Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке

Показано, что использование разнородных конструкций, элементов машин и механизмов в различных отраслях (энергетическом комплексе, трубопроводном транспорте, авиакосмической промышленности) позволяет получать уникальный комплекс эксплуатационных свойств, сложно достижимых при использовании однородных...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Махненко, В.И., Миленин, А.С., Козлитина, С.С., Дзюбак, Л.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2014
Назва видання:	Современная электрометаллургия
Теми:	Электрошлаковая технология
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96809
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке / В.И. Махненко, А.С. Миленин, С.С. Козлитина, Л.И. Дзюбак // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 1 (114). — С. 4-9. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-96809
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-968092016-03-21T03:03:03Z Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке Махненко, В.И. Миленин, А.С. Козлитина, С.С. Дзюбак, Л.И. Электрошлаковая технология Показано, что использование разнородных конструкций, элементов машин и механизмов в различных отраслях (энергетическом комплексе, трубопроводном транспорте, авиакосмической промышленности) позволяет получать уникальный комплекс эксплуатационных свойств, сложно достижимых при использовании однородных материалов. В этом случае возникают естественные трудности в получении разнородных деталей и заготовок с гарантированным качеством металла. Для изготовления разнородных элементов существуют различные технологические приемы, одним из которых является электрошлаковая плавка в токоведущем кристаллизаторе с жидким присадочным металлом, применяемая, в частности, для производства разнородных по высоте стальных слитков большого диаметра, используемых для валов роторов турбин. Одной из задач оптимизации технологических параметров такого процесса является минимизация склонности металла разнородного слитка к появлению холодных трещин. Для численного анализа кинетики тепловых, физико-химических и механических процессов разработали комплекс математических моделей и программных средств, посредством которых обнаружены некоторые особенности формирования переходной зоны разнородного слитка. Предложен подход относительно выбора оптимального химического состава присадочного металла и продемонстрирована возможность минимизации таким образом склонности металла слитка к образованию холодных трещин в переходной зоне. Также показано существенное влияние материала с химическим составом, отличным от оптимального, на склонность металла слитка к растрескиванию, предложены способы эффективной оптимизации процесса электрошлаковой плавки разнородных по высоте слитков для снижения риска появления такого рода дефектов. It is shown that the application of dissimilar structures, elements of machines and mechanisms in various branches (power complex, pipeline transport, aerospace industry) allows producing the unique complex of service properties, which is difficult to provide when using the similar materials. In this case the natural difficulties are encountered in producing the dissimilar parts and billets with a guaranteed quality of metal. To manufacture the dissimilar elements, there are different technological procedures, one of which is the electroslag melting in a current-carrying mould with a molten filler metal, in particular for producing of large-diameter steel ingots, dissimilar in height, used for turbine rotor shafts. One of the problems of optimizing the technological parameters of this process is the minimizing the tendency of dissimilar ingot metal to the initiation of cold cracks. A complex of mathematical models and programming means for the numerical analysis of kinetics of thermal, physical-chemical and mechanical processes was developed, owing to which some peculiarities of formation of transition zone of the dissimilar ingot were revealed. An approach was suggested for selection of optimum chemical composition of filler metal and, thus, the feasibility of minimizing the ingot metal susceptibility to the formation of cold cracks in transition zone was demonstrated. The significant influence of material with chemical composition, different from optimum one, on the susceptibility of ingot metal cracking was also shown and methods of effective optimizing the process of electroslag melting of ingots, dissimilar in height, were offered for reducing the risk of initiation of these types of defects. 2014 Article Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке / В.И. Махненко, А.С. Миленин, С.С. Козлитина, Л.И. Дзюбак // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 1 (114). — С. 4-9. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96809 669.117.56 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Электрошлаковая технология Электрошлаковая технология
spellingShingle	Электрошлаковая технология Электрошлаковая технология Махненко, В.И. Миленин, А.С. Козлитина, С.С. Дзюбак, Л.И. Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке Современная электрометаллургия
description	Показано, что использование разнородных конструкций, элементов машин и механизмов в различных отраслях (энергетическом комплексе, трубопроводном транспорте, авиакосмической промышленности) позволяет получать уникальный комплекс эксплуатационных свойств, сложно достижимых при использовании однородных материалов. В этом случае возникают естественные трудности в получении разнородных деталей и заготовок с гарантированным качеством металла. Для изготовления разнородных элементов существуют различные технологические приемы, одним из которых является электрошлаковая плавка в токоведущем кристаллизаторе с жидким присадочным металлом, применяемая, в частности, для производства разнородных по высоте стальных слитков большого диаметра, используемых для валов роторов турбин. Одной из задач оптимизации технологических параметров такого процесса является минимизация склонности металла разнородного слитка к появлению холодных трещин. Для численного анализа кинетики тепловых, физико-химических и механических процессов разработали комплекс математических моделей и программных средств, посредством которых обнаружены некоторые особенности формирования переходной зоны разнородного слитка. Предложен подход относительно выбора оптимального химического состава присадочного металла и продемонстрирована возможность минимизации таким образом склонности металла слитка к образованию холодных трещин в переходной зоне. Также показано существенное влияние материала с химическим составом, отличным от оптимального, на склонность металла слитка к растрескиванию, предложены способы эффективной оптимизации процесса электрошлаковой плавки разнородных по высоте слитков для снижения риска появления такого рода дефектов.
