книги из ГПНТБ / Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали

прерывном разливкой в водоохлаж даем ы й

кри сталли за­

тор, предлож ено в работе [5 ].

П р и

непрерывной разливке

(26)

где

Я = * ' £ > > „ ,

скорость наполнения кристаллизатора. Э т а ск о ­

ратно пропорциональна ЬН^ ,

Ы,

=поэтому

(27

где k — постоянный коэф фициент.

В се

эти

ф о р м у ­

лы , полученны е на

ограниченном

эксп е ­

рим ентальном

м ате­

риале,

м огут

сл у ­

ж ить лиш ь для

при­

ближ енной

оценки

глубины

ванны .

Р ассм от р и м

неко­

торые

результаты

наш и х

и ссл ед ова ­

ний,

проводивш их­

ся в кри сталли зато ­

р ах диам етром от

200 до

460

м м .

Н а ­

ряду с влиянием д и ­

ам етра

слитка

и си ­

лы

тока

и зучалась

т а к ж е

роль

ди н ам и ­

ческого

состояния

Р и с . 35.

В л и я н и е д и а м е т р а с л и т к а ,

э л е к т ­

ж и дкой

ванны ,

уп ­

равление

которым

р и ч е ск о го

и м а гн и т н о го р е ж и м а

н а ф о р м у

осущ ествл ял ось

с

ж и д к о й в ан н ы (ш т р и х о в о й л и н и е й п о к а з а ­

а

к он т ур ы в ан н ы в

у с л о в и я х в р а щ е н и я ):

ны

пом ощ ью

м агнитно­

б

д и а м е т р о м

320

м м ;

— к р и с т а л л и з а т о р

го

п о л я ,со з д а в а е м о ­

— к р и с т а л л и з а т о р

д и а м е т р о м

400

м м .

го

соленоидом .

Ф о р м у

ванны ф и ­

добавкам и сернистого

ж ел еза

ксировали ,

как

правило ,

р азр еза

сли тка. И н огда

одновременно вводили в слиток

кусочки

ф ерр овольф р ам а , приближ енно отм ечаю щ ие

грани цу ликвидус.

ж и д кая ванна представляет со ­

П р и

м алой силе тока

12Х2Н4А

320

4600

144

35,0

115

0,36

6500

203

60,8

275

0,86

8000

250

82,0

410

1,28

ЗОХЗСНМФВ

200

3500

175

25,4

80

0,40

320

5600

175

45,3

140

0,44

400

7000

175

70,8

200

0,50

Влияние силыТ

а б л и ц а

21

на

З ам етн ое

и

влияние

и

тока

ванны на ее глубину

ф ор м у

глубину

динамического состояния жидкой

ж идкой ванны о к азал о

пЛлионт нейонстаяь

Спклоарволсте ­ь

Г л у б и н а

вращ ение ж и дкого

м е­

тал л а .

Э то

устан о вл е ­

т о к а , А / с м

ния,

г /с

ван н ы , мм

но

при

многократной

127

ф иксации ванны в сл и ­

165

43

103

тк ах ,

н ап л ав лявш и хся

200

53

230

на 2/ з высоты без

в р а ­

щ ения,

после

чего

187

вклю чался соленоид и

250

80

386

в

зоне

плавления

соз-

266

д авал о сь

магнитное по ­

ле напряж енностью по ­

н ы е ,П рпио лмуеч ечнан ын еи е б. ез В в рчаищслеин тиеял е —в а нднаын ,­

рядка

15— 2 0 Э .

В

р е­

зультате

движ ения ж и ­

в з н а м е н а т е л е — с

в р а щ е н и е м .

С т а л ь

дкого

м еталл а,

как

320

м м .

к р и с т а л л и з а т о р

д и а м е т р о м

правило ,

исчезали

пе­

4 0 Х Н 2 С М А ,

регибы

на

контуре

ванны ,

а при повы ш ен ­

ной силе тока

—

и ци ­

конуса

(рис. 3 6). Глуби н а ванны в

результате

вращ ения

во всех

сл у ч ая х ум еньш илась,

хотя

скорость

плавления

о ставал ась неизменной (табл .

21).

