Патент на изобретение №2171731

(54) СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК РОЛИКОВ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК

(57) Реферат:

Изобретение относится к литейному производству, в частности к технологии центробежного литья заготовок роликов (МНЛЗ). При изготовлении заготовок роликов расплав металла мартенситно-ферритного класса заливают во вращаемую изложницу, при этом в расплав вводят порошкообразные модифицирующие добавки. После образования наружного слоя заготовки заданной толщины порошкообразные модифицирующие добавки продолжают вводить в расплав, равномерно уменьшая их расход до нуля. Одновременно вводят в расплав порошок железа, равномерно увеличивая его расход от нуля до 1,5-3,0% от количества заливаемого металла в секунду. После образования промежуточного слоя из смеси модифицирующих добавок и порошка железа толщиной 2-4 мм продолжают ввод порошка железа до окончания заливки металла в изложницу. Создание промежуточного слоя обеспечивает стабилизацию объемных и линейных расширений по глубине слоев заготовки, что исключает образование трещин в процессе термических напряжений, возникающих в ролике. Достигается увеличение срока службы роликов. 2 ил.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к технологиям центробежного суспензионного литья заготовок роликов нулевой секции и зоны вторичного охлаждения машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Известен способ центробежного литья полых заготовок (SU, A1, 1320012, 1985 г., 4МПК В 22 D 13/02). Способ заключается в том, что производят заливку металла во вращаемую изложницу и на поверхность жидкого металла вводят дозированные порции порошков легирующих материалов с плотностью большей плотности жидкого металла. В качестве порошков легирующих материалов используют материал на основе ферробора, который вводят в изложницу через 5-20 с после окончания заливки металла. Получают внутренний слой заготовки после закалки ТВ4 твердостью 45-48 HRC.

Недостатком известного способа является невозможность использования его для отливки полых заготовок, используемых для изготовления роликов МНЛЗ, так как при термических перепадах в процессе эксплуатации роликов МНЛЗ велика вероятность появления трещин между слоями в роликах, имеющих разные коэффициенты линейных и объемных расширений. Для роликов МНЛЗ необходима высокая термостойкость, износостойкость и стойкость к температурным перепадам наружного слоя, что не достигается указанным выше способом.

Известен способ центробежного литья заготовок роликов МНЛЗ (Сборник научных трудов, АН, UA, Институт проблем литья, “Центробежное литье – прогрессивный технологический процесс производства труб и заготовок ответственного назначения”, Киев, 1990 г., с. 56-59), который заключается в том, что производят заливку расплава металла мартено-ферритного класса во вращаемую изложницу и вводят в расплав металла перед заливкой его в изложницу порошкообразные модифицирующие добавки до образования наружного слоя заготовки глубиной 5-8 мм с последующим вводом порошка железа ПЖ-Ч в течение всего времени заливки расплава металла в изложницу.

В качестве исходного металла использована сталь, содержащая,% (по массе): 0,05-0,12 C; 0,6 Mn; 0,4 Si; 12-14 Cr; 1,6-2,2 Ni; 1,2-1,8 Ma; 0,2-0,4 V; 0,35-0,55 Nb; 0,005-0,01 РЗМ.

Порошкообразные хромоникелевые добавки играли в процессе кристаллизации роль охладителя и модификатора, а частицы карбида вольфрама обеспечивали повышение износостойкости и термостойкости стали. Частицы порошка железа ПЖ-Ч выполняли роль микрохолодильников и способствовали образованию в расплаве металла дополнительных активных центров кристаллизации и управляли формированием структуры литого металла.

Хотя этот способ и повышает износостойкость и термостойкость роликов МНЛЗ, но у него сравнительно низкая стойкость к термическим напряжениям, возникающим по глубине тела ролика МНЛЗ. Циклический перепад температур (400-800^oC), имеющий место в зоне перехода слоя смеси карбида вольфрама и хромоникелевого сплава в слой с порошком железа, создает неблагоприятные условия для воздействия напряжения на металл в этой зоне. Разные коэффициенты объемного и линейного расширения в слоях могут вызвать образование микро- и макротрещин в этой зоне и может произойти разрушение наружного слоя тела ролика МНЛЗ.

В основу изобретения поставлена задача создания такого способа центробежного литья заготовок роликов МНЛЗ, который исключил бы образование границ раздела между слоями металла с разными порошкообразными добавками и, тем самым, стабилизировал температурные напряжения между слоями в теле ролика МНЛЗ сглаживанием объемных и линейных расширений в слоях, имеющих различные коэффициенты объемных и линейных расширений, что исключит вероятность появления микро- и макротрещин на наружном – рабочем слое ролика МНЛЗ.