format	Article
author	Махненко, В.И. Миленин, А.С. Козлитина, С.С. Дзюбак, Л.И.
author_facet	Махненко, В.И. Миленин, А.С. Козлитина, С.С. Дзюбак, Л.И.
author_sort	Махненко, В.И.
title	Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке
title_short	Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке
title_full	Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке
title_fullStr	Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке
title_full_unstemmed	Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке
title_sort	моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Электрошлаковая технология
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96809
citation_txt	Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке / В.И. Махненко, А.С. Миленин, С.С. Козлитина, Л.И. Дзюбак // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 1 (114). — С. 4-9. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT mahnenkovi modelirovaniestrukturnogoinaprâžennodeformirovannogosostoânijraznorodnogostalʹnogoslitkapriélektrošlakovojplavke AT mileninas modelirovaniestrukturnogoinaprâžennodeformirovannogosostoânijraznorodnogostalʹnogoslitkapriélektrošlakovojplavke AT kozlitinass modelirovaniestrukturnogoinaprâžennodeformirovannogosostoânijraznorodnogostalʹnogoslitkapriélektrošlakovojplavke AT dzûbakli modelirovaniestrukturnogoinaprâžennodeformirovannogosostoânijraznorodnogostalʹnogoslitkapriélektrošlakovojplavke
first_indexed	2025-07-07T04:04:22Z
last_indexed	2025-07-07T04:04:22Z
_version_	1836959465628237824
fulltext	УДК 669.117.56 МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО И НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЙ РАЗНОРОДНОГО СТАЛЬНОГО СЛИТКА ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ ПЛАВКЕ В. И. Махненко, А. С. Миленин, С. С. Козлитина, Л. И. Дзюбак Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины. 03680. Киев, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua Показано, что использование разнородных конструкций, элементов машин и механизмов в различных отраслях (энергетическом комплексе, трубопроводном транспорте, авиакосмической промышленности) позволяет получать уникальный комплекс эксплуатационных свойств, сложно достижимых при использовании однородных материалов. В этом случае возникают естественные трудности в получении разнородных деталей и заготовок с гарантированным качеством металла. Для изготовления разнородных элементов существуют различные технологические приемы, одним из которых является электрошлаковая плавка в токоведущем кристаллизаторе с жидким присадочным ме- таллом, применяемая, в частности, для производства разнородных по высоте стальных слитков большого диаметра, используемых для валов роторов турбин. Одной из задач оптимизации технологических параметров такого процесса является минимизация склонности металла разнородного слитка к появлению холодных трещин. Для численного анализа кинетики тепловых, физико-химических и механических процессов разработали комплекс математических моделей и программных средств, посредством которых обнаружены некоторые особенности формирования пере- ходной зоны разнородного слитка. Предложен подход относительно выбора оптимального химического состава присадочного металла и продемонстрирована возможность минимизации таким образом склонности металла слитка к образованию холодных трещин в переходной зоне. Также показано существенное влияние материала с химическим составом, отличным от оптимального, на склонность металла слитка к растрескиванию, предложены способы эф- фективной оптимизации процесса электрошлаковой плавки разнородных по высоте слитков для снижения риска появления такого рода дефектов. Библиогр. 