СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОТЛИВКИ ТОЛСТОСТЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК
METHOD OF CENTRIFUGAL STEEL THICK-WALL BILLET CASTING

Изобретение относится к литейному производству, в частности к центробежному литью, и может быть использовано в производстве труб в качестве ресурсосберегающей технологии взамен горячедеформированных для изготовления паропроводов атомных и тепловых энергоблоков из стали 08Х18Н10Т, 15Х1М1Ф и др.
При изготовлении толстостенных стальных заготовок с толщиной стенки 0,03-0,20 м во вращающейся форме, из-за длительного их формирования, наблюдается двусторонний процесс кристаллизации как с внешней, так и с внутренней поверхностей отливки, который приводит к образованию в зоне соприкосновения двух фронтов кристаллизации усадочных дефектов в виде раковин и пор, т.е. к браку отливки.
Наряду с этим вследствие длительного процесса выравнивания угловых скоростей жидкого металла по сечению толстостенных отливок появляется структурная неоднородность, резко снижающая их физико-механические свойства.
Известен способ центробежного литья под шлаком (авторское свидетельство 444605, кл. B22D 13/00, 1972), при котором в расплав вводятся горючие компоненты, например алюминий с добавкой окислителя на заливочном желобе, что приводит к реакции с выделением тепла на свободной поверхности отливки и предотвращению встречного фронта затвердевания.
Недостатком указанного способа является сложность процесса утепления внутренней поверхности отливки и его ненадежность в практическом исполнении, а во многих случаях невозможность его применения, например, при изготовлении паропроводных труб из теплоустойчивой стали 15Х1М1Ф, когда при незначительном содержании алюминия наблюдается снижение их физико-механических свойств.
Известен способ центробежного литья под жидким флюсом (авторское свидетельство 445514, кл. B22D 13/00, 1973), при котором, наряду с подачей флюса на струю металла, вводят металлический порошок в количестве 1-5% от массы металла.
Недостатком указанного способа является загрязнение неметаллическими включениями металла отливки за счет окисных пленок на поверхности металлических порошков и снижение эффективности утепляющего воздействия флюса на внутреннюю поверхность отливки, из-за ввода разнородных по своим свойствам элементов - утеплителя (флюса) и охладителя (металлический порошок).
2
Наиболее близким к заявленному изобретению (прототипом) является способ центробежной отливки стальной заготовки (авторское свидетельство 1135541, кл. B22D 13/00, 1983), при котором для повышения качества толстостенной заготовки форму вращают с частотой, соответствующей гравитационному коэффициенту 80-200 на наружной поверхности заготовки, металл заливают со скоростью 70-100 кг/с, а шлак подают после кристаллизации 8-10% слоя залитого металла, при этом футеровочное покрытие используют с термическим сопротивлением 0,02-0,04 м К/Вт.
Применение этого способа выявило следующие недостатки:
- введение утепляющего шлака на внутреннюю поверхность металла отливки после кристаллизации 8-10% слоя залитого металла приводит к появлению в период от начала заливки до ввода шлака второго фронта кристаллизации и образованию усадочных дефектов в виде раковин и пор в сечении отливки;
2
- использование теплоизоляционного покрытия на рабочей поверхности изложницы в виде кварцевого и цирконового песка с высоким значением термического сопротивления (0,02-0,04 мК/Вт) приводит, наряду с образованием сильного пригара на поверхности отливки, к замедлению теплопередачи с наружной ее поверхности, а следовательно, к нарушению процесса направленного затвердевания и появлению в отливке, наряду с усадочными дефектами, ликвационной неоднородности;
- использование гравитационного коэффициента:
2
ωR/g=80-200,
где ω - угловая скорость, 1/с,
R - внешний радиус отливки, м,
2
g - ускорение силы тяжести, м/с,
с учетом внешнего радиуса отливки, а не внутреннего, приводит к заниженным значениям частоты вращения формы и увеличению периода выравнивания угловых скоростей жидкого металла, что способствует образованию структурной неоднородности по сечению толстостенной отливки.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в устранении указанных недостатков, путем создания направленной кристаллизации и ускоренного выравнивания угловых скоростей заливаемого металла, обеспечивающих плотную и однородную структуру металла отливки с высокими физико-механическими свойствами.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый способ центробежной отливки толстостенных стальных заготовок, включающий нанесение теплоизоляционного покрытия на рабочую поверхность изложницы, заливку металла и подачу флюса в форму, отличающийся тем, что изложницу вращают с частотой, соответствующей гравитационному коэффициенту 110-230 по внутреннему диаметру отливки, а на ее рабочую поверхность наносят теплоизоляционную краску с толщиной слоя 0,0016-0,0019 м и, одновременно с началом заливки металла со скоростью 41-90 кг/с, на его свободную поверхность вводят теплоизолирующий флюс с толщиной слоя 0,004-0,008 м, при этом отношение термических сопротивлений слоя флюса к слою краски составляет 2-6. Заявленный диапазон значений гравитационного коэффициента на внутренней поверхности отливки 110-230 способствует образованию однородной структуры по сечению отливки.
При величине гравитационного коэффициента на внутренней поверхности отливки ниже 110 вовлечение жидкого металла до частоты вращения формы становится настолько продолжительным, что появляется ликвационная неоднородность и полосчатость, которая приводит к расслоению металла толстостенных отливок.
Повышение величины гравитационного коэффициента на внутренней поверхности отливки сверх 230 приводит к поверхностным трещинам.
