Напряжение в крупных стальных слитках с волнистыми гранями и кюмпельным дном

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004р. Вип.№14

УДК 621.746.62

Большаков Л.А.1 Вус И.В.2

НАПРЯЖЕНИЯ В КРУПНЫХ СТАЛЬНЫХ СЛИТКАХ С ВОЛНИСТЫМИ ГРАНЯМИ И КЮМПЕЛЬНЫМ ДНОМ

Магнитным и тензометрическим методами измерения определены остаточные напряжения в крупной отливке, при этом впервые дана сопоставимая оценка способов контроля, направления действия и значений главных напряжений. Максимальные растягивающие напряжения величиной от 100 до 140 МПа образуются в донной части слитка и на поверхности его широкой грани.

Конструктивные параметры листовых слитков и изложниц существенно влияют на качество отливаемой стали, производительность слябинга, выход годного, расходные коэффициенты и срок службы изложниц. Форма слитка и технология его отливки должны обеспечивать равномерное распределение в нем напряжений. Их величина в слитке не должна превышать определенных критических значений, при которых возникают поверхностные и внутренние трещины.

Для предупреждения образования горячих трещин в корке затвердевающей стали поверхность граней слитка выполнятся волнистой. Доказано [1], что при волнистой конфигурации поверхности слитка быстрее происходит формирование достаточно толстой корковой его зоны. Такой затвердевающий слой слитка более равномерно воспринимает образующиеся напряжения в начальный период кристаллизации стали и лучше противостоит ферростатическому давлению жидкого металла. Однако, имеются данные [2], что при большом радиусе волн слитки поражаются внутренними трещинами, а при малом радиусе волн затрудняется подготовка изложниц к заливке (очистка и смазка) и резко сокращается срок их службы. Это происходит из-за быстрого разгара и разрушения выпуклых участков стенок, обращенных внутрь полости. При этом ухудшается качество проката, - возникает большое количество плен прокатного происхождения.

Таким образом, конфигурация поверхности слитка определяется в зависимости от факторов, оказывающих наибольшее влияние на возникновение дефектов и оптимальных условий эксплуатации изложниц. Например, применением в верхней части изложницы теплоизоляционных плит для утепления прибыльной части слитка спокойной стали и необходимостью реставрации ее внутренней поверхности.

Для оценки напряжений в слитках используется аналитические [3,4] и экспериментальные [1] методы исследования, среди последних важное место занимают фотоупругое моделирование динамики изменения напряжений под нагрузкой на прозрачных анизотропных моделях, рентгенографический способ их измерений на образцах, вырезанных из стальных отливок с боковой конфигурацией профиля слитка. Из других разрушающих тензометрических методов измерения напряжений не получили применения для металлургических слитков стали способ вырезания столбиков [5] и классический метод сострагивания слоев [6].

В последнее время для исследования напряжений в крупных отливках все шире начинают применять неразрушающие методы контроля, в частности магнитный метод [7-9]. К сожалению, в литературе еще не достаточно данных по распределению напряжений в слитках холодной садки в нагревательные колодцы, в том числе слитков с волнистыми гранями и кюмпельным дном. Кроме того, в литературе мало сопоставимых результатов измерения остаточных напряжений в отливках магнитным и тензометрическим методами.

1 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.

2 ПГТУ, аспирант

Одной из задач исследования является оценка инвариантности контроля измерения остаточных напряжений в отливке указанными методами. Второй задачей, - является оценка магнитным методом напряженного состояния крупного слитка, охлажденного после затвердевания стали на воздухе.

Инвариантность измерения напряжений магнитным и тензометрическим методами

Остаточные напряжения образуются только тогда, когда термические, фазовые и усадочные напряжения в совокупности создают напряжения, превышающие предел текучести,

и вызывают неравномерную пластическую деформацию в различных зонах отливки. Оценку остаточных напряжений проводили в изложнице, характеристика которой приведена в табл.1. Напряжения измеряли на ее наружной широкой грани: по ее центру на расстояниях 630, 1400 и 2200 мм от основания; между углом и центром на уровне 1400 и 2200 мм от низа.

