, особливо за умов термоциклічних навантажень при високих температурах до 11000С. В науково-технічній літературі відсутні дані для створення необхідної технології і складу чавунів, що мають зазначений комплекс властивостей. Зокрема, недостатньо даних про роздільне та комплексне легування недефіцитними елементами хромом, алюмінієм при повному виключенні з вмісту сплаву нікелю, визначення експлуатаційних властивостей виливків. У вказаних умовах експлуатації визначення впливу сумісного вмісту вуглецю та кремнію у складі виливків при такому легуючому комплексі на жароміцність, жаро- та зносостікість. Також відсутні відомості впливу термоциклічних та механічних навантажень на експлуатаційні властивості ланцюгів і змичок з комплекснолегованих чавунів.

Відсутність цих данних не дозволяє досягнути надійної роботи ланцюгових завіс цементних печей та розробити технологію їх отримання засобом лиття.

Таким чином, робота, що спрямована на дослідження роздільного та комплексного впливу легування хромом і алюмінієм на структуру та властивості литих ланцюгів та змичок; визначення для виливків, що працюють у агресивних середовищах і температурах до 11000С, леговані Cr, Al, кількісних залежностей сумісного впливу вмісту вуглецю і кремнію на жароміцність, жаростійкість, зносостійкість; встановлення впливу термоциклічних і механічних навантажень на експлуатаційні властивості ланцюгів та змичок з комплекснолегованих чавунів та їх регулювання за рахунок стабілізації технологічних параметрів лиття, є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана відповідно до науково-дослідної тематики №323-28 в Одеському національному політехнічному університеті і за замовленням підприємств південного регіону України. Тема: “Дослідження процесу формоутворення литих ланок ланцюгів для цементних печей замість зварних з безнікелевих залізохромвуглецевих сплавів, для роботи в гарячій зоні ланцюгової завіси цементної печі” входить в план найважливіших досліджень, виконуваних по лінії регіональних розробок Одеської області і з тематики сумісних досліджень науково-технічної співпраці з Варненським машино - технологічним університетом (Болгарія).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи стало дослідження процесів структуроутворення при роздільному та комплексному легуванні хромом і алюмінієм при виключенні з вмісту сплаву нікелю на властивості литих ланцюгів і змичок; вивчення закономірностей сумісного впливу вуглецю і кремнію на жароміцність, жаростійкість, зносостійкість і механічні властивості виливків з хромоалюмінієвого чавуну, що працюють у агресивних середовищах і температурах до 11000С, а також дослідження впливу термоциклічних і механічних навантажень на експлуатаційні властивості ланцюгів та змичок з комплекснолегованих чавунів, розробка на основі отриманих даних промислової технології литва цих виробів з підвищеними жароміцністю та зносостійкістю для печей цементної промисловості.

Для досягнення даної мети поставлені наступні задачі:

Ш дослідження впливу роздільного та комплексного легування Cr і Al на структуру і експлутаційні властивості литих ланцюгових завіс з чавунів, що не містять нікелю;

Ш провести експериментальне і теоретичне дослідження сумісного впливу вуглецю і кремнію на жароміцність, жаростійкість, зносостійкість та механічні властивості виливків з хромоалюмінієвих чавунів з урахуванням специфічних умов їх роботи у цементних пічах;

Ш експериментальні і аналітичні дослідження впливу термоциклічних і механічних навантажень на експлуатаційні властивості ланцюгів та змичок з комплекснолегованих чавунів;

Ш розробка, промислове випробування та впровадження у виробництво комплекснолегованих чавунів та технологічних параметрів лиття з них ланцюгів та змичок для цементних печей з підвищеними експлуатаційними характеристиками.

Об’єкт дослідження. Технологічні процеси литва ланцюгів і змичок для печей цементної промисловості з чавунів комплекснолегованих алюмінієм та хромом.

Предмет дослідження. Закономірності процесів структуроутворення і формування властивостей у виливках ланцюгів і змичок з комплекснолегованих чавунів з підвищеними експлуатаційними властивостями, що працюють в умовах високих температур і агресивних середовищ.

Методи дослідження. При роботі з об*єктом дослідження були обрані методи і апаратура, що дозволила встановити об'єктивний взаємозв'язок між кількістю легуючих елементів і експлуатаційними властивостями чавунів. Теоретичні дослідження засновані на фундаментальних закономірностях теорії легування залізо-вуглецевих сплавів. Натурні експерименти проводилися в лабораторних умовах з використанням сучасної вимірювальної апаратури.

Дослідження проведені за допомогою металографічного і спектрального аналізів, механічних та експлуатаційних випробувань. У роботі використані методи статистичної обробки даних із застосуванням комп*ютерної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті теоретичних і експериментальних досліджень в області комплексного легування і технології виробництва литих ланцюгових завіс були знайдені нові наукові рішення:

1. Отримали подальший розвиток дослідження впливу роздільного та комплексного легування хромом (8,4...20,6 мас.%), алюмінієм (0,38...9,3 мас.%) при виключенні з вмісту сплаву нікелю на структуру і властивості литих ланцюгових завіс з хромоалюмінієвого чавуну.

