О смещении теплового центра при горизонтальном непрерывном литье

УДК 621.74.047

О СМЕЩЕНИИ ТЕПЛОВОГО ЦЕНТРА ПРИ ГОРИЗОНТАЛЬНОМ НЕПРЕРЫВНОМ ЛИТЬЕ

Канд. техн. наук, доц. ДЕМЧЕНКО Е. Б чл.-кор. НАН Беларуси, докт. техн. наук, проф. МАРУКОВИЧ Е. И.

Белорусский национальный технический университет,

Институт технологии металлов НАН Беларуси

Одним из важных результатов совместного действия усадки и термоконвективных потоков на процесс затвердевания отливки при горизонтальном непрерывном литье является смещение вверх теплового центра отливки относительно геометрического. Установлено, что вдоль теплового центра концентрируются усадочная пористость и осевая ликвация, создающие зону физической и химической неоднородности [1, 2], которая при значительном смещении центра может выйти на поверхность при горячем пластическом деформировании [3]. Особенно это характерно для литья тонких слябов из стали и цветных металлов. Авторы [4] полагают, что величина смещения зависит от радиуса и скорости вытяжки отливки и не превышает значения 10 % диаметра. Смещение теплового центра не влияет на качество изделий, изготовленных прессованием, волочением или механической обработкой. Однако независимо от наличия ликвации и осевой пористости оно приводит к возникновению неоднородности структуры и свойств по периметру и длине заготовки, особенно при литье заготовок сложного профиля, которую необходимо учитывать при управлении процессом структурообразования отливки.

Практически все исследования кинетики смещения теплового центра основаны на анализе результатов экспериментов, полученных с помощью серных отпечатков [3], выливания жидкого остатка [5] или на определении эмпирических зависимостей [4], связывающих тепловые и технологические параметры процесс-са литья при отсутствии математического аппарата.

Рассмотрим возможность создания математической модели для расчета смещения теплового центра на примере литья сплошной горизонтальной отливки.

На рис. 1 область, ограниченная треугольником АОВ, является жидкой фазой отливки (при отсутствии смещения теплового центра глубиной лунки К). Проведем некоторые геометрические построения. Сместив треугольник АОВ вверх на величину смещения теплового центра AR, получим треугольник АЮ'В'. Продолжим линию OfBf до пересечения с нижней образующей отливки в точке С и найдем точку пересечения С" линии верхней образующей отливки с линией О’А\ Соединив точки С и С', получим треугольник СО’С’, который будет представлять собой область жидкой фазы отливки при смещении теплового центра.

дя

Рис. А Схема к расчету величины АЛ смещения теплового центра

Из построения видно, что треугольники АОВ и СО'С'равны. Следовательно, количество жидкой фазы до и после смещения теплового центра не изменилось. Условие равенства количества жидкой фазы позволит воспользоваться известными зависимостями для определения глубины жидкой лунки А и величины запаздывания затвердевания АН [6] без каких-либо условий и ограничений.

Очевидно, что величина запаздывания затвердевания в верхней зоне кристаллизатора

составляет АН = 2С'А. Из подобия треугольников А (Ю и А 'С'А следует:

ОС> А1>

2й

С А ~ А'А И™ д/

Я

АЯ

Отсюда

ДЯ =

АНЯ

2к

Величина запаздывания затвердевания АН может быть определена из уравнения [7]

АН =

Тгш-Тщ, КУ\ <Л

ср

т -т

зал с

2а

где Гза„, Гкр, Гс - соответственно температуры расплава, кристаллизации и охлаждающей среды; У\ — удельный вес; с\ - теплоемкость жидкого расплава; м>ср - средняя скорость литья; а - коэффициент теплопередачи от жидкого расплава к охлаждающей среде. Глубина жидкой лунки отливки /г описывается известным соотношением [8]

А =

9ВДр-Гіп)’

где у] - удельный вес твердого расплава; ./= г+ -^0,(7^-Г1п) - разница в теплосодержании жидкого и твердого расплавов; с1 - теплоемкость твердого расплава; ^ - теплопроводность материала отливки; ТХа - температура поверхности отливки.

После подстановки (2) и (3) в (1) и несложных преобразований окончательно получим уравнение для расчета величины смещения теплового центра АЯ

АЯ = 2,25

ІП 9

где А7,пер = ^ал-7’кр - температура перегрева Г -Г

расплава; 0^ = --У - безразмерный темпе-

зал “Ч

ратурный критерий.

