Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка та освоєння технології виготовлення біметалевих відцентроволитих роликів машин безперервного лиття заготовок

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення раціональних технологічних конструкцій і матеріалів для роликів підвищеної експлуатаційної стійкості зони вторинного охолодження радіальної ділянки слябових МБЛЗ, дослідження процесів структуроутворення комплекснолегованих сталей, розробка наукових основ та освоєння технології відцентрового лиття роликів МБЛЗ з високими експлуатаційними властивостями.

Для досягнення цієї мети були поставлені наступні завдання.

1. Виконати аналіз причин виходу з ладу роликів зони вторинного охолодження МБЛЗ.

2. Розробити раціональні хімічні склади сталей для біметалевих роликів, що використовуються для зони вторинного охолодження МБЛЗ.

3. Дослідити напружений стан біметалевих роликів для удосконалення їх конструкції.

4. Дослідити вплив технологічних параметрів відцентрового лиття на якість заготовок роликів та розробити технологію одержання біметалевої заготовки підвищеної якості.

5. Дослідити структуру і властивості матеріалів біметалевих роликів у литому стані, зокрема, залишкові ливарні напруження, та визначити технологічні параметри теплового оброблення роликів для зменшення напружень, поліпшення структури, фізико-механічних і експлуатаційних властивостей.

6. Впровадити одержані результати в промисловість та навчальний процес.

Об'єкт дослідження. Технологічний процес лиття сталевих роликів.

Предмет дослідження. Закономірності процесів структуроутворення і формування властивостей у комплекснолегованих сталях роликів різних типів та одержання відцентроволитих біметалевих роликів підвищеної якості.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених в роботі задач був використаний комплекс сучасних методів, який включає: планування оптимальних експериментів; методи хімічного, металографічного, рентгеноструктурного, дилатометричного аналізів; дослідження мікротвердості, фізико-механічних властивостей, визначення залишкових напружень, а також методику визначення прогинів роликів при експлуатації.

Наукова новизна отриманих результатів

1.Одержали подальший розвиток дослідження впливу основних хімічних елементів (C, V, Mo, Ni, Cr та ін.) на структуру та властивості матеріалів робочого та внутрішнього шарів біметалевих відцентроволитих роликів. Розробка відрізняється вмістом вуглецю та легувальних хімічних елементів у біметалевих сталевих роликах. Це забезпечує підвищений рівень механічних та експлуатаційних властивостей роликів.

2.Вперше обрані раціональні хімічні склади комплекснолегованих сталей для робочого шару роликів зони вторинного охолодження МБЛЗ різних виконань, які мають обгрунтовані співвідношення з механічними властивостями.

Розробка відрізняється хімічними складами, структурами та властивостями сталей. Це дозволяє збільшити термін роботи роликів при експлуатації.

3.Вперше науково обґрунтовані геометричні параметри роликів зони вторинного охолодження МБЛЗ, що забезпечують економію легувальних елементів та збільшення терміну їх роботи. Розробка забезпечує економію легувальних матеріалів за рахунок науково обґрунтованого співвідношення робочого і внутрішнього шарів, встановленого на основі дослідження впливу конструкції роликів на їх напружений стан і тривалість роботи, у порівнянні із серійними кованими роликами.

4.Вперше визначені й обґрунтовані параметри відцентрового лиття біметалевих роликів підвищеної якості. Розробка відрізняється температурними параметрами лиття та застосуванням теплозахисного покриття диференційованої товщини по довжині виливниці. Це забезпечує добру зварюваємість робочого та внутрішнього шарів литого ролика, а також попереджує утворення гарячих тріщин у них.

5.Вперше встановлені закономірності впливу теплового оброблення, в тому числі, з гарячого посаду литих роликів з комплекснолегованих сталей на їх структуру, фізико-механічні та службові властивості. Розробка відрізняється температурними параметрами теплового оброблення роликів. Це дозволило розробити технологічні процеси теплового оброблення роликів, що сприяють зменшенню ливарних залишкових напружень, поліпшенню структури матеріалу роликів та одержанню біметалевих заготовок зі зміцненим внутрішнім шаром.

Практична цінність отриманих результатів

На підставі результатів проведених досліджень були запропоновані:

- нові конструкції двошарових роликів зони вторинного охолодження МБЛЗ (А.с. СРСР 1329899);

- нові склади комплекснолегованих сталей з підвищеними експлуатаційними властивостями для біметалевих роликів зони вторинного охолодження МБЛЗ (А.с. СРСР 1290726);

- основні параметри технології відцентрового лиття і теплового оброблення біметалевих заготовок роликів з потрібною структурою та властивостями по перерізу робочого і внутрішнього шарів.