Поставленная задача решается тем, что в способе центробежного литья заготовок роликов МНЛЗ, включающем заливку расплава металла мартенситно-ферритного класса во вращаемую изложницу с вводом в расплав перед заливкой его в изложницу порошкообразных модифицирующих добавок до образования наружного слоя заготовки и ввод порошка железа, согласно изобретению, после образования наружного слоя заготовки, порошкообразные модифицирующие добавки продолжают вводить в расплав металла, равномерно уменьшая их расход до нуля, при одновременном вводе в расплав порошка железа, в этот же период времени равномерно увеличивая его расход от нуля до 1,5-3,0% от количества заливаемого расплава металла в секунду до образования промежуточного слоя в заготовке смеси порошкообразных модифицирующих добавок и порошка железа толщиной 2-4 мм, с последующим продолжением ввода порошка железа до окончания заливки металла в изложницу.

Создание промежуточного слоя между наружным слоем в заготовке с введенными в него порошкообразными модифицирующими добавками и слоем с введенным в него порошком железа ПЖ-Ч обеспечивает стабилизацию объемных и линейных расширений по глубине слоев заготовки. Возникающие в результате температурные напряжения имеют место при контакте ролика МНЛЗ с непрерывнолитой заготовкой, особенно в “нулевой” секции МНЛЗ и внутренним охлаждением роликов водой.

Коэффициенты объемных и линейных расширений промежуточного слоя плавно изменяются от максимальных значений этих коэффициентов от наружного к внутреннему слоям. Стабилизация температурных напряжений между слоями достигается наличием промежуточного слоя толщиной 2-4 мм.

При толщине промежуточного слоя менее 2 мм достигнуть стабилизации температурных напряжений между слоями в заготовке ролика МНЛЗ затруднительно, так как добиться при такой малой толщине промежуточного слоя достаточно плавного перехода от слоя к слою не представляется возможным. По технологии процесса литья время образования слоя в процессе литья заготовки 2-3 с.

Увеличение толщины промежуточного слоя более 4 мм уже не влияет на повышение стабилизирующего эффекта, так как перепад температур по глубине ролика в процессе его эксплуатации в этой зоне уже не велик и не опасен для возникновения резких температурных напряжений в слоях. Кроме того, при увеличении толщины промежуточного слоя более 4 мм фактически увеличивается расход легирующих или модифицирующих порошкообразных добавок, что влечет за собой удорожание ролика МНЛЗ. Оптимальная толщина промежуточного слоя составляет 3 мм.

Расход порошка железа ПЖ-Ч составляет 1,5-3,0% от количества заливаемого расплава металла в секунду.

При уменьшении расхода порошка железа менее 1,5% от количества заливаемого металла в секунду не происходит значительного измельчения зеренной структуры в объеме заготовки ролика МНЛЗ и не повышаются его прочностные свойства при достаточно большой протяженности изменений структурных зон заготовки ролика МНЛЗ.

Увеличение расхода порошка железа более 3,0% нецелесообразно, так как не оказывает заметного влияния на морфологические изменения в кристаллической структуре заготовки ролика МНЛЗ.

Оптимальный расход порошка железа составляет 2% от расхода заливаемого металла в изложницу в секунду.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием примера его осуществления с использованием технологического оборудования и графика заливки металла и порошкообразных добавок, приведенных на прилагаемых чертежах, на которых
фиг. 1 изображает схему заливного устройства;
фиг. 2 – график заливки металла с модифицирующими порошкообразными добавками и порошком железа ПЖ-Ч.

Способ центробежного литья заготовок роликов МНЛЗ заключается в заливке расплава металла мартенситно-ферритного класса во вращаемую изложницу с вводом в расплав перед заливкой его в изложницу порошкообразных модифицирующих добавок до образования наружного слоя заготовки и ввод порошка железа, согласно изобретению, после образования наружного слоя заготовки порошкообразные модифицирующие добавки продолжают вводить в расплав металла, равномерно уменьшая их расход до нуля, при одновременном вводе в расплав металла порошка железа, в этот же период времени равномерно увеличивая его расход от нуля до 1,5-3,0% от количества заливаемого металла в секунду до образования промежуточного слоя смеси порошка модифицирующей добавки и порошка железа толщиной 2-4 мм с последующим продолжением ввода порошка железа до окончания процесса заливки металла в изложницу.

В качестве расплава металла, заливаемого во вращаемую изложницу, использовали сталь мартенситно-ферритного класса, содержащую,% (по массе): 0,05-0,12 углерода; 1,2-1,8 молибдена; 0,1-0,6 марганца; 0,1-0,4 кремния; 12-14 хрома; 1,6-2,2 никеля, 0,2-0,4 ванадия; 0,35-0,55 ниобия; 0,005-0,01 РЗМ.

Отливали заготовку ролика МНЛЗ с наружным диаметром 150 мм, длиной 980 см, толщиной стенки 40 мм и массой 100 кг.

В емкость 1 (фиг. 1) загружали модифицирующий порошкообразный материал, например диоксид циркония, а в емкость 2 – порошок железа ПЖ-Ч. Заливку расплава металла с температурой 1570-1580^oC осуществляли из ковша 3 в заливочную чашу 4, и расплав металла по носку попадал во вращаемую изложницу 6.

