КУЗНЕЧНЫЙ СТАЛЬНОЙ СЛИТОК

Полезная модель относится к области металлургии, в частности, к области производства кузнечных слитков и может найти применение при изготовлении как сплошных, так и полых изделий.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является слиток из стали, тело которого выполнено в виде расширяющегося к верху конуса, а прибыль - в виде усеченного конуса и размещенной над ней цилиндрической частью, в которой размещена усадочная раковина.
(Смирнов А.Н., Макуров С.Л., Сафонов В.М. и др. Крупный слиток. Д.: Издательство «Металлургия». 2009. 278 с.)
Недостатком известного слитка является невоспроизводимое обеспечение плотности осевой зоны слитка, т.к. один из технологических факторов, в значительной мере влияющий на это - конусность тела слитка - не регламентирован. Между тем получение плотного слитка является необходимым условием надежной работы сплошных изделий, особенно эксплуатируемых при высоких нагрузках, а в слитках для полых изделий диаметр зоны осевой рыхлости должен быть строго определенным, не превышающим после термодеформационной обработки диаметр удаляемой центральной части.
Задачей и техническим результатом полезной модели является обеспечение гарантированного получения плотной осевой зоны слитка при изготовлении слитка для сплошных изделий и заданных размеров зоны осевой рыхлости при изготовлении слитков для полых изделий.
Технический результат достигается тем, что кузнечный стальной слиток состоит из донной части, тела и прибыльной части, причем прибыльная часть в продольном сечении имеет форму прямоугольника, равносторонней трапеции с конусностью 0,5…25% или двойной равносторонней трапеции с конусностью 80…170% нижней части (трапеции) и конусностью 0,5…25% верхней части (трапеции) при отношении высот нижней и верхней частей прибыли 0,5…4,0, при этом отношение значения нижнего поперечного размера прибыльной части слитка (длины основания фигуры продольного сечения прибыльной части слитка) к значению верхнего поперечного размера тела слитка составляет 0,75…1,00, массовая доля кюмпельной части не превышает 10%, массовая доля прибыльной части не превышает 35%, а конусность тела слитка в % удовлетворяет уравнению:
1,8…2,9
K=0,5…1,5·(H/D), %,
где H/D - отношение высоты тела слитка к его среднему поперечному размеру.
При этом, если по расчету по выше приведенной формуле конусность должна быть равна менее 2%, ее принимают равной 2%, а если конусность слитка по расчету должна превышать 20%, ее принимают равной 20%.
Такие параметры слитка позволяют обеспечить нулевую протяженность зону осевой рыхлости в слитках для сплошных изделий и допустимые размеры зоны осевой рыхлости в слитках для полых изделий.
Пояснение значений коэффициентов и параметров слитка может быть дано следующим образом с использованием рис.1, где:
а) слиток с прибыльной частью в продольном сечении в форме прямоугольника;
б) слиток с прибыльной частью в продольном сечении в форме равносторонней трапеции;
в) слиток с прибыльной частью в продольном сечении в форме двойной равносторонней трапеции;
1 - прибыльная часть;
2 - тело слитка;
3 - кюмпельная часть.
При расчете конусности слитка в зависимости от отношения Н\Д значение коэффициента пропорциональности 0,5…1,5 определяют в зависимости от диаметра удаляемой при ковке осевой части слитка - выдры. Если он равен нулю, т.е. если изделие сплошное, значение коэффициента принимают близким к 1,5, при ненулевых значениях диаметра удаляемой части коэффициент уменьшают по мере увеличение диаметра отверстия.
Значение степенного коэффициента 1,8…2,9 определяют в зависимости от соотношения Н\Д слитка - чем оно выше, тем большую конусность должен иметь слиток, соответственно тем большее значение должен иметь этот коэффициент. При значении Н\Д=1 значение коэффициента принимают равным 1,8, при Н\Д=2,5 и более - равным 2,9.
Конусность слитка не должна быть меньше 2%, т.к. при этом существенно возрастают трудозатраты на извлечение слитка из изложницы, что не может быть учтено в предлагаемой формуле расчета, учитывающей особенности только затвердевания слитка.