Результати роботи пройшли випробування на металургійному комбінаті «Азовсталь» (акт від 14.11.85 р), що дозволило розробити рекомендації по заміні кованих роликів литими з підвищеною у 2…2,5 рази стійкістю. Крім того, розроблені теоретичні положення використовувалися також в учбовому процесі в розділах лекційних курсів по дисциплінах «Теоретичні основи ливарного виробництва», «Виробництво виливків із спеціальних легованих та модифікованих чавунів і сталей» і «Спеціальні і особливі способи лиття» (акт від 25.02.09 р.).

Особистий внесок автора. Автор брала безпосередню участь у дослідженнях і теоретичному узагальненні результатів по здобуттю відцентроволитих заготовок роликів із застосуванням нових конструкцій, комплекснолегованих сталей та технологій лиття, які дозволили підвищити їх механічні та експлуатаційні характеристики. Основні наукові результати дисертаційної роботи засновані на дослідженнях, виконаних безпосередньо автором. У роботу включені лише ті результати, які одержані автором або за її безпосередньою участю, що полягали, як мінімум, у постановці завдань, розробці методів і програми досліджень, обробці і аналізі отриманих результатів, їх узагальненні. Особистий внесок претендента в роботах, опублікованих у співавторстві, полягає в наступному: [2] -участь у проведенні експериментів, обробці та аналізі їх результатів; [3] - виконання досліджень мікроструктури та механічних властивостей дослідних зразків, обробка та узагальнення отриманих даних; [4] - дослідження макро- та мікроструктури матеріалу роликів до і після експлуатації; [5] - дослідження макроструктури матеріалу литих роликів; [6] - розробка хімічних складів матеріалів біметалевих роликів, дослідження мікроструктури та механічних властивостей; [7] - розрахунки напруженого стану роликів, корегування їх конструкції; [8] - виконання експериментальних досліджень, обробка та узагальнення отриманих результатів; [9] - дослідження впливу хімічного складу комплекснолегованої сталі на її механічні властивості методом симплекс-решетчатого планування; [10], [11] - розробка матеріалів, викладених у авторських свідоцтвах на винаходи; [12] - вибір матеріалів та співвідношення товщин зовнішнього та внутрішнього шарів біметалів; [13] - проведення експериментальних досліджень та одержання наукових результатів; [14] - проведення експериментальних досліджень та відпрацювання технологічних параметрів відцентрового лиття роликів; [15] - проведення промислових експериментів та обробка їх результатів; [16] - проведення експериментів для створення раціональної технологічної конструкції ролика. Претендент вважає своїм обов'язком виразити вдячність керівникові і співавторам спільних публікацій, які сприяли виконанню і реалізації результатів експериментів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи докладалися, обговорювалися і отримали позитивну оцінку на наукових семінарах і конференціях: Республіканській науково-технічній конференції «Состояние и перспективы развития центробежного литья» (м. Киев, 25-27.11.1984 р.); IV Республіканській конференції «Механизация и повышение эффективности технологических процессов производства отливок металлургического оборудования» (м. Дніпропетровськ, 28-30.10.1986 р.); Х Усесоюзній науково-технічній конференції «Совершенствование процессов разливки и кристаллизации стали» (м. Жданов, 08-09.09.1987 р.); Усесоюзному науково-технічному семінарі «Теория и практика процессов получения биметаллических и многослойных отливок» (м. Вінниця, 23-26.05.1988 р.); на нараді міністра чорної металургії „Перечень машин непрерывного литья заготовок, намеченных к строительству и вводу 1991-1995 гг.”, (м. Москва, 07.06.1990 р.); V Республіканській конференції «Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок» (м. Дніпропетровськ, 27-29.11.1990 р.); Міжнародній конференції «Проблеми і перспективи розвитку ливарного виробництва» (м. Дніпропетровськ, 7-9.09.1999 р.); науковому семінарі кафед-

ри ливарного виробництва НМетАУ (м. Дніпропетровськ, 16.01.2009 р.); Стародубовських читаннях (м.Дніпропетровськ, 21-23.04.2009 р.); XП Міжнародній конференції «Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах» (м. Запоріжжя, 21-23.09.2009 р.); науковому семінарі кафедри ливарного виробництва (м. Дніпропетровськ, 24.03.2009 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 9 наукових статтях у журналах, що входять до переліку ВАК як фахові, додатково опубліковані у 5 тезах доповідей наукових конференцій. По матеріалах дисертаційної роботи одержано 2 авторських свідоцтва на винаходи.

Структура і об'єм дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 92 найменувань та двох додатків. Робота викладена на 214 сторінках, включає 73 рисунки та 40 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульована її мета, викладена наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також дані щодо апробації результатів дисертаційної роботи.