Вначале тарированным магнитоупругим датчиком [7,8] в указанных местах определили значение и направление главных остаточных напряжений о х, о у, tg(p. Затем в тех же

участках исследовали напряжения

тензодатчиками, для чего наклеивали розетки или равносторонние треугольники из трех проволочных тензорезисторов 2ПКБ-5-100ГБ. Коэффициент тензочувствительности (S) тензодатчика по паспортным данным составляет:

S =

где Аг - изменение сопротивления тензодатчика; R - сопротивление тензодатчика; А/ - деформация датчика; / - база датчика.

После подготовки тензодатчиков к работе участки отливки вокруг розеток последовательно высверливали полым сверлом с внутренним диаметром 45 мм на глубину 36 мм, равную 0.8 внутреннего диаметра. Толщина кольцевой канавки в отливке от прохода сверла составляла 5 мм. В результате остаточные напряжения с этого участка поверхности изложницы снимаются и он переходит в ненапряженное состояние, при этом изменяется омическое сопротивление датчиков.

Деформацию исследуемой поверхности определяли по изменению омического сопротивления тензодатчиков, измерение которого проводили мостом постоянного тока типа МО - 62. По направлению главных осей деформации sx, s рассчитывали по известным формулам [6]. Главные напряжения и угол между ними подсчитывали по формулам [6,7]:

axy=E

tg

где ¡л - коэффициент Пуассона;

Е - модуль упругости материала.

В табл.2 сопоставляются остаточные напряжения в различных участках изложницы, определенные магнитным (числитель) и тензометрическим (знаменатель) методами.

Как видно из табл.2, величина напряжений, измеренная методом магнитной анизотропии, больше на 7-10% напряжений, полученных измерениями с помощью тензодатчиков. Различие в величине напряжений объясняется тем, что метод магнитной анизотропии дает показания напряжений в слое чугуна 5-7 мм, а тензодатчик показывает деформацию поверхности отливки.

Таблица 1- Параметры изложницы К - 4В

Параметр Характеристика

Масса изложницы, т 21,43

Внутренние размеры: внизу вверху 1350x880 1300x810

Высота изложницы, мм 2600

Толщина стенки, мм: внизу вверху 250/270* 215/235

^ Числитель -узкая грань, знаменатель -широкая

Получены следующие средние значения напряжений (МПа) с доверительными границами, вычисленные для малого числа измерений по распределению Стюдента:

для магнитного метода ох =0.43±0.05, <7 = — 0.43±0,05; для тензометрического способа <7х =0,41±0,06, ст,. = - 0,38±0,05. В данном случае, доверительные границы определили

как произведение средней квадратической ошибки на коэффициент равный 1,14. Несмотря на

универсальность способа вырезания столбика, при его применении большое внимание надо уделять качеству приклейки датчиков и стабильности их показаний. Наклеенные датчики должны плотно соединяться с поверхностью отливки и сохранять это соединение при всех ее перемещениях, связанных с вырезанием столбиков. Кроме того, необходимо тщательно следить, чтобы компенсационный датчик, наклеенный на отдельный брусок чугуна и включенный в измерительную схему, имел всегда такую же температуру, что и основные рабочие датчики, наклеенные на отливку. Из-за нагрева металла при высверливании розетки сверлом датчики могут давать неверные показания, вследствие местной релаксации, искажающей первоначальное поле напряжений. Поэтому для исследования остаточных напряжений в слитках использовали метод магнитной анизотропии.

Характеристика слитка, изложницы и градировочная кривая

Изложница УВС-23 является универсальной, так как может использоваться как для разливки спокойных, так и кипящих марок сталей. Указанные в табл.3 данные относятся к слитку из кипящей стали. Внутренняя поверхность узкой и широкой граней изложницы волнистая по всей ее высоте. На широкой внутренней грани изложницы расположено девять волн, а на узкой - три волны. Радиус сопряжения граней слитка 50 мм, уклон их составляет

2,5 %. Волна образуется радиусом 170 мм и 70 мм, шаг волны на гранях 150 мм, высота гребня волны 20 мм. Радиус сопряжения волн на гребне 10 мм. Транспортные приливы у изложницы расположены снизу и сверху на узкой грани.