Розробка відрізняється визначеними граничними концентраціями легуючих елементів у виливках з урахуванням умов термоциклічних та механічних навантажень. Це дозволило підвищити механічні та службові властивості виливків у порівнянні з ланцюгами з високолегованих сталей Х18Н9Т, Х18Н10Т, які використовували раніше.

2. Вперше теоретично визначені та експериментально підтверджені для чавунних виливків, що працюють у агресивних середовищах і температурах до 1100С та леговані хромом, алюмінієм, кількісні залежності сумісного впливу вмісту вуглецю (1,65...2,35 мас.%) і кремнію (0,3...1,97 мас.%) на жароміцність, жаростійкість, зносостійкість, а також механічні властивості.

Розробка відрізняється урахуванням специфічних умов роботи ланцюгових завіс і наявністю необхідного легуючого комплексу у чавуні. Отримані закономірності дозволили керувати структурою та властивостями виливків з метою підвищення їх механічних та експлуатаційних властивостей.

3. Вперше досліджено вплив термоциклічних і механічних навантажень на експлуатаційні властивості (зносостійкість, жаростійкість, жароміцність) ланцюгів та змичок з комплекснолегованих чавунів.

Дослідження відрізняються умовами механічного навантаження, урахуванням впливу термоциклювання на експлуатаційні властивості ланцюгів та змичок з чавунів, що леговані хромом та алюмінієм і не містять нікелю. Це дало можливість науково обґрунтувати технологію їх лиття для цементної промисловості.

Практичне значення одержаних результатів. На основі результатів виконаних досліджень і встановлених закономірностей процесів, протікаючих в матеріалі ланцюгів і змичок, розроблена промислова ресурсозберігаюча технологія їх литва з комплекснолегованого чавуну при урахуванні умов агресивного газового середовища і високих температур. Впровадження цієї технології на ВАТ „Красна Гвардія” (акт використання від 31.01.2006 р.), Інженерному науково-практичному центрі „Литва під тиском” („Рекомендований технологічний регламент виробництва литих ланок ланцюгів для цементних пічей” від 31.01.2006 р.) забезпечило підвищення жароміцності, жаростійкості і зносостійкості литих ланцюгів цементних печей на 18–20% і поліпшення якості продукції, що випускається. Очікуваний економічний ефект заміни зварних ланок ланцюгів із сталі Х18Н10Т на відлиті з розробленого чавуну має скласти близько 2,5 млн. гривень при річній потребі в ланках ланцюгів цементної промисловості 3,0 тис.т. Отримані результати були підтверджені при використанні розроблених сплавів на ВАТ „Науково-дослідний інститут спеціальних способів лиття” (акт використання № 123 від 09.02.2006 р.). Також результати роботи впроваджені в учбовий процес (акт від 24.01.2006 р.).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи базуються на дослідженнях, виконаних безпосередньо автором. Автором особисто науково є обґрунтований, розроблений і запропонований якісний і кількісний склад легуючого комплексу, проведені експерименти, розроблена промислова технологія, що дозволила підвищити якість і експлуатаційні властивості литих виробів.

У роботах опублікованих у співавторстві особистий внесок здобувача такий: 1 - розроблений технологічний процес отримання литих змичок ланцюгів для печей цементної промисловості у вогкі форми та за витоплюваними моделями, а також розроблений безникелевий чавун, що забезпечує економічне легування; 4 - визначене відсоткове співвідношення впливу легуючих елементів хрому, алюмінію та вуглецю на жароміцність та жаростійкість модифікованих чавунів; 6 - досліджені та проаналізовані механічні та службові властивості литих змичок ланцюгів та зразків із чавунів, що леговані алюмінієм та хромом; 7 - отримані результати дослідження впливу хімічного складу сплаву на його властивості; 8 - виконані дослідження впливу хімічного складу чавуну для виготовлення литих змичок ланцюгів цементних печей на працездатність у агресивних середовищах при високих температурах та абразивному зносі; 9 - розроблено склад високоміцного конструкційного чавуну без застосування спеціальних домішок та способи його отримання, проаналізовані залізовуглецеві сплави, що містять від 1,7 до 2,5% вуглецю та їх ливарні властивості.

Апробація результатів. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися і отримали позитивну оцінку на: VIІ Міжнародній конференції “Шляхи підвищення якості і економічності ливарних процесів” (Одеса, 2003), VIІІ Міжнародній конференції “Шляхи підвищення якості і економічності ливарних процесів” (Одеса, 2004), Міжнародній науково-практичній конференції “Наука та інновації - 2005” (Дніпропетровськ, 2005), Міжнародний науково-технічний конгрес “Економічний шлях до високоякісного литва” (Київ-Запоріжжя, 2005), Міжнародній конференції „Проблеми сучасного матеріалознавства” (Дніпропетровськ, 2005).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 9 роботах: одна монографія і 3 наукові статті в збірках, які входять в перелік ВАК і 5 у вигляді матеріалів наукових конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, що викладені на 129 сторінках, висновків, списку літературних джерел з 96 найменувань, 7 додатків. Робота проілюстрована 58 рисунками і 15 таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, її мета і задачі дослідження, наукова новизна отриманих результатів, їх практична цінність та реалізація у промисловості.