У першому розділі проаналізовані літературні дані щодо існуючих наукових і практичних підходів до виготовлення відцентроволитих заготовок. Розглянуті основні технологічні особливості лиття біметалевих заготовок з комплекснолегованих сталей, що містяться в працях Соловйова Ю.Г., Адамова І.В., Жукаєва В.І., Цвіркуна О.Ф., Мірзояна Г.С., Благодиря Є.Г. та ін. Проаналізовані особливості і перспективи розвитку процесів безперервного розливання сталі в Україні, відомі способи розливання сталі, умови роботи та причини виходу з ладу, конструкції та матеріали роликів зони вторинного охолодження МБЛЗ.

Умови роботи роликів, особливо, у цій зоні МБЛЗ характеризуються високими знакозмінними силовими та термічними навантаженнями, що пояснюється малою швидкістю обертання роликів (до 1 оберту за хвилину), великою різницею температури їх поверхні з боку слябу (450…550⁰С) й протилежного (80…120⁰С), перепадом температури по перерізу (100…400⁰С) та довжині бочки ролика (до 220⁰С), великим (до 8 м) металостатичним напором з боку безперевнолитої заготовки, що твердіє. Через це в роликах розвивається сітка розпалу, кільцеві тріщини, знос поверхні та відбувається налипання матеріалу заготовки на поверхню роликів. Перелічені дефекти значно зменшують термін роботи роликів.

Підвищення надійності та працездатності роликів досягається визначенням рівня параметрів їх виготовлення, в тому числі створенням раціональної конструкції, вибором матеріалу з високою зносо- та розпалостійкістю, а також технологічних параметрів лиття й теплового оброблення роликів.

Аналіз сучасного стану виробництва основного інструменту - роликів МБЛЗ і відповідної науково-технічної літератури виявив, що роботи з розробки технологічних способів виготовлення нових типів біметалевих роликів МБЛЗ є актуальними та спрямованими на вирішення важливої науково-технічної задачі.

У другому розділі розглянуто матеріали та методика дослідження. Для одержання ролика з урахуванням вимог, що пред'являються до конструкції та матеріалів, використовували для бочки двошарові або біметалеві відцентроволиті порож-нисті заготовки: для робочого шару роликів - матеріали з високим опором термічному, абразивному та корозійному руйнуванню - сталі аустенітного та мартенсито-феритного класів, для внутрішнього - матеріали, що забезпечують високу конструкційну міцність ролика - нелеговану та леговану конструкційні сталі. Промислові експерименти проводили в умовах ливарного цеху Нікопольського південно-трубного заводу. Сталі для двох шарів роликів плавили одночасно у двох дугових електропечах. Заготовки роликів відливали на відцентрових машинах С-2 з робочим

діаметром кокілів 315 і 350 мм. Футерування кокілів виконували за допомогою піщаного покриття товщиною 7…14 мм.

Для дослідження структури і механічних властивостей матеріалу дослідних роликів їх розрізали на диски. Металографічний аналіз проводили згідно з ГОСТ 3443-87 на оптичних металомікроскопах моделей МІМ-8М і “Neophot 21” при збільшеннях 100…500. Шліфи досліджували до та після травлення. Механічні властивості та тривалу міцність сталей до та після експлуатації досліджували за стандартними методиками на машинах ЦД-10-90 та АИМА-5-1. Визначення відносного подовження зразків проводили на установці АД-ДТА, коефіцієнту теплопровідності - на установці ИТ-л-4, впливу діаметру бочки та її конструкції на величину прогинів роликів - на розробленому спеціальному пристрої.

Для вибору раціональних хімічних складів та дослідження впливу легувальних елементів комплекснолегованих сталей на їх механічні властивості використовували методи математичного планування експериментів.

У третьому розділі* з метою визначення та оптимізації хімічного складу сталей робочого шару роликів були проведені дослідження мікроструктури і механічних властивостей матеріалу дослідних роликів.

З урахуванням вимог, що пред'являються, як базові сталі для зовнішнього шару роликів були досліджені: мартенситно-феритна сталь типу 17Х12МФЛ та аустенітна сталь типу 20Х25Н19С2Л; для внутрішньої зони бочок - сталі 20Л та 22ХМФЛ як такі, що мають добру зварюваність.

Проведені дослідження структури сплавів біметалевих заготовок показали наступне: по робочому шару - підвищення вмісту вуглецю у сталі зменшує кількість Ь-фази, теплове оброблення не усуває її, міцнісні властивості за цього підвищуються; по перехідній зоні - мікротвердість структурних складових у цій зоні вища, ніж у робочому шарі та внутрішній зоні ролика; по внутрішньому шару - з підвищенням вмісту вуглецю збільшувалася кількість перлітної складової структури та її мікротвердість, а також - мікротвердість -фази, що приводить до зменшення відносних подовження та звужування, а також - значною мірою, показника ударної в'язкості.