Входящий в конечное уравнение (4) коэффициент теплопередачи а легко можно выразить через удельный тепловой ПОТОК <72п, отводимый в соответствующей зоне кристаллизатора

а -

Яш

Чп

Не-

математическая модель кинетики смещения теплового центра (4) дает возможность прогнозировать течение процесса структурообразова-ния и упрощает расчет ряда технологических параметров процесса литья. Анализ показывает, что величина смещения теплового центра АН определяется тепловыми параметрами процесса литья: удельным тепловым потоком в кристаллизаторе <72п, температурами перегрева расплава АГпер и поверхности отливки Гіп, и не зависит от скорости литья.

На рис. 2 представлен расчет кинетики смещения теплового центра АЯ сплошной чугунной отливки диаметром 0,100 м в зависимости от температуры поверхности отливки ДІ? = ./(Гіп). Термофизические коэффициенты для расчета взяты из [6]: А-і = 35,0 Вт/(м град); сі = 837,4 Дж/(кг-град); с\ = 753,6 Дж/(кг-град); Уі' = 6800 кг/м3; уі = 7200 кг/м3; Гзал = 1320 °С; Гкр = 1140 °С; Гщ = 1100 °С; Гс = 20 °С; г = = 215000 Дж/кг; <3% = 901000 Вт/м2; м>ср = = 0,3-60”1 м/с. Область, ограниченная прямыми 1 и 2 (линейная аппроксимация), представляет собой область вероятных величин смещения теплового центра АЯ. Она построена для интервала температур поверхности отливки Гіп = = 800-1100 °С в зависимости от температуры расплава Г^ = 1230-1320 °С.

15-

12

9

У 6

„_+_4

з

X Кд*2г = -0,0287

/ ^ » " к 2

1/

-I------------------------------------1---------------------------------1-

0

800 900 1000 1100

Ты, °С

Рис. 2. Кинетика смещения теплового центра: 1 - Гзал = = 1230 °С; 2 - Гзал = 1320 °С; 3 - выливание Г1п = 870 °С; 4 - по Р. Томсону Г1п = 830 °С

При выводе расчетной формулы (4) исходили из условия бесконечно большой интенсивности теплообмена между отливкой и окру-

жающей средой (Ш » 1), имеющей место в зоне вторичного охлаждения. Сложности, возникающие при использовании формулы, заключаются в определении температуры поверхности Г1п, которая изменяется по длине отливки и зависит от ее диаметра. Поэтому расчет кинетики смещения теплового центра осуществили, задаваясь возможными значениями Т\п как в кристаллизаторе, так и на выходе из него, что позволило провести сравнение расчетных значений величины смещения теплового центра АЛ с экспериментальными, полученными в результате выливания жидкого остатка. Толщина корки отливки ^эксп (степенная аппроксимация) и смещение теплового центра А/? (линейная аппроксимация) после выливания жидкого остатка в зависимости от времени формирования отливки t за пределами кристаллизатора представлены на рис. 3, 4. Интервал значений Т\и выбран из результатов экспериментального исследования из [9].

а б в

ж ^ " ’’

г Д е

ф

Рис. 3. Толщина корки отливки и смещение теплового центра за пределами кристаллизатора после выливания жидкого остатка: а — і = 80 с; = 0,018 м; =

= 0,030 м; АД = 0,006 м; б - 112; 0,023; 0,033; 0,00; в - 118; 0,024; 0,043; 0,009; г - 130; 0,028; 0,046; 0,009; д - 140; 0,030; 0,050; 0,010; е - * = 152 с; §££ = 0,032 м; ^ = = 0,050 м; ДЯ = 0,009 м; йэксп = 0,760 м

Установлено, что величина смещения теплового центра АЛ в зависимости от температуры поверхности отливки изменяется в достаточно узких пределах: от (3-5)* 10“3 м при Ты = = 1000 °С до (6-11)*10~3 м при Т\п ~ 800 °С

(рис. 3). Сравнение расчетных значений АЛ с данными собственных экспериментальных исследований (точки 3, рис. 4), а также с данными Р. Томсона (точки 4, рис. 4) [9] показало хорошее совпадение результатов: по собственным данным АЯ - (6—9) 10~3 м при Т\п = 870 °С (линия 3, рис. 4), по Р. Томсону АЛ = (10—12)*10_3 м при Г1п = 830 °С.