Ограничение максимального значения конусности слитка 20% связано с резким возрастанием трудозатрат на ковку слитка, конусность которого превышает это значение.
Расчетная величина конусности тела слитка, а также конусности нижней и верхней частей прибыли и соотношение массы прибыли к массе слитка, помимо обеспечения известной функции - простоту извлечения слитка из изложницы - дополнительно при затвердевании слитка обеспечивают оптимальный режим затвердевания металла. Предлагаемые параметры существенных признаков слитка по полезной модели обеспечивают максимальную компенсацию объемной усадки и формирование в нижней части прибыли минимально допустимых дефектов усадочного происхождения.
Прибыль с прямоугольной формой продольного сечения оптимально использовать в относительно небольших слитках массой менее 30 т.
Прибыль с формой продольного сечения в виде равносторонней трапеции оптимально использовать в более крупных слитках массой 30…100 т, т.к. такая форма прибыли снижает тепловые потери за счет уменьшения площади зеркала металла, интенсивно излучающего тепло в окружающую среду. Увеличение конусности такой прибыли свыше 25% заметно ухудшает условия захвата слитка стрипперным краном.
Прибыль, имеющая в продольном сечении форму двойной трапеции, позволяет в наибольшей мере уменьшить площадь зеркала металла, максимально уменьшив потери тепла излучением. Такие прибыли следует использовать при отливке крупных слитков, затвердевающих в течение нескольких десятков часов.
Определение конусности тела слитка в зависимости от соотношения его высоты к среднему поперечному размеру позволяет учесть захолаживающий эффект поддона, способствующий организации направленного снизу вверх затвердевания, принять во внимание особенности роста твердой корочки от стенок изложницы к оси слитка и исключить возможность назначения конусности в случаях, когда она не требуется для организации направленного снизу вверх затвердевания.
Регламентация значений соотношений значений нижнего поперечного размера прибыльной части слитка и верхнего поперечного размера тела слитка позволяет обеспечить оптимальное сочетание теплового действия прибыли и расход металла. При соотношении значений нижнего диаметра прибыльной части слитка и верхнего диаметра тела слитка менее 0,75 площадь контакта прибыли с телом слитка уменьшается до размеров, при которых обогревающий эффект прибыли становится недостаточным для обеспечения подпитки тела слитка расплавом в течение всего времени его затвердевания. При значении рассматриваемого соотношения более 1,00, во-первых, значительно увеличивается расход металла, т.к. при этом увеличивается массовая доля прибыльной части, во-вторых, при таких размерах часть тепла от прибыли начинает расходоваться на нагрев корпуса изложницы, что ухудшает тепловую эффективность прибыли и способствует нарушению условий направленности затвердевания.
Регламентация размеров донной части слитка (кюмпеля) позволяет предотвратить образование в нижней части объема кристаллизующего расплава массивного теплоаккумулятора, ухудшающего условия для направленного снизу вверх затвердевания. Подобное нежелательное влияние донной части слитка (кюмпеля) начинает значимо проявляться, когда его массовая доля превысит 10%.
Регламентация размеров прибыльной части слитка связана с тем, что при ее массовой доле более 35% тепло прибыльной части слитка начинает расходиться преимущественно на нагрев изложницы и самой себя.
Получение слитка по полезной модели можно проиллюстрировать на примере производства кузнечных стальных слитков для роторов высокого давления (изделие с необходимой плотной осевой зоной), днищ парогенераторов (изделие с необходимой плотной осевой зоной) и фланцевых обечайек корпуса реактора ВВЭР-1000 (полое изделие без осевой зоны).
Конструкторская и технологическая проработка чертежей конечных деталей показала, что масса блока годного металла, из которого посредством ковки в дальнейшем могут быть произведены рассматриваемые изделия составляет 22,5 т для ротора высокого давления, 48,5 т для днища парогенератора и 94,5 т для фланцевой обечайки.
Так как первый слиток относится к категории относительно малых, для него была выбрана цилиндрическая прибыль; для второго слитка ввиду его средней массы была выбрана прибыль с формой поперечного сечения в виде равносторонней трапеции, и для третьего слитка ввиду его массивности выбрали прибыль с формой поперечного сечения в виде двойной трапеции.