Перший розділ присвячений освітленню стану проблеми та вибору напрямку досліджень. Проаналізовані умови роботи ланцюгових завіс цеглових печей та вимоги до матеріалу ланцюгів, а також методи підвищення експлуатаційних властивостей ланцюгів та змичок, що відлиті, фактори, що їх визначають.

Виходячи з аналізу теоретичних і експериментальних робіт, а також з номенклатури сплавів, що використовуються для виготовлення начепних ланцюгів печей цементної промисловості, які працюють при високій температурі і в абразивному середовищі, доведено, що існує потреба в розробці технології одержання литих ланцюгів з легованих чавунів.

У другому розділі наведені методи дослідження, їх апаратурно-технічне та метрологічне забезпечення. Дослідні плавки чавунів для ланок ланцюгів і зразків проводилися в ливарній лабораторії Одеського національного політехнічного університету на високочастотній індукційній печі ЛПЗ-67 і печі з машинним генератором. Виміри температури, визначення складу експериментальних чавунів, мікротвердості матеріалу виливків, металографічний аналіз проводили за стандартними методиками.

Дослідження короткочасної жароміцності дослідних сплавів проводили при кімнатній та підвищених температурах 700, 900, 11000С. Іспити литих зразків проводили на розробленій і виготовленій спеціальній установці, базою для якої була іспитова машина УГ-5Т. Випробування на жаростійкість проводилися у окислювальній атмосфері при температурах 900, 1000, 1100С. За кількісну характеристику прийняте збільшення маси циліндричного зразка ( 10 мм, h 20 мм) за певний час випробувань.

Експериментальні чавуни також оцінювали за їх термостійкістю, тобто здатностю матеріалу чинити опір тепловим діям і виникненню термічних напруг. За критерій термостійкості матеріалу було прийнято максимальне число циклів “п” – при якому починається руйнування зразка. Випробування проводилися на зразках із змінним перетином. Цикли нагріву і охолодження зразків продовжувалися до тих пір, доки тріщина, що утворилася, не сягала розміру приблизно 0,5 мм.

Випробування на зносостійкість дослідного сплаву проводилося на машині з поворотно-поступальним рухом і при підвищених температурах. Як зв'язана пара застосовувалися спеціальні абразивні бруски марки 63СВПОМ2КБ-8. Тривалість одного випробування 20 хвилин. Випробування на знос з кожною партією зразків повторювалося не менш 5 разів. Шлях ковзання випробовуваних зразків складав 2040 м. Зважували зразки на аналітичних терезах з точністю 0,0002 г. Вимір лінійних розмірів (висоти зразків) здійснювався мікрометром.

Дослідження зносостійкості експериментальних сплавів при підвищених температурах проводилося в обертальній печі, яка імітує роботу цементної, як абразивна середа використовувався цемент марки 400. Температура вимірювалася платиновою термопарою типу ПР-30/6 і приладу ЕПП-09. Випробування змичок ланцюгів проводилося при температурі 750С.

Дослідження лінійного зв'язку між параметрами об'єкту вивчення реалізували методом чисельного регресійно-кореляційного аналізу з використанням персонального комп'ютера.

У третьому розділі наведені результати дослідження впливу алюмінію та хрому на зносостійкість ланцюгів з дослідних чавунів при різних температурах. Було проведено 98 плавок, хімічний склад яких змінювався у наступних межах: С 1,65 3,31%; Si 0,15 3,04%; Mn 0,51 1,97%; S 0,005 0,044%; Р 0,043 0,051%; Cr 2,8 26,9%; Al 0,2 9,3%.

З металу дослідних плавок обрано чотири групи зразків різного хімічного складу. До першої групи відносяться сплави із вмістом вуглецю 1,82%, хрому 8,4%, алюмінію від 0,2 до 4,9%. Сплави другої групи містять вуглецю 2,34%, хрому 20,4%, алюмінію від 0,2 до 6,9%. Сплави третьої групи містять: вуглецю 2,08%, хрому 20,6%, алюмінію 0,38...5,5%. Сплави четвертої групи містять: вуглецю 1,65%, хрому 20,6%, алюмінію 0,38...7,6%. Для порівняння експериментальних чавунів і аналогу, що промислово використовується, була обрана сталь Х18Н10Т.

Результати випробувань зразків на зносостійкість наведені на рис.1.