13, табл. 1, ил. 2. Ключ е вы е с л о в а : разнородный стальной слиток большого сечения; электрошлаковая плавка; структур- ный состав; напряженно-деформированное состояние; холодные трещины; математическое моделирование Использование разнородных элементов в современ- ных конструкциях и механизмах является одним из эффективных способов получения уникального на- бора их эксплуатационных характеристик (повы- шенная прочность, стойкость против воздействия агрессивных сред и высоких температур, сопроти- вляемость различным нагрузкам и др. [1—3]. При этом возникает необходимость в неразъемном сое- динении элементов из различных материалов, для чего требуется соответствующая оптимизация ме- талла разнородной переходной зоны с точки зрения определенного уровня эксплуатационных свойств конструкции в целом [4]. Примером таких конст- рукционных элементов являются разнородные по длине оси турбин, используемые в энергетической отрасли. Для их получения применяют электрошла- ковую сварку цилиндрических заготовок большого диаметра из различных сталей, что является трудо- емким и энергозатратным процессом. В качестве альтернативы может быть предложен процесс элек- трошлаковой плавки (ЭШП) заготовок с измене- нием состава переплавляемого металла по мере вы- плавления слитка. В Институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины разработана технология ЭШП в то- коведущем кристаллизаторе с жидким присадоч- ным металлом [5], позволяющая получать слитки большого диаметра, в том числе переменного по вы- соте химического состава (рис. 1). Одной из задач оптимизации данного технологического процесса является снижение склонности металла переходной зоны к образованию дефектов несплошности типа холодных трещин (ХТ). Необходимым условием появления ХТ является одновременное наличие в © В. И. МАХНЕНКО, А. С. МИЛЕНИН, С. С. КОЗЛИТИНА, Л. И. ДЗЮБАК, 2014 4 конкретной области металла растягивающих напря- жений, закалочных структур и диффузионного во- дорода [6, 7]. Одним из путей обеспечения хорошего качества выплавляемых способом ЭШП слитков (наряду со снижением объемной доли водорода в металле пере- плавляемого металла) служит оптимизация произ- водственных процессов с позиций минимизации ко- личества мартенситных фаз в области высоких рас- тягивающих напряжений. При этом рациональной является оценка склонности металла слитка к обра- зованию указанных дефектов при различных режи- мах плавки с помощью современных методов мате- матического и компьютерного моделирования кине- тики температурного, фазового и напряженно-де- формированного состояний металла слитка. В настоящей работе с целью численного анализа кинетики структурного и напряженно-деформиро- ванного состояний разнородного стального слитка в зависимости от его химического состава и оценки склонности металла к появлению ХТ при ЭШП раз- работаны математические модели и средства компь- ютерного моделирования. Как показано в работе [8], для минимизации переходной области между разнородными частями слитка, а также получения неглубокой и однород- ной в радиальном направлении цилиндрического слитка ванны жидкого металла оптимальным явля- ется режим, состоящий из следующих последова- тельных этапов: выплавки первой части слитка сос- тава ХI; уменьшения размеров жидкой ванны при остановке вытягивания слитка (скорость переме- щения поддона v = 0) и варьировании подводимой мощности w0; формирования переходной зоны за счет присадки металла состава ХIII; выплавки вто- рой части слитка состава ХII. Прогнозирование кинетики фазового состояния металла слитка в процессе ЭШП вплоть до его пол- ного остывания производится с учетом численного анализа температурных циклов при конкретных ре- жимах плавки, химического состава сталей слитка и диаграмм анизотропного распада аустенита (АРА). Такие диаграммы с учетом длительности выдержки выше соответствующих температур в на- стоящее время разработаны для многих сталей [9, 10]. С помощью диаграмм АРА можно оценить мас- совую часть Vn конкретной n-ной структурной сос- тавляющей (n = А, Ф, П, Б, М – соответственно аустенитная, ферритная, перлитная, бейнитная, мартенситная) в областях как чистых, так и смешан- ных фаз: аустенитная (А), аустенитно-ферритная (А + Ka), перлитная (А + F + Ka), где Ka – карбиды, бейнитная (А + F + Ka), примыкающая к зоне, ограниченной температурой начала мартен- ситного превращения и сверху температурами ниже 600 °С. Точки пересечения кривых температурных циклов T(t), характеризующиеся средней скоро- стью охлаждения в зоне 800...500 °С W8/5, опре- деляют температуры начала и конца соответствую- щих структурных превращений аустенита в n-ную фазу. Самым простым способом использования ди- аграммы АРА для конкретного цикла охлаждения с величиной [W8/5] является интерполяция данных диаграммы соответствующей стали на конкретную область, т. е. искомая величина АK при [W8/5] (W8/5 + > [W8/5] > W8/5) определяется из следую- щего соотношения: AK = AK + — AK — W8/5 + — W— 8/5 (W8/5 + — [W8/5]) + AK — , где AK + соответствует W8/5 + ; AK — – W8/5 — . Таким образом, для любой кривой охлаждения ∂T ∂t < 0 в металле рассматриваемого слитка на осно- ве соответствующей оцифрованной диаграммы АРА определяются необходимые данные относительно температур начала и конца n-ной фазы превраще- ния аустенита, длительность превращения в фазу n = Ф, П, Б, М, массовые доли начала и конца n-ого превращения Vn st, Vn e. Соответственно при температуре T(t) в момент времени t при Tn st > T(t) > Tn e относительная массо- вая доля n-ной микроструктуры Vn(t, T) определя- ется следующим образом: Vn(t, T) = Vn e 2 ⎡ ⎢ ⎣ ⎢ ⎢ Tn st — T(t) Tn st — Tn e + tn st — t tn st — tn e ⎤ ⎥ ⎦ ⎥ ⎥ + Vn st. В случае ∂T ∂t > 0 принимается условие Рис. 1. Схема ЭШП разнородного по высоте слитка большого диаметра: 1 – слиток; 2 – ванна жидкого метала; 3 – шлак; 4 – графитовая футеровка; 5 – токоведущий кристаллизатор; 6 – изолятор; 7 – кристаллизатор, шунтирующий шлаковую ванну; 8 – кристаллизатор; 9 – поддон 5 ∂Vn ∂t = 0 при Т < 800 °С; Vn ≠ A ≡ 0, VA = 1,0 при Т ≥ 800 °С. В случае, если диаграмма АРА конкретной стали не содержит подробных данных о микроструктур- ном состоянии для необходимого цикла охлажде- ния, они могут быть восстановлены с помощью со- ответствующих теоретических гипотез. В частно- сти, довольно популярной является гипотеза Авра- ми [11], используемая в сварочной литературе, со- гласно которой скорость появления новых фаз ∂V ∂t ⎪ ⎪ ⎪n ≠ A при данной температуре T(t) пропорцио- нальна содержанию остаточного аустенита VA(t), т. е. ∂Vn ≠A ∂t = — ∂VA(t) ∂t = k(T)VA(t), (1) где k(T) – функция температуры. Из уравнения (1) следует, что в температурном интервале ΔT = T2 — T1 ΔV(t) = C0 exp [—k(T)(t — t0)], где константа интегрирования С0 определяется при температуре Т1 и времени t = t0:C0 = VA(t0). Анализ напряженно-деформированного состоя- ния слитка в процессе ЭШП в данной работе про- изводили на основе численного решения задачи не- стационарной термопластичности путем прослежи- вания упруго-пластических деформаций с момента начала плавки вплоть до полного остывания слитка [12]. Связь между приращениями компонент тензо- ров напряжений Δσij и деформаций Δεij определяет- ся законом Гука и ассоциированным законом пла- стического течения исходя из следующих соотно- шений [13]: Δεij = ψ(σij — δij/σm) + δij(Kσm + Δεm) — — 1 2G (σij — δijσm) ∗ + (Kσm) ∗, где K = 1 — 2ν E ; G = E 2(1 + ν) ; E – модуль Юнга, ν – коэффициент Пуассона; σm – мембранные на- пряжения; δij – символ Кронекера; ψ – функция состояния материала, определяемая условием пла- стического течения согласно критерию Мизеса. ψ = 1 2G , если σi < σт, ψ > 1 2G , если σi = σт, где σi – интенсивность напряжений; σт – предел текучести. Для учета влияния объемных эффектов фазо- вых превращений определяются относительные ли- нейные изменения элементарного объема при нали- чии соответствующей диаграммы АРА и справоч- ных данных относительно объемного изменения со- ответствующей микроструктуры γn(T) согласно сле- дующим зависимостям, см3/г: γА(Т) = 0,12282 + 8,76⋅10—6(Т + 273) + 2,13⋅10—6С; γМ(Т = 0,12708 + 4,448⋅10—6(Т + 273) + 2,79⋅10—3C; γФ(Т) = γП(Т) = γБ(Т) = 0,12708 + + 