Із застосуванням методу математичного планування за допомогою насиченого плану Плакетта-Бермана і статистичної обробки експериментальних даних розроблений раціональний хімічний склад комплекснолегованої сталі для робочого шару роликів зони вторинного охолодження МБЛЗ, що містить (мас. %): вуглець 0,15…0,30; кремній 0,20…0,60; марганець 0,20…0,80; хром 11,0…17,0; молібден 1,60…2,20; ванадій 0,20…0,40; азот 0,03…0,12; кальцій 0,02…0,05; алюміній 0,03…0,12; залізо - решта. При обгрунтування хімічного складу сталі ураховували такі властивості: межі міцності та текучості , відносні подовження та звуження , ударну в'язкість КСU у литому стані, після теплового оброблення (нормалізація від 1050^оС та відпуск при 760^оС) та при температурі 600^оС, а також тривалу міцність протягом 10 тис. годин роботи (табл. 1).

Використання цієї сталі дозволить підвищити експлуатаційну стійкість роликів, скоротити витрати металу та збільшити міжремонтні терміни. Склад цієї сталі був запантований.

Таблиця 1. Механічні властивості сталі розробленого складу

Вплив хімічного складу сталі 20Х25Н19С2Л на механічні властивості заготовок у литому стані проводили методом симплекс-решітчастого планування. На основі одержаних даних були розраховані рівняння регресії у виді поліномів неповного третього ступеня, які використовували для побудови діаграм «склад - властивість» (рис. 1). Границя міцності при розтягу змінювалася з 466 до 535 МПа, границя текучості - з 241 до 323 МПа, при достатньо високій пластичності; максимальні значення цих властивостей забезпечувалися за зниженого вмісту хрому та підвищених вмістах кремнію і нікелю. Для відносного подовження і ударної в'язкості визначені наявні екстремуми, які відповідають області 25,5% хрому, 19,2% нікелю і 2,6 % кремнію.

Міцнісні властивості дослідних сталей зберігаються на високому рівні після теплового оброблення: в сталі 20Х25Н19С2Л більш стабільними стають показники пластичності та ударної в'язкості, а в сталі 17Х12МФЛ - високі пластичні властивості, особливо, відносне звуження.

У четвертому розділі наведені результати з удосконалення конструкції біметалевих роликів та визначення рівня параметрів їх лиття. Були обґрунтовані і запропоновані геометричні та конструктивні параметри біметалевих заготовок, що забезпечували необхідну міцність і жорсткість роликів. Вони склали 295 х (3745) х 3600 мм і 330 х (3545) х 3600 мм відповідно для роликів діаметром 270 і 300 мм. Геометричні параметри заготовок та вимоги до них були викладені в ТУ 14-3-1230-83 «Трубы центробежнолитые двухслойные для составных роликов МНЛЗ».

Визначені параметри відцентрового лиття біметалевих заготовок: товщина шару і рівномірність покриття на внутрішній поверхні кокілю, температура заливання першого та другого шарів, швидкість обертання при заливанні, масова швидкість заливання та ін.

Первісно були відлиті одношарові заготовки розмірами 295 х 220 х 3600 мм і 330 х 250 х 3600 мм з двох сталей 20Х25Н19С2Л і 17Х12МФЛ для уточнення геометричних розмірів і маси металу зовнішнього шару заготовок. За даними вимірювань температури вільної поверхні зовнішнього шару були складені попередні циклограми технології лиття біметалевих заготовок, визначено час випуску і заливання першого та другого металів.

Заливку другого металу при литті обох сполучень робили на незатверділу вільну поверхню першого металу при температурі контакту на 10, 20, 30^оС нижче за температуру ліквідус першого металу. Лиття біметалевих заготовок діаметром 295 мм робили без запису кривих затвердіння, тому що задній торець кокілю був закритий пробкою через техніку безпеки.

Перший (зовнішній) метал заливали при температурі 1530…1560^оС зі швидкістю (14,1…19,4)х10^-3 т/с при частоті обертання виливниць 12,5…13,3 с^-1. Заливання першої порції другого (внутрішнього) металу робили при температурі 1550…1570^оС, другої порції - 1540…1560^оС через заданий інтервал часу при швидкості обертання виливниці 15,0…16,6 с^-1.