Аналіз експериментальних даних дозволяє зробити наступні висновки: при збільшення вмісту хрому зносостійкість чавунів зростає, сплави, що містять 20,4% хрому, мають більшу зносостійкість, ніж сплави із вмістом 8,4% хрому (рис.1); зменшення вмісту вуглецю з 2,34% до 1,65% знижує зносостійкість дослідних сплавів, яка змінюється з 0,38 до 0,52 мг; зносостійкість сплавів залежить від вмісту в них алюмінію, отримана залежність має екстремум при вмісті алюмінію 2,8 4,0%. При вмісті Аl понад 5,0% зносостійкість підвищується.

Вплив на зносостійкість інших компонентів сплаву визначається їх взаємодією з вуглецем і здібністю до розчинення їх у залізі.

Подальше збільшення вмісту алюмінію з 4% і вище сприяє підвищенню зносостійкості сплавів за рахунок утворення складних хімічних з'єднань FeAl, Fe2Al5 – володіючих підвищеною твердістю. Таким чином встановлено, що оптимальним є сплав із вмістом 2,08% вуглецю, 20,6% хрому і алюмінію понад 5,0%.

Виливки змичок ланцюгів експлуатуються при підвищених температурах в агресивному середовищі, тому виникла необхідність дослідження впливу цих чинників на зносостійкість чавунів, що використовуються. В табл. 1 наведені порівняльні дані по зносу змичок з дослідного чавуна і зі сталі X18H10T при температурах 750, 760, 770, 780, 800С і часу випробування сто годин.

Таблиця 1 - Результати експериментального визначення зносу

№ п/п | Хімічний склад дослідних плавок, % | Темпе-ратура випро-бування, С | Маса змичок, мг

С |

Сr |

Al | початкова | після випро-бування

1 |

2,34 |

20,4 |

0,38 |

750 | 205,83 | 205,83 | 0,00

2 | 760 | 231,415 | 231,413 | 0,002

3 | 770 | 273,085 | 273,083 | 0,002

4 | 780 | 280,1200 | 280,1185 | 0,0015

5 | 800 | 262,4800 | 262,4700 | 0,01

6 |

Х18Н10Т | 750 | 162,4841 | 162,2324 | 0,2517

7 | 760 | 165,3600 | 165,0350 | 0,325

8 | 770 | 168,2452 | 167,2400 | 1,0052

9 | 780 | 170,2032 | 169,2010 | 1,0022

10 | 800 | 172,3010 | 171,0000 | 1,301

Аналіз результатів дослідження показав, що литі дослідні змички ланцюгів у температурному інтервалі 750–800С і витримці сто годин практично не мали зносу. Робочий діапазон температур теплообмінника 750-770С, це дозволяє припускати, що в реальних умовах експлуатації знос відсутній. Тоді як на змичках ланцюгів зі сталі Х18Н10Т за аналогічних умов випробувань з'явилася якнайтонша плівка оксидів і зміна маси склала 2,6-3,8%.

Для підтвердження достовірності отриманих результатів проведений аналіз мікроструктури дослідних чавунів. Визначений вплив хрому і алюмінію на мікротвердість перліту до і після термообробки. Оскільки вплив цих елементів на мікротвердість карбіду відомий і добре вивчений, він не розглядався. Якщо в зразках до випробувань мікротвердість менше змінювалася при вмісті вуглецю 1,65%; то для зразків після випробувань - стабільність мікротвердості спостерігалася при вмісті вуглецю 2,04%. Алюміній при вмісті понад 5,0% знижує мікротвердість перліту, тому його кількість доцільно залишити на цьому рівні.

На рис.2 наведені характерні мікроструктури чавуну виливків. При вмісті хрому до 4,0% спостерігалася перліто-карбідна матриця (перліт дрібно-зернистий) половинчастого чавуну з включеннями графіту у вигляді дрібних крапок і гнізд. При вмісті 10,2% хром повністю пригнічує процес графітизації і чавун кристалізується білим з невеликою кількістю хромової евтектики, дисперсність перліту зменшується. Підвищення вмісту хрому до 20,6% (рис.2, а, б) приводить до збільшення кількості карбіду. На рис.2, в представлена група сплавів з високим вмістом хрому 20,4-20,6% і зростаючою кількістю алюмінію від 5,6 до 9,3%. Для сплавів з таким вмістом алюмінію характерна перліто-феритна структура, причому кількість легованого алюмінієм фериту збільшується по мірі підвищення вмісту алюмінію. Наведеної кількості хрому виявилося достатньо для зв’язування всього вуглецю в карбіди типу (Fe, Cr)3C.

За результатами проведених досліджень самим зносостійким при кімнатній і підвищеній температурах є чавун, що містить (%, по масі): С 2,0 2,1; Сr 20,4 20,6; Al 4,9 5,1.

Четвертий розділ роботи присвячений дослідженням впливу складу чавуну на експлуатаційні та механічні властивості змичок ланцюгів, що відлиті.

Вивчали вплив вуглецю та легування алюмінієм і хромом на короткочасну жароміцність дослідних чавунів у порівнянні зі сталлю ХI8HI0T. Встановлено, що із збільшенням температури випробування короткочасна жароміцність всіх досліджуваних сплавів різко зменшується. В той же час дослідні чавуни (рис.3) володіють більш високою короткочасною жароміцністю у порівнянні із сталлю ХI8HI0T, так при температурі випробування зразків 900С жм. чавунів в 2,5 рази вища, ніж сталі. Вплив вуглецю в досліджуваних межах практично не позначується на зміні короткочасної жароміцності дослідного чавуну.