5,528⋅10—6(Т + 273), где С – содержание углерода, %. Предполагается, что в каждом достаточно малом элементарном объеме слитка температура и свойст- ва имеют постоянные значения, а также сохраняется масса. Тогда относительное изменение линейных размеров данного элементарного объема Δϕ, связан- ное с изменением температуры и микроструктур за временной отрезок Δt = tk — tk — 1, при известных γn(T) и Vn(T, t) можно представить в виде Δϕ = ∑ n = A, ..., M Vn(T, tk)γn(Tk) — ∑ n = A, ..., M Vn(T, tk — 1)γn(Tk — 1) 3 ∑ n = A, ..., M Vn(T0, 0)γn(T0) , где Т0 – начальная температура формирования ма- териала твердого слитка (например, температура солидус). Для вычисления предела текучести металла в зависимости от Vn обычно используют зависимость σт(T) = ∑ n = A, ..., M σт (n)(T)Vn(T), где σт (n) – предел текучести n-ной структурной со- ставляющей в зависимости от температуры. При этом для многих сталей σт (n)(T) можно пред- ставить в виде σт (n)(T) = σт (n)(20 °C)f(T) … , где f(T) не зависит от n. Приведенные модели кинетики структурного состава и напряженно-деформированного состоя- ния металла, разнородного по высоте слитка, объе- диняются с разработанными моделями изменения полей температур и химического состава в рамках обобщенных конечно-разностных и конечно-эле- ментных схем. В качестве примера численного ана- лиза склонности металла разнородного по высоте слитка большого диаметра к образованию ХТ рас- смотрен процесс ЭШП цилиндрического слитка диаметром 1200 мм из сталей различного класса: cталь SAE2330 (состав ХI), мас. %: 0,3 C—51 Mn— 0,32 Si—0,007 S—0,011 P—3,03 Ni—0,07 Cr—0,032 Al— 0,001 Ti; cталь 28NiCrMo74 (состав ХII), мас. %: 6 Рис. 2. Распределение тангенциальных (а), аксиальных (б) напряжений и мартенсита (в) в поперечном сечении разнородного цилиндрического слитка из сталей SAE2330 и 28NiCrMo74 с присадочным металлом оптимального состава 30CAD6-12 (I); без него (II); с присадочным металлом 14NiCr1,4 (III); с присадочным металлом 30NCD12 после выплавки способом ЭШП (IV) 7 0,3 С—0,46 Mn—0,24 Si—0,025 S—0,03 P—2,06 Ni— 1,44 Cr—0,37 Mo—0,2 Cu—0,001 V. Скорость плавки в рассматриваемом случае при- нята равной 6 мм/мин, температура заливаемого металла – 1550 °C. Соответственно первые 2,75 ч (1000 мм слитка по высоте) в кристаллизатор пода- ется расплав состава ХI, вторая половина слитка должна иметь состав ХII. Более плавного разнород- ного по высоте перехода можно достичь за счет раз- бавления предыдущего состава жидкой металличес- кой ванны составом ХIII. Для расчета оптимального химического состава присадки Хопт можно восполь- зоваться формулой Xопт = XII + 4GF πD2vτ (XII — XI), (2) где GF – объем жидкой металлической ванны в конце выплавки части слитка состава ХI. В общем случае, если известен химический сос- тав X(t) жидкой металлической ванны объемом G(t) в момент времени t и объемная скорость вне- сения жидкого металла π D2 4 v(t) с химическим сос- тавом ХIII, то за промежуток времени Δt химический состав жидкой металлической ванны X(t + Δt) опре- деляется зависимостью X(t + Δt) = X(t)[2G(t) — G(t + Δt)] + XIII πD2 4 v(t)Δt 2G(t) — G(t + Δt) + πD2 4 v(t)Δt , где G(t) – объем ванны жидкого металла; v(t) – скорость плавки; D – диаметр слитка. Следует отметить, что при оптимизации рас- сматриваемого технологического процесса актуаль- ным является вопрос выбора промежуточного ме- талла. Так как подбор химического состава согласно формуле (2) для каждой конкретной пары металлов разнородного слитка является трудоемким и услож- няет процесс выплавки, то целесообразным являет- ся использование для присадки существующих ма- рок сталей, состав которых наиболее приближен к расчетному. В таблице приведены результаты рас- чета состава жидкой ванны, здесь в качестве при- садки используется сталь 30CAD6-12, мас. % (0,28 % C—0,49 % Mn—0,32 % Si—0,050 % S—0,012 % P—0,13 % Ni—1,65 % Cr—0,22 % Mo—1,050 % Al). В этом случае в переходной области не замечены предпосылки к избыточной