Нанесение теплоизоляционной краски на рабочую поверхность изложницы толщиной слоя 0,0016-0,0019 м позволяет обеспечить интенсивное охлаждение отливки с внешней ее поверхности, что способствует ее направленному затвердеванию.
Использование толщины слоя теплоизоляционной краски менее 0,0016 м приводит к появлению ужимин на поверхности толстостенных заготовок, а применение толщины слоя краски более 0,0019 м способствует уменьшению ее прочности и смыву с внутренней поверхности изложницы под напором струи жидкого металла.
Заливка металла с массовой скоростью 41-90 кг/с обеспечивает достаточно быстрое перемещение металла при изготовлении толстостенных заготовок во вращающейся форме и отсутствие дефектов на их поверхности.
При величине массовой скорости заливки металла менее 41 кг/с происходит уменьшение продольной скорости жидкого металла во вращающейся форме и появление спаев и неслитин на поверхности отливки, а при ее величине более 90 кг/с происходит размыв теплоизоляционной краски в месте падения заливаемого металла.
Введение флюса одновременно с началом заливки жидкого металла позволяет обеспечить защиту внутренней поверхности металла от появления встречного фронта кристаллизации и предотвратить образование усадочных дефектов в сечении стенки отливки.
Толщина слоя флюса в диапазоне 0,004-0,008 м позволяет обеспечить защиту внутренней поверхности от охлаждающего влияния атмосферы воздуха, интенсивно циркулирующего во внутренней полости отливки.
Толщина слоя флюса менее 0,004 м оказывается недостаточной для защиты внутренней поверхности отливки от появления встречного фронта затвердевания, что способствует появлению усадочных дефектов в отливке, а при толщине слоя флюса более 0,008 м происходит его упрочнение, что затрудняет извлечение флюса из полости отливки.
При отношении термических сопротивлений слоя флюса к слою краски 2-6 обеспечивается необходимый баланс выделяемого тепла для создания направленного затвердевания отливки от наружной ее поверхности к внутренней с предотвращением усадочных дефектов.
При отношении термических сопротивлений слоя флюса к слою краски менее 2 происходит нарушение процесса направленного затвердевания отливки и появление в ней усадочных дефектов, а при указанном отношении более 6 возрастает прочность флюса, что затрудняет его извлечение из отливки.
Пример осуществления предлагаемого способа
Способ использован в производственных условиях ЗАО НПО «Ахтуба» при изготовлении заготовки трубы из коррозионностойкой стали марки 08Х18Н10Т, предназначенной для элементов оборудования АЭС.
Размеры заготовки: внешний диаметр 0,360 м, внутренний диаметр 0,260 м, длина 3,7 м.
Выплавка металла производилась в индукционной печи с основной футеровкой емкостью 1,5 т.
Заливку металла осуществляли в изложницу центробежной машины с горизонтальной осью вращения.
Нанесение теплоизоляционной краски толщиной слоя 0,0016 м производили на внутреннюю поверхность изложницы, нагретой до 200°С, с помощью покрасочного устройства с распылительной головкой.
2
Термическое сопротивление слоя краски составляет 0,005 мК/Вт.
Заливка металла осуществлялась при температуре 1540°С через заливочное устройство во вращающуюся форму со скоростью 44 кг/с.
Химический состав металла имел следующие значения, %: С=0,06, Mn=1,3, Si=0,6, Ti=0,5, Cr=18,l, Ni=10,4, S=0,015, P=0,030, N=0,04, Co=0,04.
Заданная толщина стенки заготовки (0,05 м) обеспечивалась дозированной массой заливаемого металла в количестве 1405 кг с помощью электронных весов, подвешенных на крюк крана.
2
Одновременно с началом заливки на струю металла вводили флюс (из расчета толщины слоя флюса 0,005 м на свободной поверхности отливки) с термическим сопротивлением 0,013 мК/Вт.
Отношение термического сопротивления слоя флюса на свободной поверхности отливки к слою краски на рабочей поверхности изложницы составляет 2,6.
После затвердевания толстостенной заготовки ее извлекли из изложницы с помощью лебедки, поместив на вращающийся рольганг, и направили на дробеструйную очистку.
Внешний осмотр отливки показал, что ее поверхность не имеет пригара, а также дефектов типа трещин, неслитин и спаев.
Контроль механических свойств металла производили на образцах, вырезанных из незаливочного конца отливки.
После термической обработки (аустенизация) их уровень при комнатной (20°С) и рабочей (350°С) температурах соответствует требованиям, предъявляемым на горячедеформированные трубы из этой марки стали (таблица).
Исследование макроструктуры металла труб по их длине и сечению показало, что усадочные дефекты в виде раковин и пор отсутствуют, а структура отличается однородностью.
Контроль качества металла труб на загрязненность неметаллическими включениями, величину зерна, стойкость против межкристаллической коррозии, а также загиб образцов выявил полное соответствие указанных характеристик требованиям технических условий на горячедеформированные трубы из стали 08Х18Н10Т.
Таким образом, заявленный способ центробежной отливки толстостенных стальных заготовок позволяет устранить характерные для этого вида отливок дефекты в виде усадочных раковин и пор, а также структурной неоднородности и гарантировать высокий уровень физико-механических свойств, превышающий уровень свойств горячедеформированных труб для элементов оборудования АЭС.
Наряду с этим использование стальных центробежно-литых толстостенных труб взамен горячедеформированных позволяет повысить коэффициент использования металла в 2,5-3 раза и производительность труда в 3,0-4,0 раза, снизить расход энергоресурсов в 3,5-5,0 раз, а также значительно улучшить экологическую обстановку в процессе их производства.