На рис.4 представлені результати випробувань на короткочасну жароміцність чавунів залежно від вмісту хрому. Спостерігається характерне різке падіння жароміцності з підвищенням температури, максимальною жароміцністю володіють сплави із вмістом хрому 20,6%, а мінімальною – чавуни із вмістом хрому 8,4%. Зразки із сталі ХI8H10T при кімнатних температурах мають в 1,5 раз більшу міцність у порівнянні із зразками з чавунів із вмістом хрому 8,4%. Проте вже при температурах 700, 900, 1100С короткочасна жароміцність дослідних сплавів вище за короткочасну жароміцність сталі ХI8H10T. Це, можливо, пояснюється тим, що хром утворює із залізом і вуглецем ряд складнолегованих карбідів, що мають високу температуру плавлення і утворюючись в твердому розчині у високодисперсному стані, вони зміцнюють сплав.

Чавун, що розробляється, повинен містити алюміній, який забезпечуватиме високу жаростійкість і корозійну стійкість. Тому були проведені дослідження впливу легування чавуна зростаючими присадками алюмінію на короткочасну жароміцність при різному вмісті хрому. Аналіз результатів випробувань сплавів, що містять (%, по масі): С 1,80 1,82; Si 0,3 0,6; Mn 0,60,9; Cr 8,28,4; Al 0,15,1 на короткочасну жароміцність при температурі 20 і 700С показав, що із збільшенням вмісту алюмінію короткочасна жароміцність знижується і характер її зміни практично однаковий. Ймовірно, що при температурі 700С ще не відбулися структурні перетворення. З підвищенням температури до 900, 1100С короткочасна жароміцність зразків різко знижується. Характерно, що при температурах 900 і 1100 С вміст алюмінію від 0,3 до 5,1% практично не позначається на зміну короткочасної жароміцності. Відзначене явище пояснюється стабільністю структури сплаву. При вмісті хрому 8,2-8,4% і вуглецю 1,80-1,82% - алюміній не має значного впливу на жароміцність.

Також були проведені дослідження короткочасної жароміцності для зразків чавунів із вмістом (%, по масі): С 1,652,34; Si 0,30,6; Mn 0,60,9; Cr 20,420,6; Al 0,389,3. Відзначено, що короткочасна жароміцність чавунів різко знижується при введенні алюмінію до 2,0%. Подальше збільшення вмісту алюмінію має незначний вплив на зниження короткочасної жароміцності цих сплавів при температурі 700, 900, 1100С. Зміна вмісту вуглецю від 1,65 до 2,34% і хрому до 20,4% практично не впливає на короткочасну жароміцность дослідних сплавів з одночасним збільшенням вмісту алюмінію від 0,38 до 9,3%.

Не дивлячись на те, що алюміній зменшує міцність досліджуваних чавунів, він все ж таки забезпечує достатній рівень жароміцності цих сплавів. При збільшенні вмісту алюмінію до 4% інтенсивно відбуваються структурні перетворення в сплаві. Підвищення добавок алюмінію більше 4% і при наявності хрому 20,4-20,6% стабілізує структуру металевої матриці, що приводить до незначного зниження жароміцності.

Дослідженню короткочасної жаростійкості піддавалися сплави із вмістом вуглецю (1,65...2,34%), хрому (8,4...20,6) і алюмінію (0,33...7,6), для порівняння була вибрана сталь XI8H10T при температурі 900С і 1100С. Проведені дослідження показали, що якнайкращою жаростійкістю володіють сплави при всіх випробовуваних температурах і витримках випробування із вмістом (%, по масі): вуглецю 2,34; хрому 20,6; алюмінію 6,95 % (рис.5).

Термостійкість дослідних сплавів різко падає із збільшенням вмісту алюмінію від 1,9 до 2,8% (рис.6). Подальше його збільшення знижує значення термостійкості експериментальних чавунів в незначній мірі. Із збільшенням вмісту вуглецю в сплавах, термостійкість їх збільшується. Якнайкращою термостійкістю володіють сплави, що містять у своєму складі вуглецю 2,04 %, хрому 20,6 %, алюмінію від 0,38 до 2,6%. Подальше збільшення вмісту алюмінію викликає падіння значень термостійкості дослідних чавунів.

Встановлено, що оптимальною ударною в'язкістю володів чавун із вмістом (%, по масі): С 2,04%; Cr 20,6; Al 5,06,0% (рис.7). Із збільшенням вмісту алюмінію і підвищенням температури випробування ударна в'язкість дослідного чавуну підвищувалася на 17-26%. Підвищення вмісту вуглецю при температурах 800, 900С приводить до зниження ударної в'язкості на 5-7%.