Першу порцію другого металу заливали при досягненні температури на вільній поверхні першого металу, яка визначається з виразу Т₁ = Т_лікв1 (2040) х А х L, де Т₁ - температура вільної поверхні першого сплаву по довжині виливка, ^оС; Т_ликв1 - температура ліквідус першого сплаву, ^оС; А - емпіричний коефіцієнт зміни температури на вільній поверхні першого сплаву, що дорівнює 4…8^оС/м; L - відстань від кінця форми з боку заливання металів та шуканої в заданому перерізі, м. Заливання першої порції другого металу робили при досягненні температури вільної поверхні першого металу в задньому кінці виливниці 1440…1455^оС, тобто на 15…30 ^оС нижче за температуру ліквідус (Т_лікв = 1470 ^оС).

Другу порцію сплаву внутрішнього шару заливали при досягненні температури на вільній поверхні першої порції в кінці, протилежному заливанню, значення якої визначається з виразу Т₂ = Т_лікв2 + (1020), де Т₂ - температура вільної поверхні першої порції другого сплаву в кінці, протилежному заливанню, ^оС; Т_лікв2 - температура ліквідус другого сплаву, ^оС. Заливання другої порції другого сплаву робили при досягненні температури вільної поверхні першої порції другого металу в задньому кінці форми 1520…1530^оС.

За даними температурних вимірювань і фотограми часу при литті біметалевих заготовок були складені циклограми технології лиття заготовок розмірами 290х240х150х 3600 мм) з двох дослідних біметалевих пар (рис. 3).

За розробленою технологією було відлито дослідну партію біметалевих заготовок кожного розміру сполучень металів. Максимальне відхилення граничного діаметру від заданого (25…30 мм) спостерігали на відстані 50 мм від переднього торця виливка, що пов'язано з розмиваючою дією струму другого металу та великою товщиною незакристалізовавшегося шару металу з боку вільної поверхні у переднього торця заготовки. Менше відхилення граничного діаметру від заданого (10 мм) спостерігається на відстані 1000 мм від переднього торця.

Дослідження макроструктури відрізаних кілець показало, що зі зменшенням часу розриву між заливанням першого і другого металів відбувалося збільшення зони змішування двох металів, а зі збільшенням - незварюваємість та з'явлення шлакових включень на границі двох металів. Крім того, встановлено, що при відхиленні форми покриття від циліндричної відбувається утворення тріщин з боку зовнішнього шару.

Аналіз макроструктури кілець від біметалевих заготовок показав: у всіх випадках спостерігалося збільшення граничного діаметру у напряму від заднього кінця заготовки до переднього, надійне сполучення шарів біметалу досягалося при заливанні другого металу на незатверділий перший в діапазоні температур на його вільній поверхні між ліквідус і солідус, точніше на 5…20^оС нижче температури ліквідус.

Оптимальний проміжок часу між заливками першого та другого металів для сполучень сталей 20Х25Н19С2Л-20Л, 17Х12МФЛ-20Л і діаметрів 295 і 330 мм складав відповідно 460, 360 і 520,420 20 с.

Аналіз геометричних розмірів відлитих заготовок показав, що практично у всіх випадках діаметр переднього кінця заготовок збільшувався у порівнянні з заданим (320 мм), що пояснюється розмиваючою дією потоку першого металу.

З метою одержання постійної величини граничного діаметру по довжині заготовки були відлиті біметалеві заготовки з застосуванням піщаного покриття диференційованої та рівномірної товщини по довжині кокілю. Встановлено, що при литті біметалевих заготовок доцільне застосування теплозахисного покриття диференційованої товщини з метою зміни зменшення граничного діаметру по довжині заготовок.

З метою підвищення конструкційної міцності роликів за рахунок зміни співвідношень товщин шарів біметалу було встановлено, що оптимальна величина граничного діаметру, діаметру з'єднання шарів, для роликів діаметром 0,30 м складала 0,25 м, а для ролика діаметром 0,27 м - 0,22 м.

Дослідження залишкових ливарних напружень у біметалевих заготовках до теплового оброблення показало, що максимальна величина напружень у зовнішньому шарі складала - 439,4 МПа (припустимі напруження до 490 МПа), а у внутрішньому шарі - 426,9 МПа (припустимі напруження до 308 МПа). Після теплового оброблення (нормалізація з високим відпуском) напруження складали - 79,6 та 88,5 МПа у зовнішньому та внутрішньому шарах заготовок, відповідно.

Виконаний розрахунок ливарних напружень, що виникають в біметалевих заготовках при охолодженні, показав, що максимальні розтягуючі і стискуючі напруження утворюються при 250^оС відповідно у внутрішньому ( = 240 МПа) та зовнішньому (= -170 МПа) шарах. Тому теплове оброблення литих заготовок слід проводити з гарячого посаду (температура не нижче 550^оС), тобто після високотемпературної стадії теплового оброблення перед другою - не охолоджувати заготовки нижче 550^оС.

