Формирование контактной поверхности намороженного металла при двухвалковом методе быстрой закалки расплава

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.7.014

ФОРМИРОВАНИЕ КОНТАКТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НАМОРОЖЕННОГО МЕТАЛЛА ПРИ ДВУХВАЛКОВОМ МЕТОДЕ БЫСТРОЙ ЗАКАЛКИ РАСПЛАВА

М. Н. ВЕРЕЩАГИН, Н. М. ЗАПУСКАЛОВ, И. В. АГУНОВИЧ

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,

Республика Беларусь

Введение

В настоящее время в ряде стран большое внимание уделяется методу двухвалковой быстрой закалки из расплава для производства лент с неравновесной структурой, что связано с упрощенной схемой ее производства, а также сокращением энергетических и экономических затрат.

Процесс быстрой закалки расплава значительно улучшает структуру, качество и физико-механические свойства металлов и сплавов. Разработка метода двухвалковой закалки расплавленного металла была вызвана стремлением повысить скорость охлаждения при изготовлении ленты в диапазоне толщин 0,065-1,4 мм. Такой диапазон толщины ленты связан, с одной стороны, с ограничением возможности достижения высокой, порядка 104-105 °С/с, скорости охлаждения остывающего в створе валков металла за счет интенсивного теплоотвода, что ограничивает верхний предел. С другой стороны, при малой толщине и значительном отношении площади поверхности контакта ленты с валком к его объему более резко ухудшается качество изделий. Сюда же присоединяются возрастающие требования к качеству получаемых лент, что включает в себя точность их геометрических размеров и формы, показатели качества отделки поверхности, а также физико-механические и служебные свойства металлов и сплавов.

Целью данной работы является исследование формирования контактной поверхности ленты при двухвалковом методе быстрой закалки расплава.

Постановка задачи

Контактная поверхность валка и ленты в процессе двухвалковой быстрой закалки расплава представляет весьма сложную систему, геометрия и структура которых зависят от целого ряда факторов. В процессе взаимодействия намороженного металла с поверхностью валка-кристаллизатора и последующей его прокатки происходит изменение их геометрических и структурных параметров. Молекулярно-гладкая поверхность расплава под действием поверхностного натяжения, вследствие зарождения центров кристаллизации, фазовых превращений при кристаллизации, роста кристаллов и их взаимного взаимодействия, а также их взаимодействия с расплавом, который не успел закристаллизоваться, претерпевает кардинальное изменение и становится рельефной, шероховатой. Изменение топографии поверхности ленты во времени в дальнейшем обуславливается ее взаимодействием с шероховатой поверхностью валка-кристаллизатора при последующей прокатке. В этом случае шероховатость ленты определяется шероховатостью поверхности валков и коэффициентом отпечатываемости, при этом поверхность валка подвержена явлению износа вследствие наличия эффекта опережения при прокатке, а также фазовыми превращениями в металле ленты, которые могут протекать при охлаждении. При увеличении шероховатости валка, соизмеримой с шероховатостью поверхности рельефа дендритов, шероховатость валка начинает отпечатываться на поверхности ленты. При взаимодействии реальных поверхностей последние характеризуются погрешностью формы и шероховатостью. Последняя

образуется на валке при обработке его поверхности с периодическим взаимодействием абразивного круга различной зернистости. Причем к источникам шероховатости первого порядка относится инструмент, характер относительного движения и пр. Разнородность свойств кристаллитов, наличие или образование различных фаз и включений создают шероховатость различных порядков.

Как отмечается в работе [1], атомно-молекулярное строение вещества предопределяет возникновение определенного вида шероховатости - кристаллографической шероховатости. Несовпадение кристаллографических плоскостей с номинальной поверхностью тела дает сильно- и малоразориентированные поверхности, которые требуют больших давлений при сближении тел.

На площадках фактического контакта при взаимодействии шероховатых поверхностей развиваются высокие удельные давления, которые приводят к их взаимному внедрению и сдвигу неровностей в зависимости от прочностных характеристик материалов.

Результаты исследований и их обсуждение

На рис. 1 представлены зависимости влияния шероховатости валка на шероховатость ленты и коэффициент отпечатываемости валка на ленте.

Рис. 1. Влияние шероховатости валка на шероховатость ленты и коэффициент отпечатываемости валка на ленте

Здесь К = Raв/Raл - коэффициент отпечатываемости, где Raв, Raл - шероховатость валка и ленты соответственно.