Донная часть слитка высотой 300 мм образуется фигурным поддоном. Углубление в поддоне для получения донной части слитка по большим его сторонам выполнено под углом 71,5° к основанию. Противоположные стороны узких граней слитка в донной части сопряжены радиусом 1000 мм. Изложница заполняется жидкой сталью сверху. Продолжительность нахождения слитка в изложнице составляет 2,8 ч.

Для измерения напряжений применили малогабаритный прибор [7,8] с магнитоупругим датчиком, применимым к работе на литой необработанной поверхности. Для тарирования

Таблица 2 - Главные напряжения и угол между ними

Расстояние от низа, мм Место измерения Напря М] жение, Па Угол <Р

°х

630 По центру 0.46 0.42 -0.46 -0.42 80° 86°2'

1400 0.59 0.58 -0.59 -0.47 80° 81°6'

2200 0.43 0.44 -0.45 -0.37 50° 49°4'

1400 Между центром и углом 0.32 0.27 -0.32 -0.24 85° 89°3'

2200 0.32 0.33 -0.32 -0.42 80° 78°

Таблица 3 - Параметры слитка и изложницы

Параметр Характеристика

Масса слитка при высоте налива 1900 мм, т 18,7

Масса изложницы, т 20,2

Внутренние размеры, мм: внизу вверху 1650x850 1545x745

Высота изложницы, мм 2100

Толщина стенки, мм: внизу вверху 270/280*-1 255/260

Глубина поддона, мм 300

Масса поддона, т 9,5

^ Числитель - узкая грань, знаменатель -широкая грань

прибора из исследованного слитка вырезали темплеты. Механической обработкой темплеты доводили до размеров 400x90x20 мм, сохраняя литую наружную поверхность на одной широкой стороне. Магнитоупругий датчик во время тарирования крепили к литой поверхности образца и для каждой нагрузки, развиваемой прессом, подсчитывали напряжения. Средняя погрешность измерения, обусловленная шероховатостью литой поверхности образца, составляла не более 0,5 % измеряемой величины. На рис.1 приводится градуировочная кривая

показания прибора в мка (Г10~ь а) от величины напряжений в МПа для стали Зкп. Градуировочная кривая в начале с повышением нагрузки до 100 МПа несколько прогнута к оси абсцисс. Дальнейший рост нагрузки сопровождается почти линейной зависимостью между показаниями индикатора магнитной анизотропии и численными значениями напряжения. При больших нагрузках нарушается линейность градуировочной кривой.

Остаточные напряжения е слитке

Напряжение в слитке измеряли после его извлечения из изложницы и охлаждения на воздухе до температуры окружающей среды. На рис. 2 приведена схема измерения напряжений по высоте и периметру слитка. Расположение линий измерения напряжений выбрано таким образом, чтобы можно получить полное представление о характере напряженного состояния всей боковой поверхности слитка. Линии измерений по высоте слитка расположены посредине узкой (I) и широкой (IV) граней, в углу (II) и между углом и серединой широкой грани (III). На гранях слитка напряжения измеряли в углублениях волн. На каждой линии проводили измерения в 14-и различных точках: в донной части слитка в 6-и различных местах с интервалом 50 мм по высоте, на гранях слитка с интервалом 250 мм в 8-и участках по высоте.