Первые два слитка были предназначены для изготовления сплошных валов, поэтому наличие в них зоны осевой рыхлости должно было быть исключено. Самый крупный слиток был предназначен для изготовления обечайки, поэтому наличие зоны осевой рыхлости определенных размеров в нем является допустимым.
Так как ротор является относительно длинномерным изделием было принято решение увеличить значение Н\Д слитка до 2,5 с целью уменьшения разброса свойств металла по концам ротора посредством уменьшения поперечного сечения и, как следствия, ускорения затвердевания.
2,8
При определении конусности слитка в зависимости от отношения Н\Д значение коэффициента пропорциональности принимали равным 1,4, т.к. диаметр удаляемой из слитка осевой части равен нулю. Значение степенного показателя при определении конусности также принимали близким к максимальному значению, а именно равным 2,8, т.к. выбранное значение Н\Д=2,5 является относительно высоким. Тогда конусность согласно уравнению K=1,4·2,5 составила 18%.
Для изготовления днища парогенератора, производимого методом секционной ковки-штамповки, был выбран слиток с низким соотношением Н\Д=1,1, что позволит несколько упростить технологию ковки, по сравнению со слитком с более высоким значением Н\Д.
1,9
При определении конусности слитка в зависимости от отношения Н\Д значение коэффициента пропорциональности принимали равным 1,4, т.к. диаметр удаляемой из слитка осевой части равен нулю. Значение степенного показателя при определении конусности принимали близким к минимальному значению, а именно равным 1,9, т.к. выбранное значение Н\Д=1,1 является относительно низким. При таком значении Н\Д и коэффициентов уравнения конусность слитка составила K=1,4·1,1=2%.
Для изготовления фланцевой обечайки был выбран слиток с низким соотношением Н\Д=1,5.
2,4
При определении конусности слитка в зависимости от отношения Н\Д значение коэффициента пропорциональности принимали равным 0,5, т.к. диаметр удаляемой из слитка осевой части велик. Значение степенного показателя при определении конусности принимали равным 2,4, т.к. выбранное значение Н\Д составляет 1,5. При таком значении Н\Д и коэффициентов уравнения конусность слитка должна составить K=0,5·1,5=1%. Это значение меньше, чем 2%, поэтому конусность слитка в соответствии с полезной моделью была назначена равной 2%.
Технология производства слитков была следующая. Разливку производили в стальные изложницы из стали 35Л. Прибыльные надставки были утеплены асбестовым картоном, огнеупорной массой, шамотным кирпичом марки Ш1 и теплоизолирующей вставкой м арки ProFax; зеркало металла засыпали теплоизолирующей смесью ТИС-Ш.
Разливку металла производили с массовой скоростью 6,0…7,5 т/мин (тело слитка) и 3,5…4,0 т/мин (прибыль). Температура металла перед разливкой составляла 1570…1590°C. Температура оснастки: изложница - 170…210°C, поддона - 130…170°C. Температура утепляющей смеси перед применением имела температуру окружающей среды (~20°C).
Последующая обработка слитков по полезной модели для ротора высокого давления и для днища парогенератора (удаление только части прибыли с усадочной раковиной, изготовление кованого вала ротора) позволила обеспечить технический результат: плотную осевую зону ротора без дефектов усадочного происхождения.
Последующая обработка слитка по полезной модели для фланцевой обечайки корпуса реактора ВВЭР-1000 (удаление, прибыльной, донной и осевой частей, изготовление обечайки) позволила обеспечить технический результат: отсутствие дефектов усадочного происхождения в годной части слитка.
В заготовке из слитка для фланцевой обечайки перед удалением осевой части была обнаружена зона осевой рыхлости, максимальный поперечный размер которой составлял 340 мм. После биллетировки и осадки диаметр дефектной зоны в поковке был равен 290 мм. Учитывая, что диаметр отверстия согласно применяемой на заводе технологии равен 950 мм, зона осевой пористости была полностью удалена.