склонности металла к образованию ХТ (рис. 2, I). Процессы тепломас- собмена приводят к плавному переходу структур- ных составляющих от одного состава слитка к дру- гому, наибольшая вероятность появления дефектов несплошности зафиксирована в центральной части слитка. Это связано со спецификой отвода тепла и усадочных процессов, в то время как формирование разнородной переходной зоны происходит в режи- мах, приближенных к оптимальным. Следует отметить, что использование многоэтап- ного ЭШП разнородного по высоте слитка с опти- мальным химическим составом присадки снижает склонность металла слитка к образованию дефектов в сравнении с технологией, не предусматривающей применение промежуточного слоя [8]. Использова- ние при плавке только двух основных сталей влечет за собой формирование более высоких растягиваю- щих напряжений в слитке, вызванных большими градиентами механических свойств металла пере- ходной зоны при сходных распределениях закалоч- ных структур (рис. 2, II). Отклонение химического состава присадочного металла от оптимального, определенного согласно формуле (2), в зависимости от структурного состо- яния основного слитка может изменить склонность к образованию ХТ в переходной области. На рис. 2, III показаны результаты моделирования выплавки слитка из сталей того же состава, но в качестве промежуточного выбран металл 30NCD12, мас. % (0,3 C—0,4 Mn—0,3 Si—0,016 S—0,015 P—3,2 Ni—0,86 Cr—0,4 Mo—0,17 Cu). В переходной области при этом формируются участки с повышенным содержанием мартенсита и одновременным наличием растягивающих аксиаль- ных напряжений. Это свидетельствует о существен- Результаты расчета состава жидкой ванны X(tn + τ) для металлов с составами XI, XII и присадки с составом XIII Химический элемент XI XII XIII τ = 17 мин τ = 34 мин % Xопт X(tн + τ) Xопт X(tн + τ) C 0,3 0,3 0,28 0,3 0,29 0,3 0,29 Mn 0,51 0,46 0,49 0,46 0,50 0,44 0,50 Si 0,32 0,24 0,32 0,24 0,32 0,21 0,32 S 0,007 0,025 0,05 0,03 0,03 0,03 0,04 P 0,0011 0,03 0,012 0,03 0,01 0,04 0,01 Ni 3,03 2,06 0,13 2,05 1,22 1,75 0,87 Cr 0,07 1,44 1,65 1,46 1,05 1,87 1,25 Mo 0 0,37 0,22 0,37 0,14 0,49 0,16 8 ном росте склонности металла переходной зоны к появлению ХТ из-за некорректного выбора приса- дочного материала. В то же время, если в качестве присадки выбрать сталь 14NiCr1,4, мас. % (0,13 C— 0,46 Mn—0,26 Si—0,012 S—0,013 P—3,69 Ni—0,78 Cr— 0,04 Mo—0,16 Cu—0,012 Al), количество закалочных структур переходной зоны незначительно (рис. 2, IV), а наличие разнородного перехода не меняет склонности слитка к появлению таких дефектов не- смотря на существенное отличие от оптимального состава присадки. Выводы 1. С целью численного анализа склонности металла разнородного по высоте стального слитка к образо- ванию ХТ при ЭШП разработана комплексная ма- тематическая модель кинетики температурного, структурного и напряженно-деформированного со- стояний металла цилиндрических слитков. Предло- жены подходы к определению химического состава присадочного металла для получения оптимальной переходной зоны с позиций конечного качества слитка. 2. Показано, что при рациональном выборе при- садочного металла наличие переходной зоны не влияет на общую склонность металла слитка к обра- зованию ХТ, поскольку количество закалочных структур в областях с растягивающими напряже- ниями не превышает их объемной доли в других частях слитка. 3. Проанализирована возможность использова- ния в качестве присадочного материала сталей с химическим составом, отличным от оптимального (с позиций склонности металла слитка к образова- нию ХТ). Показано, что этот фактор может иметь существенное влияние на склонность металла пере- ходной зоны к появлению таких дефектов, по- скольку может вызвать увеличение количества мар- тенсита в областях с растягивающими аксиальными напряжениями. 1. Characterization and properties of dissimilar metal combi- nations of Fe/Al and Ti/Al-sheet materials / F. Wagner, I. Zerner, M. Kreimeyer et al. // Proc. ICALEO (Orlan- do, Florida, USA, Sept., 2001). – Orlando: LIA Congress Proc., 2001. – Р. 365—374. 