Эти данны е

со гл а су ­

ю тся с описанны м ранее сниж ением

температуры

ж и д к о ­

го м еталла при вклю чении соленоида.

М ы сознательно не

предпринимаем

попыток обоб ­

щить данны е по глубине

ж идкой ванны

и предлож ить

ления.

П р и

этом

мы

исходим

из того,

что глубина в а н ­

ны м ож ет

лиш ь

качественно

характеризовать изм еняю ­

щ иеся

услови я

наплавления

слитка.

Количественной

мерой этих условий могла бы

явиться

площ адь

п овер х­

ности ф ронта затвердевания,

но и

она связан а

со ск о ­

ростью

плавления

неоднозначно,

поскольку

разны е

зави сим ости глубины

ванны от

скорости

плавления,

поскольку н абл ю даем ое

изменение

геометрии ванны

влечет за собой

изменение хар актер а

связи

м еж д у пло ­

щ адью ф ронта 5

и глубиной

Н.

равен

R,

то в слу-

Т а к , если ради ус кристаллизатора

чае ш арового сегмента

= п ^ Ч П

(28)

5

а в сл учае конуса

nR У R 2

+

Я 2 .

(29)

Э т о означаетң

5 -

для

, что

мелкой ванны

относительная

глубина — связан а с

площ адью

фронта

приближ енны м

где

S o= jiR 2

£

— площ адь сечения к р и ст а л л и за т о р а ;--------

отнош ение, представляю щ ее собой

кратность

увели че­

ния

площ ад и

ф ронта затвердевания в результате

о б р а ­

зования ж и дкой ванны .

виду

О пи сан н ы е

соотнош ения целесообразно иметь в

при

анали зе

эксперим ентальны х

дан н ы х. С л ож н ость

общ ей картины изменения формы

и глубины

ванны не

исклю чает, по-віідіім ом у,

значительны х

упрощ ени и , ко ­

торы е, становятся возм ож ны м и,

если

р ассм атр и ваю тся

геометрически подобны е

ванны , н абл ю даем ы е

либо

только при м алой , либо

при относительно

вы сокой

ск о ­

рости плавления.

ЛИНЕЙНАЯ СКОРОСТЬ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

Ф орм а и глубина

ж идкой

ванны

хар актер и зую т

лиш ь геометрию фронта

кристаллизации ,

одн ако

они

ие со д ер ж ат прямой

информации

о кинетике перехода

Р и с . 37. С х е м а г р а ф и ч е с к о го о п ­

Р и с .

38. С х е м а т и ч е с к о е

и з о б р а ж е ­

р е д е л е н и я л и н ей н ой

ск о р о ст и

ние

в з а и м о св я з и

м е ж д у

к р и в и зн о й

B C -w „)

Л В —

к о н т у р а ж и д к о й в ан н ы и х а р а к т е ­

з а т в е р д е в а н и я

(при

ром

и зм е н ен и я

л и н ей н о й

ск о р о ст и

п о с е ч е н и ю с л и т к а

м еталла

в

твердое состояние. В больш ей степени этом у

требованию

отвечает другой косвенно связанны й с ф о р ­

мой

ванны

парам етр — линейная скорость затвер д ев а ­

ния.

Э то

скорость

перемещ ения

фронта кристаллизации

(границы

р азд ел а

ж идкой фазы

и двухф азн ой области )

дви ж ен и я верш ин

главны х осей

дендритов. В постепен ­

но н ап л ав ляем ом

слитке

создаю тся услови я , благопри ­

ятствую щ и е исследованию

этого п ар ам етр а . Д остаточн о

тем или

иным способом заф икси ровать ж и дкую

ванну

и, зн ая

скорость

наполнения

кри сталли затора,

м ож но

сл и тка .

Единственное

требование,

которое

при

этом

д о л ж н о

вы полняться , —

стационарность

процесса

п л а в ­

ления и затвердеван и я . О пределять

скорость удобнее

всего граф ически (рис. 37).

ванны

м ож но

с у ­

П о

хар ак т ер у кривизны контура

дить о

тенденции изменения линейной

скорости по

се-

чсиню сл и тк а .

Р я д сл учаев , встречаю щ ихся на практи ­

ке, показан схем атически на рис.

