книги из ГПНТБ / Горизонтальное непрерывное литье цветных металлов и сплавов

•град);

и d2— диаметры окружностей, на которых располо­ жены спаи термопар, м.

Индекс 1 относится к внутренней, а индекс 2 — к на­ ружной термопаре.

Коэффициент теплопроводности графита в значи­ тельной степени зависит от величины и направления теплового потока [31]. Проведенные исследования [32] позволили установить зависимость теплопроводности графита от температуры, которая имеет следующий вид:

термопар. Обработав средние значения удельных тепло­ вых потоков, получили уравнения при литье в графито­ вый кристаллизатор:

Изменение удельных тепловых потоков по длине кристаллизатора показано на рис. 21, из которого видно, что удельный тепловой поток на входе в охлаждаемую часть графитового кристаллизатора достигал макси­ мального значения при литье медных сплавов 600 000 Вт/м2, а припоя —200 000 Вт/м2. Средние удель­ ные тепловые потоки в кристаллизаторе находили интег­ рированием уравнений (5,6) в пределах от 0 до х

J I (г ) dx

О

5Q

Средние удельные тепловые потоки составили для графитового кристаллизатора при литье

Средний удельный тепловой поток для медного кри сталлизатора при литье припоя составил qn =

= 289 620 Вт/м2.

Количество тепла, отдаваемого затвердевающей за­ готовкой кристаллизатору, прямо пропорционально ко­ эффициенту теплопередачи от заготовки к охлаждающей воде. Коэффициент теплопередачи определяли, исходя из условия постоянства значений удельного теплового потока в рассматриваемом сечении по уравнению

где q— удельный тепловой поток на рабочей поверхно­ сти кристаллизатора, Вт/м2;

а — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-град); t„— температура поверхности заготовки, °С; tD— температура охлаждающей воды, °С.

При определении а приняли tn в начале затвердева­ ния, равной средней температуре интервала кристалли­ зации сплава. Температуру поверхности заготовки на выходе из кристаллизатора определяли эксперименталь­ но и приняли следующие значения: для бронзы 600, для латуни 550, для припоя 140° С. Температуру охлаждаю­ щей воды также определили экспериментально: для бронзы 35, для латуни 20 и для припоя 10° С.

Подставив в уравнение (9) известные значения вели­ чин, определили коэффициент теплопередачи от заго­ товки к охлаждающей воде в начале затвердевания и на выходе из кристаллизатора. Экспоненциальный закон для изменения коэффициента теплопередачи от заготов­ ки к охлаждающей воде принят такой же, как для рас­ пределения температуры и удельных тепловых потоков по длине кристаллизатора:

Изменение коэффициента теплопередачи показано на рис. 22. Полученные данные по теплопередаче позволя­ ют рассчитать основные конструктивные параметры кри­ сталлизатора. Тепловой расчет кристаллизатора сводпт-

стп [33]. Исходя из температуры нагрева воды н величи­ ны суммарного теплоотвода, расход воды определяют по уравнению

1 Е в т е е в Д. П. Теплофизические основы работы кристаллиза­ торов на непрерывной разливке плоских слитков. Автореф. капд. дне.

М„ 1964.

52

путы значение удельного теплового потока резко пада­ ет. Исходя из этого, при скорости литья 0,1—0,3 м/мин кристаллизатор длиной более 0,1—0,3 м делать нецеле­ сообразно. Ориентируясь на максимальные значения скоростей литья (0,3 м/мпи), диаметра заготовки (0,2 м) и перепада температуры воды (10°С), расход воды дол­ жен быть при литье бронзы не более 5,5, латуни 5,3, при­ поя 3,4 м3/ч.

В процессе отработки промышленной технологии го­

в кристаллизаторе при литье бронзы должна быть 0,1— 0,2 м/с, а при литье латуни, меди, припоя 0,6—1,0 м/с. Следовательно, зазор для протекания воды в кристалли­ заторе при литье бронзы должен быть около 25 мм, а остальных металлов п сплавов в пределах 3—5 мм.