В момент начала заливки металла в заливочную чашу 4 осуществляли подачу порошка ZnO₂ в чашу 4, при этом производили подъем полого штока 7 с конической насадкой 8 емкости 1. Через образовавшийся щелевой зазор порошок попадал в трубу 9 и с помощью инертного газа, вдуваемого через полый шток, транспортировался в заливочную чашу 4. Регулирование расхода подачи порошка ZnO₂ осуществляли изменением давления инертного газа и величиной подъема штока 7 с насадкой 8.

Модифицирующий порошок вводили в чашу 4 с расходом 66 г/с (2% от объема заливаемого металла в период времени ввода порошка ZnO₂) в течение 4 с заливки металла (фиг. 2) до образования наружного слоя заготовки ролика МНЛЗ глубиной 3 мм.

После 4 с с момента начала заливки металла в чашу 4 расход ввода модифицирующего порошка равномерно уменьшали до нуля в течение последующих 4 с. Одновременно, после первых 4 с с момента заливки металла в чашу 4 и введения модифицирующего порошка, в чашу 4 вводили порошок железа ПЖ-Ч, увеличивая равномерно его расход, обратно пропорционально уменьшению расхода порошка ZnO₂ в течение 4 с до 66 г/с, что составляет 2% от объема заливаемого металла в изложницу в последние 26 с. Общее время заливки металла в изложницу 6 через чашу 4 составило 30 сек. Регулировку подачи порошка железа осуществляли аналогично регулированию подачи порошка модифицирующей добавки. Расход металла составлял 3,3 кг/с (фиг. 2).

В лабораторных условиях были отлиты 10 полых заготовок с разным количеством вводимого порошка железа относительно объема заливаемого металла, %: (1,4; 1,5; 2,0; 3,0; 3,5) и разной толщиной промежуточного слоя, в мм: (1, 2, 3, 5, 7). Кроме того, была отлита для сопоставления заготовка без промежуточного слоя с количеством вводимого порошка железа, составляющим 2% от количества заливаемого металла в секунду.

Заготовки подвергались термическим напряжениям, циклично нагревая их в электропечи до температуры 1000^oC и охлаждая водой, пропуская ее через полость заготовки, до температуры 300^oC. Количество циклов составило – 200.

После проведения рентгенодефектоскопического и графического анализов в заготовке без промежуточного слоя были обнаружены микротрещины, исходящие от границы между слоями с разными порошкообразными добавками радиально в сторону внешней поверхности заготовки.

В заготовках, имеющих промежуточный слой смеси порошка железа и порошка модифицирующей добавки, микротрещин не обнаружено. В заготовке с толщиной промежуточного слоя 1 мм были видны локальные участки, не разделенные промежуточным слоем, что может, при увеличении длительности термоциклирования, особенно под нагрузкой, вызвать образование трещин. В заготовках с толщиной промежуточного слоя 2-4 мм видно четкое разделение слоев в заготовке промежуточным слоем. Дальнейшее увеличение толщины промежуточного слоя не влияет на разделение границ слоев заготовки, однако увеличивает стоимость изготовления заготовок роликов МНЛЗ.

В заготовке, где количество вводимого порошка железа составляло 1,4% от заливаемого металла в секунду, были видны зоны с крупными зернами, т.е. не было равномерного распределения в объеме слоев заготовки мелкозернистости, что ухудшает механические свойства отливки заготовки.

В заготовках с количеством вводимого порошка железа 1,5; 2,0; 3,0% от количества заливаемого металла в секунду мелкозернистость равномерно распределена по всему объему слоев заготовки. Дальнейшее увеличение расхода порошка железа фактически не влияет на однородность и зернистость стали и при этом повышает стоимость изготовления заготовок.

Предложенное изобретение может быть использовано промышленным способом в металлургической промышленности для изготовления из заготовок литья роликов МНЛЗ и позволит увеличить их срок службы. Это достигается исключением образования трещин в процессе термических напряжений, возникающих от перепада температур по глубине тела ролика в процессе непрерывного литья заготовки МНЛЗ.

Формула изобретения

Способ центробежного литья заготовок роликов машин непрерывного литья заготовок, включающий заливку расплава металла мартенситно-ферритного класса во вращаемую изложницу, ввод в расплав порошкообразных модифицирующих добавок до образования наружного слоя заготовки заданной толщины и последующий ввод в расплав порошка железа, отличающийся тем, что после образования наружного слоя заготовки заданной толщины продолжают вводить в расплав модифицирующие добавки, равномерно уменьшая их расход до нуля, и одновременно в этот же период времени вводят в расплав порошок железа, равномерно увеличивая его расход от нуля до 1,5 – 3,0% от количества заливаемого расплава в секунду, до образования промежуточного слоя из смеси модифицирующих добавок и порошка железа толщиной 2 – 4 мм, затем продолжают ввод порошка железа до окончания заливки.

РИСУНКИ