Із збільшенням в сплаві вмісту хрому руйнуюче навантаження при розриві ланок збільшується і при 20...25% хрому досягає найбільших значень. Подальше збільшення вмісту хрому понад 25,0% не впливає на підвищення міцності ланок. Вміст вуглецю у межах 2,1...2,8 % практично не впливає на величину руйнуючого зусилля дослідних ланок ланцюгів (рис.8).

Ланки ланцюгів з чавунів, що містять 1,52,0% кремнію менш міцні (42,0 %) порівняно з ланками, що містять 0,30,56% кремнію (рис.9).

Алюміній зменшує міцність на розрив дослідних сплавів, але виходячи з вимог до жаростійкості, термостійкості і ударної в'язкості вважаємо доцільним його введення в кількості 4,0-6,95% (табл.2). Вимір твердості відлитих дослідних ланок ланцюгів від кожної плавки проводився на пресі Брінелля. В табл.3 наведені результати випробувань твердості литих дослідних ланок.

Як видно з наведених даних, твердість зростає із збільшенням вмісту хрому, найвищі значення отримані для чавунів з його вмістом 20,6 – 24,8%.

Таблиця 2 - Вплив хрому і алюмінію на міцність на розрив

литих ланок ланцюгів

№№ | Хімічний склад, % | Рт, т | Cr | Al | 1 | 19,5 | 0,1 | 19,8 | 2 | 0,3 | 17,0 | 3 | 0,6 | 16,5 | 4 | 1,2 | 12,0 | 5 | 14,5 | 0,1 | 18,0 | 6 | 0,3 | 15,0 | 7 | 0,6 | 14,0 | 8 | 1,2 | 11,0 | 9 | 11,0 | 0,1 | 13,0 | 10 | 0,3 | 12,0 | 11 | 0,6 | 10,0 | 12 | 1,2 | 8,0 |

Таблиця 3 – Твердість ланок ланцюгів з дослідного чавуну

Вміст хрому % | Середнє значення твердості, НВ

2,80 – 3,20

8,40 – 10,90

11,93 - 18,47

20,60 – 24,80 | 273,5 ± 11,5

310,0 ± 25,0

367,5 ± 32,5

438,5 ± 31,5

У п’ятому розділі описана розроблена технологія виробництва литих ланцюгів по витоплюваним моделям з експериментальних чавунів.

На ВАТ "Красна Гвардія" з литих дослідних ланок шляхом з'єднання їх в ланцюг ланками були виготовлені комбіновані змички ланцюгів. Для виробничих випробувань використан розроблений чавун із вмістом вуглецю 2,02...2,06 %, кремнію 0,3...0,56%, марганцю 0,6... 1,2%, хрому 20,4...20,6%, алюмінію 4,0...6,95%, сірки і фосфору не більше 0,06%. Так само для порівняння були узяті ланки ланцюгів з чавуну склад якого відрізнявся тим, що вміст хрому був 19,0-19,5 %, алюмінію 1,0-1,2% і сталь Х18Н10Т.

Після 210 діб роботи ланцюгів в гарячій зоні печі було встановлено, що ланцюги з литими ланками зносу практично не мали тоді, як ланцюги, виготовлені із сталі Х18Н10Т, дещо витягнулися в довжину і помітно зносилися в місцях їх тертя ланка-ланка. Після 350 діб - змички ланцюгів залишилися придатними для роботи.

Таким чином, виробничі випробування показали, що литі ланки з розробленого чавуну по своїм службовим і механічним властивостям не поступаються ланкам, виготовленим з високолегованої сталі Х18Н9Т, Х18Н10Т. Розрахунок економічної ефективності і результати проведених випробувань показали також, що використовування пропонованого сплаву обійдеться в 1,5 раз дешевше, ніж зварних ланок із сталі Х18Н10.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, що полягає у визначенні закономірностей впливу роздільного та комплексного легування хромом, алюмінієм, а також сумісного впливу вуглецю і кремнію на механічні властивості, жароміцність, жаростійкість, зносостійкість литих ланцюнів та змичок, що працюють у агресивних середовищах і температурах до 11000С в умовах термоциклічних і механічних навантажень та розробці технології їх лиття з комплекснолегованих безнікелевих чавунів для цементної промисловості.

1. На основі аналізу даних про виробництво ланцюгів і змичок для цементних печей встановлено, що вони виготовляються зварними з прокату високолегованих сталей Х18Н10Т, Х18Н9Т, або литими з легованих чавунів.

Зварні ланцюгові завіси недостатньо протистоять дії абразивного зносу та термоциклічних навантажень, стоншуються, подовжуються в процесі їх експлуатації при підвищеній температурі під дією розтягуючих сил. Зварювання ланок не завжди забезпечує якість стику, і змички виходять з ладу через обрив. Відомі чавуни мають високий вміст дефіцитних та дорогих легуючих елементів (Ni, Mo, V та інш.) і засоби отримання з них виливків є нетехнологічними, що значно ускладнює виробництво. Вони не поєднують одночасно високі зносостійкість, жаростійкість та жароміцність, особливо за умов термоциклічних навантажень при високих температурах до 11000С. Підвищення експлуатаційних властивостей ланцюгів та змичок має бути забезпечено розробкою складу комплекснолегованого чавуну та удосконаленням технології їх виробництва.