Напряжения в слитке холодной садки начинают формироваться с момента начала кристаллизации стали. Силовое взаимодействие затвердевающего в изложнице слитка обуславливается внутренними и внешними силами. Внутренние силы появляются в результате неравномерного температурного поля и разновременного протекания фазовых превращений в объеме слитка. Эти силы приводят к образованию так называемых термических и фазовых напряжений. Внешние силы вначале определяются ферростатическим давлением и поверхностным трением. Силы поверхностного трения возникают сразу после образования корочки затвердевающей стали. Тонкая усадочных процессов, вначале не может преодолеть силы трения. Она плотно прижата ферростатическим давлением к внутренней поверхности волнистой изложницы и поддону, оказывается как бы "наклеенной" на эти поверхности и не в состоянии перемещаться относительно их при ее усадке. В этот период корка затвердевающего слитка перемещается вместе с расширяющейся изложницей. Изложница же, интенсивно нагреваясь, деформируется, в результате релаксации ранее возникших в ней литейных и эксплуатационных напряжений. Тонкая затвердевшая оболочка стали оказывается под силовым давлением с двух противоположных сторон: изнутри приложенным ферростатическим давлением и снаружи деформационными силами изложницы. Тангенциальные напряжения в затвердевающей оболочке стали несравненно больше радиальных. В сечении тонкой корки можно их принять

у *

О 100 200 300

а, МПа

Рис. 1 - Градуировочная кривая образца стали Зкп

1555

Рис.2 - Линии измерения

напряжений в слитке

корочка стали, из-за начавшихся

г

I

хппг^

постоянными и одинаковыми. Соотношение между главными тангенциальными напряжениями в элементе оболочки с ферростатическим давлением Р описывается уравнением Лапласа [10]:

°т/гт+о,/г,= Щ,

где (7m,(7i - тангенциальные меридианальные и экваториальные напряжения; гт,гг -радиусы кривизны поверхности в тех же направлениях; £ - толщина корки.

Применяя это выражение к цилиндрической оболочке (как бы к одной волне слитка /'( = х ). уравнение принимает вид

<7 = г  Р/Е, (5) В начальный период, когда корка металла как бы "наклеена" на волнистые грани изложницы, ферростатическое давление способствует рассредоточению деформации металла. Этому так же способствуют волны, так как увеличивается общая площадь поверхности контакта. Горячие трещины в этот период возникнуть не могут. Опасность разрушения корки металла под действием

ферростатического давления появляется после её отхода от поверхности изложницы. Отрыв корки с образованием зазора происходит тогда, когда действующие в ней внутренние силы из-за усадки стали уравновесят ферростатическое давление, т.е. при условии: о  £ >Р • г

Левая часть неравенства зависит от свойств металла и толщины корки, поэтому в начальный период формирования слитка как это отмечалось выше, отрыв её невозможен, так как толщина корки и ее прочность еще малы. Отрыв будет наступать тем позже, чем больше давление Р и радиус кривизны г. Прежде всего зазор образуется на поверхности с малым радиусом кривизны, т.е. в глубине волны, затем происходит отрыв поверхностей с большими радиусами кривизны и плоских участков изложницы, например, гребешков волн. Следовательно, по мере утолщения корки слитка и её отхода от части внутренней поверхности возникает новая внешняя сила связанная с затрудненной усадкой, из-за образования заливов в кюмпельной части слитка, его приваривания к поддону и запоздалого отхода корки от гребешков волн в изложнице. В дальнейшем после стрипперования слитка из изложницы в нем продолжают развиваться с более высокой скоростью термические напряжения. Условия охлаждения различных частей слитка в этот период тоже неодинаковы. Медленее охлаждается донная часть слитка. Неравномерно охлаждаются грани слитка, из-за существующих окружающих воздушных потоков -сквозняков. Все выше сказанное отражается на характере распределения напряжений в слитке.

На рис.3 сопоставляются напряжения в слитке вдоль узкой (I) и широкой (IV) граней, угла (II) и между углом и серединой широкой грани (III). Общим для всех линий измерений является факт растягивающих напряжений в донной части слитка. Обследование показало, что вблизи разъема между изложницей и поддоном в отдельных местах поверхности слитка имеются трещины горячего типа. Эти трещины являются следствием затрудненной усадки

200

100

го

С

0

О

-100

-200

200

100

а

с

г 0

ь

-100

-200

200

100

а

с

г 0

ь

-100

-200

200

100

а

с

г 0

ь -100

-200

А III А

г- 1тГ

IV N Г71~

ип> —1 II \А 1

2400

0 600 1200 1800 Высота, мм

Рис.3 - Напряжения в слитке: I - узкая грань; II - угол; III, IV - широкая грань.