У п'ятому розділі наведені результати по дослідженню якості поверхонь (сітки розпалу, тріщин) та зносостійкості одночасно працюючих біметалевих та серійних кованих роликів. В кованих роликах тонкі термостомлені тріщини замикалися та утворювали сітку розпалу вже після 250 плавок. До кінця регламентного терміну (1500…1600 плавок) глибина тріщин збільшувалася і в окремих роликах утворювалися кільцеві тріщини. Найураженішою сіткою розпалу була центральна частина бочки роликів. Рання поява сітки розпалу пришвидшувала процес зносу бочки ролика, який носить корозійно - абразивний характер. Пояснюється це збільшенням площі поверхні кованого ролика (при появі сітки розпалу), що контактує з окислювальним середовищем гарячої пари і води. Знос бочок кованих роликів після 1650 плавок складав 2,25…3,1 мм (рис. 4).

В роликах з біметалевою бочкою перші (тонкі) волосовидні термостомлені тріщини з'являлися після 1000 плавок, причому довжина їх не перевищувала 10 мм. До кінця міжремонтного терміну (1650 плавок) ці тріщини не замикалися у сітку розпалу й в центральній частині ролика на довжині бочки 250…300мм. Знос біметалевих бочок роликів після 1650 плавок не перевищував 0,1 мм у роликів діаметром 270 мм (рис. 4 крива 4) та 0,2 мм у роликів діаметром 300 мм. Як свідчили результати вимірювань, знос біметалевих роликів на порядок нижче за серійні ковані ролики із сталі 25Х1М1Ф. Дослідження залишкових мікронапружень показало, що в зовнішньому шарі роликів були стискуючі напруження величиною 442,2 МПа, а у внутрішньому - 244,2 МПа. Таким чином, виявлено, що після 1650 плавок у біметалевому ролику зберігається сприятливий розподіл напружень, величина їх значно нижче за границю міцності сталей біметалу (табл. 2).

Таблиця 2. Механічні властивості матеріалу роликів після 1650 плавок

Таким чином, за період експлуатації в один міжремонтний термін механічні властивості сталі зменшувалися, в середньому, на 30…40%.

Особливістю структури робочої поверхні роликів виконання 17Х12МФЛ-20Л та 17Х12МФЛ-22ХМФЛ після експлуатації була поява смужки, котра оточувала дендритні гілки, а в зернах аустеніту роликів виконання 20Х25Н19С2Л-20Л при травленні реактивом Гросбека виявили -фазу; помітних змін в структурі матеріалу внутрішніх поверхонь не було.

Результати роботи пройшли випробування на металургійному комбінаті «Азовсталь» (акт від 14.11.85 р), що дозволило розробити рекомендації по заміні кованих роликів литими з підвищеною у 2…2,5 рази стійкістю.

Висновки

У дисертації наведені теоретичні узагальнення і нові рішення науково-технічної задачі, яка полягає у розробці наукових основ по визначенню параметрів виготовлення відцентроволитих біметалевих роликів, що забезпечують суттєвий вплив на структуру і властивості роликів з метою підвищення їх стійкості. На основі

проведених теоретичних і експериментальних досліджень отримані наступні наукові і практичні результати.

1. Аналіз сучасного стану виробництва роликів зони вторинного охолодження МБЛЗ і відповідної науково-технічної літератури виявив, що робота спрямована на розробку наукових основ технології виготовлення сталевих відцентроволитих біметалевих роликів МБЛЗ підвищеної стійкості, дослідження експлуатаційних властивостей та освоєння технології їх виробництва, є актуальною.

2. Для виконання поставлених в роботі завдань використовували апробовані методи та сучасне устаткування для плавлення сталей, проведення хімічного, металографічного, рентгеноспектрального, дилатометричного аналізів, визначення фізико-механічних властивостей та методів математичного планування експериментів і обробки експериментальних даних.

3. Аналіз роботи та причин виходу з ладу роликів показав, що умови їх роботи у зоні вторинного охолодження МБЛЗ характеризуються високими знакозмінними силовими та термічними навантаженнями, що пояснюється малою швидкістю обертання роликів, великою різницею температури поверхні ролика з боку слябу й протилежного, перепадом температури по перерізу стінки та довжині бочки ролика, великим металостатичним напором з боку безперервнолитої заготовки, що твердіє. Через це в роликах виникає сітка розпалу, кільцеві тріщини, знос поверхні та відбувається налипання матеріалу заготовки на поверхню роликів. Перелічені дефекти значно зменшують термін роботи сталевих роликів. Підвищення надійності та працездатності роликів досягнуто визначенням параметрів виготовлення відцентроволитих біметалевих роликів, в тому числі створенням раціональної їх конструкції, вибором матеріалу з високою зносо- та розпалостійкістю, а також технологічних параметрів лиття й теплового оброблення роликів.