2. Вивчення індивідуального та комплексного впливу основних легуючих елементів хрому (8,4...20,6 мас.%), алюмінію (0,38...9,3 мас.%) на зносостійкість при температурах 20-240С, 750-8000С; жаростійкість та жароміцність, дозволило встановити, що при збільшенні вмісту хрому з 8,4% до 20,6% зносостійкість експериментальних чавунів зростає. Зносостійкість досліджуваних сплавів залежить від вмісту в них алюмінію і має екстремум при вмісті алюмінію від 2,8 до 4,0%. При вмісті алюмінію понад 5,0% зносостійкість підвищується.

3. Вперше теоретично визначені та експериментально підтверджені кількісні залежності впливу основних компонентів сплаву – вуглецю (1,65...2,35 мас.%), кремнію (0,3...1,97 мас.%), при наявності необхідного легуючого комплекса на експлуатаційні і механічні властивості ланцюгів та змичок, що працюють в агресивних середовищах і температурах до 11000С. Отримані закономірності дозволили керувати структурою та властивостями виливків.

Оптимальними визначені вміст вуглецю 2,04...2,06%, кремнію 1,0...1,5%.

4. На основі експериментальних досліджень встановлено, що алюміній зменшує міцність досліджуваних чавунів, але забезпечує достатній рівень жароміцності сплавів. Підвищення присадки алюмінію більше 4% і за наявності хрому в кількості 20,4-20,6% стабілізує структуру металевої матриці, що приводить до незначного подальшого пониження жароміцності.

Встановлено, що як найкращою жаростійкістю володіють дослідні чавуни при всіх випробовуваних температурах і витримках із вмістом (%, по масі): вуглецю 2,34; хрому 20,6; алюмінію 6,95%. Краща термостійкість отримана в сплавах, що містять в своєму складі вуглецю 2,04%, хрому 20,6%, алюмінію від 0,38 до 2,6%. Подальше збільшення вміст алюмінію викликає падіння значень термостійкості дослідного чавунів.

4. Отримані нові науково обґрунтовані теоретичні і експериментальні результати, сукупність яких дозволила розробити ресурсозберігаючу технологію отримання литих змичок ланцюгів з чавунів, що не містять нікель і працюють в умовах термоциклічних і механічних навантажень.

Експлуатаційні випробування підтвердили доцільність заміни сталевих зварних ланцюгів на литі чавунні, оскільки міцність на розрив чавунних на 37,5-42,0 % вище. Підтверджено також, що литі ланцюги з розробленого чавуну по своїх службових і механічних властивостях не поступаються ланкам, виготовленим з високолегованих сталей Х18Н9Т, Х18Н10Т.

5. Вдосконалена та освоєна технологія виготовлення засобом лиття ланцюгів та змичок з комплекснолегованого чавуну, яка забезпечує підвищення експлуатаційної стійкості на 18...20% у порівнянні з існуючими технологіями. Виробничі випробування ланок ланцюгів з експериментальних сплавів показали, що литі ланки ланцюгів пропрацювали в гарячій зоні печі понад 100 діб без істотного зносу, в той час, як зварні зі сталі Х18Н10Т втратили експлуатаційні характеристики через 26 діб. Ланцюги виготовлені з високолегованої сталі подовжилися і мали знос 2,6-3,8% в місцях контакту один з одним. При впровадженні цієї технології на ВАТ „Красна Гвардія” (акт використання від 31.01.2006 р.), Інженерному науково-практичному центрі „Литва під тиском” („Рекомендований технологічний регламент виробництва литих ланок ланцюгів для цементних пічей” від 31.01.2006 р.) очікуваний економічний ефект заміни зварних ланок ланцюгів із сталі Х18Н10Т на відлиті з розробленого чавуну має скласти близько 2,5 млн. гривень при річній потребі в ланках ланцюгів цементної промисловості 3,0 тис.т. Отримані результати були підтверджені при використанні розроблених сплавів на ВАТ „Науково-дослідний інститут спеціальних способів лиття” (акт використання № 123 від 09.02.2006 р.).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Л.А.Иванова, В.П.Доценко. Повышение качества и экономичности сложнопрофильных отливок из железоуглеродистых сплавов. – Одесса.: “ТЭС”, 2005. – 106 с.

2. Доценко В.П. Исследование эксплутационных свойств литых смычек цепей // Труды Одесского национального политехнического университета. – 2005.- №1 – С.17- 21.

3. Доценко В. П. Влияние легирования хромом и алюминием на жаростойкость литых цепей для цементных печей // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2006. - № 3. – С. 38-42.

4. Доценко П.В., Липтуга И.В., Доценко В.П. Низколегированные и модифицированные чугуны со специальными свойствами // Литейное производство. – 2003. - №3. – С.8 – 11.