стали, вследствие образования заливов по разъему оснастки. Изменение знака напряжений с плюса на минус по высоте слитка наблюдаются вблизи разъема вдоль узкой грани (I) и углу слитка (II). В центральной часть широкой грани слитка (III и IV) по всей высоте возникают растягивающие напряжения. Это объясняется тем, что в углах слитка возникают реактивные, переменные по величине, изгибающие моменты, под действием которых грани подвергаются сложной криволинейной деформации. Конфигурацию кюмпельной части слитка следует изменить и уменьшить её по объему за счет увеличения тела слитка, отливаемого в изложницу.

Выводы

1. Получены сопоставимые значения величины остаточных напряжений в отливке, определенные магнитным и тензометрическим методами. При этом дана оценка направления действия и уровня главных напряжений для плосконапряженного состояния отливки. Датчики разных способов измерений напряжений при работе дают показания измеряемых величин для разной толщины слоя поверхности отливки.

2. Для листового слитка стали с волнистыми гранями и кюмпельным дном впервые выявленна закономерность распределения остаточных напряжений по всей его поверхности.

3. Кюмпельная часть слитка, образованная литьем в фигурный поддон, имеет преимущественно напряжения растягивания, волнистая узкая грань - напряжения сжатия, а центральная часть широкой волнистой грани - напряжения растяжения.

4. Напряжения по высоте резко изменяется вблизи разъема между изложницей и поддоном. Максимальные растягивающие напряжения величиной от 100 до 140 МПа образуются в кюмпельной части слитка и на поверхности верхней части волнистой широкой грани слитка.

5. Полученные закономерности распределений напряжений могут быть использованы для совершенствования геометрических параметров вновь конструируемых слитков, так как, очевидно, количество волн на гранях слитка можно уменьшить: на узкой грани устранить, а на широкой грани оставить по одной две слева и справа между углом и центром.

Перечень ссылок

1. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали / В.А. Ефимов. - М.: Металлургия, 1976. -552 с.

2. Тришевский И.С. Слитки и изложницы I И.С. Тришевский, Б.И. Панич, H.A. Николаенко. -К.: ГИТЛ УССР, 1959.-221с.

3. Недопекин Ф.В. Математическое моделирование термоупругих напряжений в затвердевающем стальном слитке / Ф.В. Недопекин, В.В. Белоусов, А.Е. Солонаръ II Пром. теплотехника. - 1988. - Т. 10, № 1. - С. 48-52.

4. Самойлович Ю.А. Теоретические исследования термических напряжений в стальных слитках и поковках / Ю.А. Самойлович, А.Е. Шайкина II Сталь. - 1967. - №12. - С. 1090.

5. Цобкалло С.О. Измерение остаточных напряжений путем вырезания столбика / С.О.Цобкалло, Д.М. Васильев II Заводская лаборатория. - 1949. - №2. - С. 199 - 207.

6. Воздвиженский В.М. Контроль качества отливок / В.М. Воздвиженский, A.A. Жуков,

B.КБастраков. - М.: Машиностроение, 1990. - 240с.

7. Скребцов A.M. Снижение расхода изложниц на металлургических предприятиях / А.М.Скребцов, Л.А. Большаков, А.Г. Чоповский. - К.: Вища школа, 1987. - 91с.

8. Большаков Л.А. Экспериментальное исследование напряженного состояния изложниц / Л.А. Большаков, А.Г. Чоповский II Повышение стойкости изложниц. - М.: 1972. - №2. -

C.108-110.

9. Большаков Л.А. Напряжения в крупных листовых слитках холодной садки в нагревательные колодцы / Л.А. Большаков // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: Mapiymwib, 2003. - Вип.13. - С.96 - 100.

10. Власов В.Е. Общая теория оболочек и её приложение к технике / В.Е. Власов. - М.: Машгиз, 1949. - 784 с.

Статья поступила 12.02.2004