50 т

верх — эксп

40 -

-Г 30 "/

1.20-1

ю ^

040

Рис. 4. Зависимость толщины корки и величины смещения теплового центра от времени формирования отливки за

пределами кристаллизатора: 1 - ; 2 - ; 3 - М

Уточненную глубину лунки для усредненной температуры поверхности отливки в кристаллизаторе Г1п = 1035 °С определили как сумму к + 0,5Д/7, что следует из геометрических построений (рис. 1). Тогда при расчете по формулам (2) и (3) имеем:

к + 0,5 А# = 0,693 + 0,5 * 0,063 = 0,724 м при Гзал = 1230 °С и

к + 0,5АН = 0,693 + 0,5 - 0,118 = 0,752 м при Гзал = 1320 °С, что также весьма близко к экспериментальному значению

^эксп 0,760 м,

полученному в результате выливания жидкого остатка. Некоторое превышение экспериментальных значений параметров АД и Л над расчетными объясняется условиями методики выливания.

Несмотря на достаточно низкий уровень значений величины смещения теплового центра, это явление приводит к ухудшению качества непрерывнолитых заготовок по сечению и длине. Уменьшить величину смещения можно двумя способами: во-первых, за счет снижения

перегрева расплава и, во-вторых, созданием одинаковых условий охлаждения в верхней и нижней зонах отливки за пределами кристаллизатора.

Однако при разработке технологии горизонтального литья следует учитывать, что снижение температуры заливаемого расплава может привести к переохлаждению поверхности хвостовика графитового вкладыша, образованию твердой корки на его торце и в конечном итоге - перемерзанию входного отверстия кристаллизатора и остановке процесса литья. Дополнительное подстуживание нижней поверхности отливки, выходящей из кристаллизатора, где интенсивность теплоотвода велика, приведет к образованию отбела на наружной поверхности отливки, что также нежелательно ввиду ухудшению качества заготовок. При значительном различии интенсивности охлаждения тепловой центр отливки может сместиться относительно геометрического не вверх, а вниз [1].

вывод

Разработана математическая модель кинетики смещения теплового центра отливки относительно геометрического при горизонтальном непрерывном литье, которая дает возможность прогнозировать процесс формирования неоднородности структуры и свойств по периметру и длине горизонтальной отливки.

Установлено, что величина смещения теп-

лового центра зависит от температуры поверхности отливки. Расчетные значения величины смещения адекватны экспериментальным данным.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соболев, В. В. Особенности затвердевания непрерывных горизонтальных слитков / В. В. Соболев, И. А. Нестеров // Изв. АН СССР. Металлы. - 1982. - № 3. -С. 51-59.

2. Соболев, В. В. Тепловые режимы затвердевания стальных цилиндрических слитков при горизонтальном непрерывном литье / В. В. Соболев, П. М. Трефилов // Промышленная теплотехника. - 1988. - Т. 10, № 2. -С. 75-78.

3. Исследование кинетики смещения теплового цен-

тра при горизонтальной непрерывной разливке / Д. И. Белякова [и др.] // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1979. -№9.-С. 41-44. '

4. Шатагин, О. А. Горизонтальное непрерывное литье цветных металлов и сплавов / О. А. Шатагин, В. Т. Сладкоштеев. - М.: Металлургия, 1974. - 176 с.

5. Thomson, R. Hydraulic modeling of closed-head continuous casting system / R. Thomson // British Foundryman. -1976. - Vol. 69, >fe 3. - P. 62-70.

6. Демченко, E. Б. Кинетика затвердевания отливки при горизонтальном непрерывном литье / Е. Б. Демченко // Литье и металлургия. - 2005. - № 3. - С. 28-32.

7. Вейник, А. И. Теория особых видов литья / А. И. Вей-ник. - М.: Машгиз, 1958. - 300 с.

8. Roth, W. Aluminum / W. Roth. - 1948. - № 7-8.

9. Исследование, разработка и внедрение в производство новой технологии горизонтального и вертикального непрерывного литья чугунных заготовок: отчет о НИР; рук. В. И. Тутов. - Минск, 1985. - 145 с. -№ ГР 81032331.

10. Thomson, R. Notes of heat transfer and solidification rates in the continuous casting of cast iron / R. Thomson // British Foundryman. - 1977. - Vol. 10, № 1. - P. 1-7.

Поступила 13.01.2006