2. Kahraman N., Gulenc B., Findik F. Corrosion and mecha- nical-microstructural aspects of dissimilar joints of Ti—6Al— 4V and Al plates. // // Intern. J. of Impact Enginee- ring. – 2007. – № 34. – P. 1423—1432. 3. Darwish S. M. Analysis of weld-bonded dissimilar materi- als // Intern. J. of Adhesion & Adhesives. – 2004. – № 24. – P. 347—354. 4. Сварка разнородных металлов и сплавов / В. Р. Рябов, Д. М. Рабкин, Р. С. Курочко и др. – М.: Машинострое- ние. – 1984. – 239 с. 5. Исследование параметров электрошлаковой плавки в то- коведущем кристаллизаторе // Ю. М. Кусков, В. И. Ус, С. В. Томиленко и др. / Пробл. спецэлектрометаллур- гии. – 1995. – № 3. – С. 24—28. 6. Прохоров Н. Н. Физические процессы в металлах при сварке. Т. 2. – М.: Металлургия, 1976. – 600 с. 7. Риск образования холодных трещин при сварке конструк- ционных высокопрочных сталей // В. И. Махненко, В. Д. Позняков, Е. А. Великоиваненко и др. // Зб. наук. праць НУК. – 2009. – № 3. – С. 5—12. 8. Получение способом ЭШП ЖМ разнородного по длине слитка большого сечения с минимальной переходной зо- ной // В. И. Махненко, Л. Б. Медовар, С. С. Козлити- на и др. // Современ. электрометаллургия. – 2012. – № 2. – С. 3—7. 9. Atlas of time-temperatures diagrams for irons and steels / Ed. by G. Vander Voort. – Ohio: ASM Publication, 1991. – 804 p. 10. Atkins M. Atlas of continuous cooling transformation diag- rams for engineering steels. – Ohio: ASM Publication, 1980. – 260 p. 11. Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и спла- вах. – М.: Мир, 1978. – 541 с. 12. Махненко В. И. Ресурс безопасной эксплуатации сварных соединений и узлов современных конструкций. – Киев: Наук. думка, 2010. – 618 с. 13. Махненко В. И. Расчетные методы исследования кинети- ки сварочных напряжений и деформаций. – Киев: Наук. думка, 1976. – 320 с. It is shown that the application of dissimilar structures, elements of machines and mechanisms in various branches (power complex, pipeline transport, aerospace industry) allows producing the unique complex of service properties, which is difficult to provide when using the similar materials. In this case the natural difficulties are encountered in producing the dissimilar parts and billets with a guaranteed quality of metal. To manufacture the dissimilar elements, there are different technological procedures, one of which is the electroslag melting in a current-carrying mould with a molten filler metal, in particular for producing of large-diameter steel ingots, dissimilar in height, used for turbine rotor shafts. One of the problems of optimizing the technological parameters of this process is the minimizing the tendency of dissimilar ingot metal to the initiation of cold cracks. A complex of mathematical models and programming means for the numerical analysis of kinetics of thermal, physical-chemical and mechanical processes was developed, owing to which some pecu- liarities of formation of transition zone of the dissimilar ingot were revealed. An approach was suggested for selection of optimum chemical composition of filler metal and, thus, the feasibility of minimizing the ingot metal susceptibility to the formation of cold cracks in transition zone was demonstrated. The significant influence of material with chemical composition, different from optimum one, on the susceptibility of ingot metal cracking was also shown and methods of effective optimizing the process of electroslag melting of ingots, dissimilar in height, were offered for reducing the risk of initiation of these types of defects. Ref. 13., Table 1, Figures 2. K e y w o r d s : large-section dissimilar steel ingot; electroslag melting; structural composition; stress-strain state; cold cracks; mathematical modeling Поступила 04.10.2013 9

Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке

Репозитарії

Схожі ресурси