4. Вперше розроблені раціональні технологічні конструкції литих біметалевих роликів МБЛЗ, котрі є ліпшою альтернативою серійним кованим роликам.

5. Досліджено вплив основних хімічних елементів (С, V, Mo, Ni, Cr та ін.) на мікроструктуру та властивості робочого шару, перехідної зони та внутрішнього шару біметалевих відцентроволитих роликів різних виконань. Показано, що підвищення вмісту вуглецю в комплекснолегованих сталях аустенітного, ферито-мартенситного та перлітного класів забезпечує необхідну структуру робочого і внутрішнього шарів та високий рівень механічних властивостей матеріалу роликів.

6. Вперше розроблений раціональний склад комплекснолегованої сталі для робочого шару роликів зони вторинного охолодження МБЛЗ, що містить (мас. %): вуглець 0,15…0,30; кремній 0,20…0,60; марганець 0,20…0,80; хром 11,0…17,0; молібден 1,60…2,20; ванадій 0,20…0,40; азот 0,03…0,12; кальцій 0,02…0,05; алюміній

0,03…0,12; залізо - решта. Застосування цієї сталі дозволяє підвищити експлуатаційну стійкість роликів, скоротити витрати металу та збільшити міжремонтні терміни.

7. Побудовані діаграми «склад - властивість» для сталі 20Х25Н19С2Л. Межа міцності при розтягу змінюється з 466 до 535 МПа, межа текучості - з 241 до 323 МПа, при достатньо високій пластичності; максимальні значення цих властивостей забезпечуються за умов зниженого вмісту хрому та підвищених вмістах кремнію і нікелю. Для відносного подовження і ударної в'язкості визначені наявні екстремуми, які відповідають області 25,5% хрому, 19,2% нікелю і 2,6 % кремнію.

8. Міцнісні властивості дослідних сталей зберігаються на високому рівні після теплового оброблення: в сталі 20Х25Н19С2Л більш стабільними стають показники пластичності та ударної в'язкості, а в сталі 17Х12МФЛ - високі пластичні властивості, особливо відносне звуження.

9. Встановлено, що вирішальний вплив на формування внутрішніх ливарних напружень виявляють фазові перетворення матеріалів шарів. Розроблено режими теплового оброблення роликів, в тому числі, з гарячого посаду: теплове оброблення необхідно проводити з гарячого посаду (не нижче за 550^оС) або другу ступінь оброблення починати з цієї температури.

10. Залишкові ливарні напруження в робочому шарі заготовки виконання 17Х12МФЛ-22ХМФЛ складали - 439,4 МПа, а у внутрішньому шарі - 426,9 МПа, що за абсолютною величиною перевищувало припустиме 308 МПа. Після теплового оброблення заготовок за розробленим режимом напруження зменшувалися до - 79,6 і 88,5 МПа, відповідно.

11. Визначені співвідношення товщин робочого і внутрішнього шарів біметалевих роликів з умов одержання у ньому мінімальних залишкових напружень.

12. При литті біметалевих роликів з метою зменшення зміни товщини робочого шару по довжині заготовок доцільно застосовувати теплозахисне покриття диференційованої товщини.

13. Визначені параметри технологічних процесів відцентрового лиття біметалевих заготовок різних виконань.

14. Знос роликів дослідної партії склав 0,2…0,4 мм за припустимого - 3,5…4 мм. Промислове випробування розроблених конструкцій, хімічних складів і технологічних процесів відцентрового лиття заготовок дозволило підвищити стійкість роликів у 2…2,5 рази.

15. Результати роботи пройшли випробування на металургійному комбінаті «Азовсталь» (акт від 14.11.85 р), що дозволило розробити рекомендації по заміні кованих роликів литими з підвищеною у 2…2,5 рази стійкістю. Крім того, розроблені теоретичні положення використовуються в навчальному процесі в розділах лекційних курсів з дисциплін «Теоретичні основи ливарного виробництва», «Виробництво виливків із спеціальних легованих та модифікованих чавунів і сталей» і «Спеціальні і особливі способи лиття» (акт від 25.02.09 р.).

Основний зміст роботи викладено в публікаціях

ролик сталь біметалевий

1. Хитько Л.А. Выбор сплавов и разработка технологии центробежного литья биметаллических заготовок для роликов МНЛЗ / Л.А. Хитько // Теория и практика металлургии. - 1998. - № 4. - С. 33 - 34.

2. Адамов И.В. Выбор сплавов и разработка технологии центробежного литья биметаллических заготовок для роликов МНЛЗ / И.В. Адамов, Л.А. Хитько // Центробежное литье - прогрессивный технологический процесс производства труб и заготовок ответственного назначения: сб. науч. тр. / АН УССР. Ин-т пробл. литья. - К., 1990 - С. 73 - 78.