38.

Р а ссм о т р и м

более подробно

типичные примеры и з­

Р и с .

39.

В л и я н и е си л ы

т о к а

на

и зм е н ен и е

линеЛ ноЛ

ск о р о ст и з а ­

т в е р д е в а н и я п о с е ч е н и ю

с л и т к а д и а м е т р о м

320

мм с т а л и

4 0 Х Н 2 С М А

(ш т р и х о в ы е ли н и и — д л я п л а в о к с в р а щ е н и е м м е т а л л а ) ;

О б щ и м

а — 8,0

к А ;

б —

6,5 к А ;

в — 4,6

к А

для в сех кривы х

является

необычный х а р а к ­

тер изменения скорости

по

сечению

слитка

в

периф е­

рийной его зоне. В то врем я

как в сл и тках ,

засты ваю щ и х

в и злож нице, н аблю дается

монотонное ум еньш ение ск о ­

рости,,1описы ваем ое

известным

законом

квадратного

корня

в

сл и тках

В Д П

скорость

вн ачале

повы ш ается,

затем резко падает и вновь

постепенно

увеличивается

до сам ого

центра

слитка. Э то различие м ож но

о б ъ я с­

I x = k , y

т, где г

— время;

х — толщина затвердевшего слоя;

7— 995

97

нить тем , что

в

слитке В Д П

скорость

кристаллизации

определяется

ме

только

интенсивностью

теплоотвод а,

убы ваю щ ей

по мере

нарастания

корки, по

и количест­

вом тепла,

поступаю щ его

к

фронту

затвердеван и я

из

ж идкого

м еталл а.

П оследн ее

т ак ж е

ум ен ьш ается

от

края к

центру

слитка и,

по -видим ом у,

бы стрее, чем

те­

дел яем ая

разностью д в ух

величин,

растет.

Н аст у п ае т ,

однако , момент, когда вследствие

у ж е

упом и навш егося

образования

зазор а

м еж ду слитком

и кр и стал л и зато ­

ром

интенсивность

теплоотвода резко

ум ен ьш ается , и

это

вы зы вает

торм ож ение

кристаллизации .

К а к

видно

из рис. 39, оно

наблю дается

после образован и я

корочки

толщ иной

2— 5

см ,

причем

повышенной

силе

тока

соот ­

ветствует д а ж е полная остановка затвердеван и я .

II

8

Н еобходим о

т ак ж е

отметить, что при

силе тока 6,5

кА линейная

скорость

на

значительной

части

сече ­

ния

слитка

примерно оди н акова, в

то

время

как при

4.6 к А она примерно на 25%

меньш е. Е щ е

больш ее по ­

стоянство скорости но сечению слитка

получено

в р е ­

зультате

принудительного

вращ ения

ж идкой

ванны .

А налоги чн ая картина бы ла

о бн ар уж ен а

ранее в

опы тах

со

сталью

Ш Х 1 5

в

кр и сталли заторах

ди ам етр ом

260—

280

мм [3 6 ], где

близкие по

величине

скорости

н аб л ю ­

дали сь в ди апазон е токов 4—

6

к А , а

при силе тока

3,ЗкЛ

скорость бы ла ниж е примерно на 40%•

Н ак о н ец ,

о б р а ­

ботав

контуры

ванны ,

заф икси рованны е

при

силе

тока

от 4.2

до

10,8 к А

в

кристаллизаторе диам етром

305 мм

[7 1 ],

мы так ж е

наш ли ,

что

на

середине

р ади уса

слитка

линейная

скорость со ставл ял а

во

всех

сл у ч ая х

от 3,0

до 3,6 мм/мнп, в то время как наполнение

кр и стал л и за ­

тора

при

разны х

токах

происходило

со

скоростью от

3.6

до

12

мм/мин. С л ед ует

отметить, что

все

эти зн ач е ­

ния близки к скорости затвердевания

м еталла

в

обы ч ­

ных

сл и тках.

О ц ен к а по

ф орм уле

квадратного

корня

при

k — 2,5

— 2,6

см/мин

0-5

д ает

для

середины

ради уса

слитка ди ам етром 300

мм

скорость,

равн ую

0,42—

0,45 см/мин.