Особенности затвердевания заготовок ' при горизонтальном непреывном литье

Первой особенностью затвердевания заготовок из цветных металлов и сплавов при горизонтальном непре­ рывном литье по сравнению с вертикальным является некоторое отставание начала затвердевания по верху кристаллизатора (рис. 23). Основным фактором, вызы­ вающим запаздывание затвердевания по верху кристал-

Рис. 23. Схема фронта затвердевания заготовок при горизонтальном нс* прерывном литье

53

лизатора, следует считать тсрмокоивективное расслоение жидкого металла или сплава по сечению заготовки [34, 35] при поступлении его из металлопрнемника. В результате этого температура сплава по верху кристал­ лизатора выше по сравнению с низом. В процессе про­ ведения опытных разливок установили, что на вели­ чину запаздывания затвердевания по верху кристалли­ затора, кроме теплофизических свойств разливаемого сплава, также оказывает влияние скорость литья и ра­ диус заготовки. Величина Ah может быть определена по уравнению [36]

ва, “С;

tK—-температура кристаллизации, °С;

/с— температура поверхности стенки по верху кри­ сталлизатора, °С;

у — плотность жидкого металла, кг/м3; R — радиус заготовки, м;

ул— скорость литья, м/ч; а — коэффициент теплоотдачи от заготовки к кри­

сталлизатору, Вт/ (м2-град); с— удельная теплоемкость жидкого металла,

Вт/(кг - град).

Величиной запаздывания затвердевания по низу ох­ лаждаемой части кристаллизатора можно пренебречь.

На рис. 24 показано изменение величины запаздыва­ ния Д/г от скорости литья. Величину запаздывания нача­ ла затвердевания необходимо учитывать при выборе длины кристаллизатора. На качестве отливаемых заго­ товок величина Д/t не сказывается.

Второй особенностью процесса горизонтального не­ прерывного литья является смещение центра затверде­

AR зависит в основном от радиуса отливаемой заготов­ ки и не превышает 10% диаметра. С увеличением скоро­ сти литья происходит уменьшение AR. Аналогичные ре­ зультаты получены при горизонтальном непрерывном

54

литье магния [21]. При рассмотрении соотношения ве­

Подставив значения глубины лунки h, получим вы­ ражение для определения величины смещения в зависи-

Рис. 24. Изменение величины запаздывания затвердевания от скорости литья:

/ — припоя (графитовый кристаллизатор); 2 — меди; 3 — при­ поя (медный кристаллизатор); 4 — латуни; 5 — бронзы

мости от скорости литья и теплофизических параметров. Наличие смещения у заготовок, полученных способом горизонтального непрерывного литья, не сказывается на ухудшении качества изделий, изготовленных из таких заготовок прессованием и волочением или механичес­ кой обработкой.

Третьей особенностью горизонтального непрерывно­ го литья является схема затвердевания заготовок, от­ личающаяся от затвердевания при вертикальном непре­ рывном литье [37, 38]. Эта особенность оказала реша­ ющее воздействие на образование дефектов (надрывов, трещин, лнквацпонных треугольников) и их устранение.

Схему затвердевания изучали тремя методами: ме-

55

таллографпческим, выливанием жидкой фазы и кино­ съемкой через кварцевое стекло. При изучении особен­ ности затвердевания заготовок металлографическим ме­ тодом [22] проводили линию фронта затвердевания

а

5

8

г.

3

8

Рис. 25. Схема затвердевания при горизонтальном непрерывном

литье с периодическим вытягиванием заготовки. Расположенно фронта затвердевания заготовки в кристаллизаторе:

56

перпендикулярно направлению роста столбчатых кри­ сталлитов, так как оно совпадало с направлением роста

дендритов.