3. Жукаев В.И. Исследование центробежного литья биметаллических труб сочетания сталь 20Х25Н19С2Л + сталь 20 для роликов МНЛЗ / В.И. Жукаев, И.В.Адамов, Л.А. Хитько, Н.В. Сабанский // Научно - технический прогресс в производстве труб: тематич. сборн. науч. трудов. - М.: Металлургия, 1987. - С. 52 - 55.

4. Адамов И.В. Сигма - фаза в сталях с 12 % хрома / И.В.Адамов, Ю.К. Бунина, Н.В. Сабанский, Л.А. Хитько // Теория и практика металлургии. - 1999. - № 4. - С. 54 - 56.

5. Калинин В.Т. Ликвационные процессы в модифицированных Fe-C расплавах при литье роликов и валков / В.Т. Калинин, Л.А. Шапран, Л.Х. Иванова, А.А. Кондрат// Системные технологии: сб. науч. тр.- Д.: НМетАУ, 2008.- № 5(58).- С. 89 - 94.

6. Иванова Л.Х. Выбор и оптимизация химического состава материалов для роликов МНЛЗ / Л.Х. Иванова, Л.А. Шапран, С.А. Щурова // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. Вып. 48, ч. 2.- Д.: ПГАСА, 2009.- С. 137-142.

7. Шапран Л. А. Совершенствование конструкции биметаллической центробежнолитой заготовки ролика МНЛЗ / Л.А. Шапран, Л.Х. Иванова, О.В. Соценко // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2009.- № 2.- С. 28 - 31.

8. Шапран Л.А. О стойкости роликов зоны вторичного охлаждения слябовых МНЛЗ / Л.А. Шапран, Л.Х. Иванова // Східно-Європейський журнал передових технологій.- 2009.- № 2.- С. 10-15.

9. Иванова Л.Х. Выбор оптимального сочетания свойств материала для центробежнолитых биметаллических роликов МНЛЗ / Л.Х. Иванова Л.А. Шапран // Теория и практика металлургии.- 2009.- № 1-2.- С. 49 - 52.

10. А.с. 1290726 СССР, МКИ В22D 11/12. Сталь / И.В. Адамов, В.И. Жукаев, В.Д. Сурженко, Л.А. Хитько и др. (СССР). - № 3899926/31-02; заявл. 21.05.1985; опубл. 15.10.1986, Бюл. № 42.

11. А.с. 1329899 СССР, МКИ В22D 11/12. Ролик машины непрерывного литья заготовок / И.В. Адамов, А.В. Бородин, В.И. Жукаев, Л.А. Хитько и др. (СССР). - № 4047293/31-02; заявл. 01.04.1986; опубл. 15.04.1987, Бюл. № 30.

12. Адамов И. В. Совершенствование литых роликов для зоны вторичного охлаждения МНЛЗ / И.В. Адамов, Н.В. Сабанский, Л.А. Хитько, А.А. Руденко, В.Д.Сурженко // Состояние и перспективы развития центробежного литья: Республ. науч.-техн. семинар, нояб. 1984 г.: тезисы докл. - К., 1984. - С. 30 - 31.

13. Жукаев В.И. Центробежное литье биметаллических труб для роликов МНЛЗ / В.И. Жукаев, Н.В. Сабанский, Л.А. Хитько, В.А. Кругленко, Г.С. Горелов, В.И. Соя // Состояние и перспективы развития центробежного литья: Республ. науч.-техн. семінар, нояб. 1984 г.: тезисы докл. - К., 1984. - С. 31 - 32.

14. Сабанский Н.В. Неоднородность структуры и свойств центробежнолитых крупногабаритных биметаллических заготовок для роликов МНЛЗ / Н.В. Сабанский, В.И. Жукаев, Л.А. Хитько, В.И. Соя // Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок: V Республ. науч.-техн. конф., июль 1990 г.: тезисы докл., П том - Д., 1990. - С. 38 - 40.

15. Адамов И.В. Изменение структуры литой хромоникелевой стали в процессе эксплуатации роликов МНЛЗ / И.В. Адамов, Ю.К. Бунина, Н.В. Сабанский, Л.А. Хитько // Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок: V Республ. науч.-техн. конф., июль 1990 г.: тезисы докл., П том - Д., 1990. - С. 40 - 41.

16. Адамов И.В. Разработка конструкции ролика зоны вторичного охлаждения МНЛЗ / И.В. Адамов, В.И. Жукаев, Л.А. Хитько // Механизация и повышение эффективности технологических процессов производства отливок металлургического оборудования: IV Республ. науч.-техн. конф., окт. 1986 г.: тезисы докл. - Д., 1986. - С. 136 - 137.

Размещено на Allbest.ru