Додатково наукові результати відображені в публікаціях

5. Доценко В.П. Повышение эксплутационных свойств отливок на основе Fe-Cr-C сплавов // Пути повышения качества и экономичности литейных процессов: Материалы IX международной конференции. – Одесса: Одесский национальный политехнический университет, 2005. – С.59-61.

6. Кострова Г.В., Доценко В.П. Исследование механических и служебных свойств звеньев цепей, отлитых из железохромоуглеродистых сплавов // Пути повышения качества и экономичности литейных процессов: Материалы XІІ международной конференции. – Одесса: Одесский национальный политехнический университет, 2003. – С.42.

7. Доценко В.П., Дикусаренко Т. Исследование химического состава и структуры железоуглеродистых сплавов // Динамика наукових досліджень: Материалы VIII международной научно-практической конференции. - Дніпропетровськ: Наука і освіта. – 2005. – С. 6-8.

8. Доценко П.В., Доценко В.П. Влияние химического состава железохромоуглеродистого сплава на служебные свойства звеньев цепей цементных печей // Пути повышения качества и экономичности литейных процессов: Материалы VII международной конференции. – Одесса: Одесский национальный политехнический университет, 2004. – С.39-40.

9. Доценко В.П., Киданова Н.В. Механические и служебные свойства низкоуглеродистых серых модифицированных чугунов // Пути повышения качества и экономичности литейных процессов: Материалы VII международной конференции. – Одесса: Одесский национальный политехнический университет, 2003. – С.51-53.

АНОТАЦІЯ

Доценко В.П. Підвищення жароміцності та зносостійкості литих ланцюгів та змичок, що працюють при високій температурі для печей у цементній промисловості. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 – ливарне виробництво. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена науковому обґрунтовуванню, розробці і впровадженню технологічних основ виробництва легованих чавунів підвищеної жаро- і зносостійкості; дослідженню впливу високих температур і агресивного середовища на їх структуру і властивості; розробці на цій основі промислової ресурсозберігаючої технології лиття ланцюгів і змичок з високими експлуатаційними характеристиками для печей цементної промисловості.

Отримані дані про особливості лиття ланцюгів та змичок з чавунів, що леговані хромом та алюмінієм і не містять нікель. Застосування розробленого процесу дозволило підвищити механічні та експлуатаційні властивості виливків на 18...22% у порівнянні з існуючими технологіями.

Ключові слова: виливок, чавун, легування, зносостійкість, жароміцність, експлуатація, ефективність.

АННОТАЦИЯ

Доценко В.П. Повышение жаропрочности и износостойкости литых цепей и смычек, работающих при высокой температуре для печей в цементной промышленности. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 – Литейное производство. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2007.

Диссертация посвящена научному обоснованию, разработке и внедрению технологических основ производства легированных чугунов повышенной жаро- и износостойкости; исследованию влияния высоких температур и агрессивной среды на их структуру и свойства; разработке на этой основе промышленной ресурсосберегающей технологии литья цепей и смычек с высокими эксплуатационными характеристиками для печей цементной промышленности.

Получили дальнейшее развитие исследования влияния раздельного и комплексного легирования хромом (8,4…20,6), алюминием (0,38…9,3) при исключении из состава сплава никеля на структуру и свойства литых цепных завес из хромоалюминиевого чугуна. Это позволяет повысить служебные и механические свойства отливок в 2,0…2,5 раза по сравнению с цепями из высоколегированных сталей Х18Н9Т, Х18Н10Т. Разработка отличается определенными граничными концентрациями легирующих элементов в отливках с учетом условий их эксплуатации.

Усовершенствован процесс литья и конструкция литых смычек цепей, на основании которых разработана новая технология литья износостойких, жаропрочных и жаростойких изделий методом литья по выплавляемым моделям с применением комплексного легирования.

Применение разработанного процесса позволило повысить механические и эксплуатационные свойства отливок на 18…20% по сравнению с существующими технологиями.

Ключевые слова: отливка, чугун, легирование, износостойкость, жаропрочность, эксплуатация, эффективность.

SUMMARY

Dotsenco V.P. Rise of heat-proof and wear-proof of the poured chains and union, that work at the high temperature for stoves in the cement industry. – Roucopis.

Dissertation on gaining of graduate degree of candidate of engineering sciences after speciality 05.16.04 – casting production. – the National metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2007.

Dissertation is devoted to scientific ground, development and introduction of technological bases of production of the alloyed cast-irons of increased heat- and wear-proof; to research of influencing of high temperatures and aggressive medium on their structure and properties; to development on this basis of industrial service-saving technology of casting of chains and union with the high operating descriptions for the stoves of cement industry.

Received finding of peculiarity of casting of chains and union from cast-irons, that alloyed by chrome and aluminium and not contain a nickel. The application of the developed process allowed to increase mechanical and operating properties of founding on 18...22% in comparison with the existing technologies.

Key words: founding, cast-iron, alloying, wear-proof, heat-proof, exploitation, efficiency.