Рассмотрим схему затвердевания заготовки, пред­ ставленную на рис. 25 для стабильного процесса литья. При периодическом режиме вытягивания шаг разделя­ ется на периоды вытягивания и остановки. Положение, представленное на рис. 25, а, соответствует концу оста­ новки, когда граница раздела твердой и твердо-жидкой фаз (фронт затвердевания) заняла свое крайнее правое положение в виде лунки при средней скорости литья щ. За время остановки фронт затвердевания перемещается слева направо по мере охлаждения графита; при этом скорость его перемещения замедляется, так как с уда­ лением от водоохлаждаемого кожуха снижается интен­ сивность отвода тепла. На рис. 25, а штрих-пунктирной линией показано также положение фронта затвердева­ ния при скорости литья v2 и v3, где v2> v \ > v 3. При ско­ рости литья щ фронт затвердевания по верху достиг за время остановки сечения V, слева от которого темпера­ тура стенки кристаллизатора ниже, а справа выше тем­ пературы затвердевания металла или сплава.

В начальный момент затвердевшая заготовка стяги­ вается с поверхности кристаллизатора без разрыва ра­ нее сформировавшейся корочки. Это является принципи­ альным вопросом, так как, если предположить при рас­ смотрении стабильного процесса формирования заготов­ ки, что при вытягивании происходит обрыв корочки и остается зависший участок, то следует признать, что его невозможно удалить и при последующих шагах вытяги­ вания. Вполне естественно, что такой зависший участок корочки может разрастаться, приводя к нарушению стабильности процесса и обрыву заготовки.

Очевидно, возможен обрыв отдельных участков вновь сформировавшейся корочки на поверхности кристалли­ затора в том случае, если силы сцепления их с поверх­ ностью графита превысят прочностные свойства, но при этом следует предположить, что зависшие участки рас­ творяются за счет тепла перегрева жидкого металла или сплава, поступающего за вытягиваемой заготовкой, бла­ годаря которому на некотором участке !'■—2' (см. рис. 25, б) температура стенки кристаллизатора становится выше температуры затвердевания металла или сплава.

57

Затвердевание заготовки начинается в сечении 2' (см. рис. 25,6). Растущие кристаллиты, не имея доста­ точной прочности, не могут быть увлечены заготовкой и образуют стационарную корочку, формирующуюся в период вытягивания. Специфика ее образования состоит в том, что в процессе вытягивания она, оставаясь на ме­ сте, непрерывно растет по мере освобождения поверхно­ сти графитового кристаллизатора, как бы догоняя вытя­ гиваемую заготовку.

Одновременно в процессе всего периода вытягивания продолжается затвердевание металла или сплава на вы­ тягиваемой заготовке. Схематично нарастание слоев на движущимся и стационарном фронтах затвердевания за время вытягивания показано на рис. 25, б, в. Необходи­ мо отметить, что с момента возникновения стационар­ ной корочки между нею и вытягиваемой частью заготов­ ки образуется передвигающаяся зона разрыва, в кото­ рую непрерывно поступает жидкий металл, питающий растущие справа и слева кристаллиты. На рис. 25, б—г зона разрыва, названная стыком фронтов затвердева­ ния, и направление ее перемещения показано стрел­ кой Р.

Таким образом, можно выделить две зоны затверде­ вания, сформировавшиеся за период вытягивания одно­ го шага (см. рис. 25,в): I — зона непрерывного затвер­ девания на вытягиваемой части заготовки; II — зона стационарной корочки.

Рассмотрим период остановки. Первоначально про­ исходит затвердевание стыка фронтов и образование третьей промежуточной пли центральной зоны (см. рнс. 25,а). В дальнейшем формируется зона остановки IV (см. рис. 25,6) и фронт затвердевания к концу останов­ ки достигает своего прежнего положения — сечения I' (рис. 25,а), после чего цикл повторяется вновь.

Безусловно, что выделенные зоны затвердевания име­ ют расплывчатые границы, но тем не менее их необхо­ димо различать по условиям формирования. Для раз­ личных сплавов, сечений и режимов литья соотношение размеров выделенных зон затвердевания меняется, но принципы их формирования при периодическом режиме вытягивания сохраняются. Следует отметить, что если шаг вытягивания меньше диаметра отливаемой заготов-

58