Т ак ое

постоянство скорости затвердеван и я связан о ,

по -видим ом у, с тем , что ее величина

в р ассм атр и ваем ы х

услови ях

определяется

единственным

ф актором — ин­

тенсивностью

отвода тепла,

которая

в

свою

очередь

зави сит от толщ ины

зак р и стал ли зо вавш его ся

слоя сли т­

к а .

В

то ж е

врем я

при

м едленном

плавлении ,

м алой

глубине вампы и поступлении к фронту

затвердевания

больш ого

количества

тепла

скорость

продвиж ения

ф ронта оказы вается пониженной

и

всецело

зависит от

н аплавления слитка.

м ассовую

скорость

затвер д ева ­

Р ассч и т ае м v средню ю

ния м еталл а

j S 0

на

единицу эф ф ек ­

ф, приходящ ую ся

тивной площ ади ф ронта

кристаллизации (табл . 2 2). П о д

эф ф ективной

площ адью

подразум евается

поверхность

р азд ел а ж и дкой ванны с твердым

м еталлом ,

за

вычетом

вертикальны х

участков

фронта,

где

скорость

кр и стал ­

лизации

равна

нулю . В

кристаллизаторе

данного д и а ­

плавления сн ач ал а возрастает , а

затем , начиная с не­

которого предела, обратно пропорционального

ди ам ет ­

ру,

остается постоянной.

Д ан н ы е ,

относящ иеся

к р а з ­

ным

кри сталл и затор ам ,

удается

обобщ ить, представив

VnDJSr

,ф — удельн ая скорость плавления

vu/DK».

К а к

глубина

ваины п рибли ж ается

к нулю ,

гр аф и к

р а ссм а т ­

риваемой функции

представляет

собой

прям ую ,

про ­

хо дя щ ую

через

начало

координат,

под

углом

к

гори ­

зонтали ,

равны м

a r c t g —

Величина

угл а

определяется

тем , что

71

площ адь

фронта

затвер д ева ­

в этих усл ови ях

ния совп ад ает с

площ адью

поперечного

сечения

кри ­

стал л и затор а , т.

е.

.

Следовательн о ,

парам етр

затвердевания

vnDK/S

Эф оказы вается

равен

4vn/nDu.

ско ­

П о

м ере роста скорости

плавления

приведенная

рость

затвердевания

растет

до

1,7

г / ( с м -с ),

а затем

остается неизменной, т. е. предельная

м ассо в ая

ск о ­

рость

затвердевания

для

разны х

кристаллизаторов со ­

ставляет

1,7D1(,

г/(см

2

- с ) .

П ричиной

сущ ествования

такой

предельной скорости

является

то,

что

при

у ск о ­

части ф ронта

контролируется

только

интенсивностью

теплоотвода,

постоянной для

данного

разм ера сли тка.

В м есте

с тем

средняя скорость отвода тепла прибли зи ­

тельно

обратно пропорциональна ди ам етр у

сл и тка ,

что

и объясняет

наблю даем ую

зависим ость предельной

ск о ­

рости от ди ам етр а.

сущ ествование

предельной

С л ед у ет заметить, что

7*

99

3,5

28,3

1,415

392

392

0,0725

1,45

8,0

74,0

3,70

1635

860

0,0865

1,73

4,6

42,0

1,31

1085

1085

0,0386

1,235

6,5

60,7

1,90

2215

1365

0,0443

1,42

8,0

74,5

2,42

2998

1528

0,0488

1,56

32

5,2

46,6

1,46

929

929

0,0503

1,61

5,2

46,4

1,45

903

903

0,0513

1,64«

6,5

61,0

1,925

1508

1238

0,0499

1,60

6,5

60,9

1,90

1205

1205

0,0503

1,61*

8,0

78,4

2,47

2510

1553

0,0505

1,62

8,0

77,5

2,42

1429

1429

0,0541

1,73"'

7,0

65,5

1,63

1680

1680

0,0388

1,55

40

7,5

73,5

1,84

2720

2180

0,0346

1,38

8,0

80,9

2,02

1885

1885

0,0429

1,72**

12,0

123,5

3,08

5390

2980

0,0415

1,66