Конструкция крупных слитков и оснастка для их отливки

Принципы конструирования крупных слитков

Форма слитков и технологические процессы их производства должны гарантировать высокие качественные параметры изделий и заготовок. Выполнение многих из требований, предъявляемых технологами к слитку, в значительной степени достигаются удачной конструкцией слитка, которая определяется его параметрами.

Обычно требования, предъявляемые к слитку технологами, заключаются в минимальном развитии определенных видов дефектов и обеспечении плотной и однородной осевой зоны слитка, что очень важно при производстве поковок, особенно из легированных и высоколегированных качественных сталей.

С увеличением массы слитка многие из рассмотренных в предыдущей главе дефектов получают большее развитие. Например, с увеличением массы слитка получает сильное развитие внецентренная ликвация, области скопления примесей в верхней части слитка и зона отрицательной ликвации в нижней части. Поэтому при конструировании придерживаются принципа использования слитка минимальной массы, рассчитанного на одну поковку, причем геометрическая форма слитка должна быть по возможности приближена к форме готового изделия.

Основными параметрами слитка, определяющими его геометрическую форму, являются: отношение высоты тела слитка Н к среднему приведенному диаметру D; конусность; форма поперечного и продольного сечений.

Наиболее распространенная геометрическая форма крупных слитков – многогранник, уширенный кверху или книзу, имеющий от шести до шестнадцати вогнутых граней (чаще всего восемь). Исключение составляют некоторые слитки специального назначения, имеющие квадратное, прямоугольное и круглое сечение.

При этом важнейшим параметром, характеризующим слиток, является отношение H/D. Чем больше это отношение, тем глубже в слитке располагаются усадочные дефекты, получает более глубокое расположение усадочная рыхлость и сильнее развивается осевая V-образная неоднородность, которые связаны с усадочными перемещениями жидкого металла.

В зависимости от отношения Н/D принята следующая классификация крупных слитков:

1. Слитки критической высоты с отношением (Н/D)кр, в которых горизонтальное и вертикальное затвердевание достигает середины верха слитка одновременно.
2. Удлиненные слитки, имеющие отношение Н/D больше критического и характеризующиеся завершением затвердевания в горизонтальном направлении.
3. Укороченные слитки, имеющие отношение Н/D меньше критического и характеризующиеся завершением процесса затвердевания в вертикальном направлении.

В удлиненных слитках преимущественное развитие получает последовательная кристаллизация, вследствие чего затвердевание верхней части их осевой зоны завершается в горизонтальном направлении на вертикальной оси. Удлиненные слитки характеризуются относительно слабо развитой Л - образной неоднородностью, резко выраженной осевой V-образной неоднородностью, неплотностью осевой зоны, обусловленной при последовательном затвердевании неплотным смыканием неравномерно растущих в условиях недостатка жидкой фазы дендритов, продвигающихся с противоположных сторон.

Большинство крупных слитков относится к укороченному типу и завершает кристаллизацию в вертикальном направлении. Чем меньше отношение Н/D, тем значительнее вертикальное затвердевание опережает горизонтальное. Из производственной практики известно, что слитки с повышенной конусностью и малым отношением Н/D отличаются меньшей осевой рыхлостью и меньшей V – образной неоднородностью.

Конусность слитка К исчисляют в процентах, как отношение разности поперечных размеров его оснований к высоте:

Величина конусности оказывает существенное влияние на степень развития усадочной рыхлости и осевой неоднородности в слитке. Принято считать, что чем больше конусность расширяющейся к верху изложницы, тем выше, при прочих равных условиях, направленность затвердевания слитка снизу вверх. Под направленностью затвердевания в данном случае следует понимать направление распространения твердой фазы в некотором преимущественном направлении.

В то же время, повышенная конусность уменьшает перемещение осевых объемов жидкого металла при затвердевании и этим способствует получению более плотной и однородной осевой части слитка. Чем больше конусность слитка, тем короче усадочная раковина и тем меньшее развитие получает осевая неоднородность.

На практике мероприятия, направленные на снижение физической или химической неоднородности, весьма часто имеют взаимно противоположные векторы воздействия. Например, при уменьшении отношения Н/D улучшаются условия питания жидким металлом прибыли тела слитка, что в принципе приводит к повышению физической однородности строения слитка. Вместе с тем, в этом случае получает повышенное развитие осевая и внецентренная ликвация. Это отрицательно сказывается на механических свойствах металла по сечению слитка и, тем самым, и на эксплуатационных свойствах изделия, поскольку при последующем переделе слитка (ковке) дефекты химической неоднородности строения слитка не исчезают. С увеличением отношения Н/D уменьшается химическая неоднородность слитка, так как возрастает скорость его затвердевания в поперечном сечении. Однако, при этом ухудшаются условия питания слитка жидким металлом прибыли, что приводит к появлению дефектов усадочного характера по оси слитка.

Современный опыт оптимизации геометрии крупных слитков свидетельствует о том, что большинство производителей слитков стремятся уменьшать отношение Н/D вплоть до значений 1,0-1,1 и менее. При этом некоторого снижения осевой и внецентренной ликвации удается достигнуть как за счет рафинирования стали в ковше, так и за счет усиления направленности затвердевания снизу вверх посредством увеличения конусности слитка.

В реальных условиях при конструировании слитков конусность назначают переменной по высоте слитков: нижнюю и подприбыльную – минимальной, а среднюю–максимальной, так как именно эта зона имеет наибольшую протяженность в осевой части слитка. Верхняя часть слитков достаточно часто имеет цилиндрическую форму, так как большинство изложниц предполагает использование внутренней («плавающей») прибыльной надставки для регулирования массы слитка.

Однако, с увеличением массы слитка получает сильное развитие внецентренная ликвация, области скопления примесей в верхней части слитка и зона отрицательной ликвации в нижней части.

Примером конструктивного подхода к рациональному выбору геометрических соотношений слитков в зависимости от их назначения может служить производство крупногабаритных листов и плит. В качестве исходных заготовок для таких изделий используют горизонтальные слитки массой 70-80 т, которые отличаются высокой степенью направленности затвердевания и меньшей ликвацией примесей.

Вместе с тем, нельзя не отметить, что изменение геометрии слитков на практике представляется весьма сложной организационной проблемой, которая включает в себя дополнительные затраты на создание нового парка изложниц и трудоемкие разработки по корректировке последующей пластической деформации слитков с измененной геометрией. Последнее должно быть жестко увязано с существующим кузнечно-прессовым (или прокатным) оборудованием, а также требованиями потребителей.