Можно видеть, что с ростом Яа валка (Raв) коэффициент К увеличивается. С увеличением удельного давления шероховатость ленты уменьшается и приближается к шероховатости валка (рис. 2).

Данный эффект связан с наличием шероховатости ленты, созданной дендритами. При шероховатости валка, соизмеримой с шероховатостью поверхности рельефа дендритов, шероховатость валка начинает отпечатываться на поверхности ленты.

В процессе взаимодействия шероховатых поверхностей твердых тел происходит истечение намороженного металла в сужающиеся щели между гребешками шероховатостей. На рис. 3 представлена схема вдавливания шероховатой поверхности валка в намороженную корку металла, причем два уровня нагрузки ои1, оп2 показывают распределение напряжений на начальной и конечной стадии внедрения соответственно.

лг=*?=

Яа

Р, кН  тт~

Рис. 2. Зависимость коэффициента отпечатываемое™ валка на ленте от давления при постоянной шероховатости

Рис. 3. Вдавливание шероховатой поверхности валка в намороженную корку металла

Ширина щели определяется средним расстоянием между микровыступами Sm0. Величина Smс - ширина свободной поверхности металла, которая изменяется от начального значения Sm1с до конечного Sm2с. Здесь Sm1н и Sm2н - поверхность контакта на начальной и конечной стадии нагружения. В соответствии с работой [2] нормальное для истечения металла напряжение равно

а = ра 5 1п

Smn

где - предел текучести металла; Р - коэффициент Лодэ.

В случае плоской задачи Ра5 = 1,15а5 = 2К. Здесь К - сопротивление сдвигу

намороженного металла.

Величину нормального напряжения при истечении намороженного металла в плоскую щель найдем следующим образом. Пусть усилие сжатия валков при прокатке равно Р.

Р

Тогда усилие, приходящееся на одну щель, составляет Рт = —, где Lв - длина бочки

валка-кристаллизатора. Номинальная площадь контакта при сжатии металла валками при истечении его в щель, определяется как Fнm = ¿т0Rф2, где R - радиус валка; ф2 - угол,

соответствующий концу процесса кристаллизации расплава и началу его прокатки. Угол ф2 определяется из соотношения [3]:

ф2 = arcsin ———,

2

где у2 - абсцисса конца зоны затвердевания; Ж - половина толщины корки

намороженного металла.

Абсцисса конца зоны затвердевания находится из выражения [3]:

—2 =

[------г-rarcsinf —1| + R]2 -R2 ,

2Ä

где то - угловая скорость валков; у1 - абсцисса конца зоны отвода тепла перегрева; В2 -коэффициент, зависящий от теплофизических свойств расплава и условий теплообмена. Координата у1 конца зоны отвода тепла перегрева найдена ранее [3] и равна

у = R sin[СрР +

1 2а T - T0 R

где f (R,у0) = 2R[1 - ^ 1 - (~)2 ] +1; Уо - координата зеркала расплава; а - коэффициент

теплопередачи между расплавом и валком; Ср, р - удельная теплоемкость и плотность

расплава; Ткр, Г1, Т0- температура кристаллизации металла, температура металла в момент заливки и температура валка кристаллизатора соответственно.

Величина коэффициента В2 находится из выражения [3]:

В 2 = {Т + -+т],

2к1п ^ п +1)

где Ср1, р1, - удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности

намороженного металла соответственно; п - безразмерный параметр, зависящий от свойств расплава и имеющий смысл показателя степени для кривой распределения

т Ч

температуры в затвердевшей корке; т =---------------------; ч - удельная теплота

Ср1

кристаллизации металла.

Таким образом, номинальная площадь контакта при прокатке намороженного металла при его истечении в щель с учетом вышесказанного определяется следующим образом:

Fнm = Sm0R arcsin{ 1

R + Ж

[------1------arcsin + R]2 -R2},

2B2(to + 1) R

^ + АН

где Ж= 2— - половина толщины корки намороженного металла; Нк - конечная

толщина получаемой ленты; АЛ - величина абсолютного обжатия намороженной корки металла [3].

[---1-----штат(^) + R]2 - R2

АН = 2В

R

Окончательно, для одной щели при истечении в нее намороженного металла при прокатке величина нормального напряжения равна

Р

Величина Fн находится из выражения (6). Из уравнения (1) следует, что

Sm

2н

а

Sm0

= 1 - ехр(--п) = 1 - ехР(-

2К

р

2^н L

т в

)

Отсюда поверхность контакта на конечной стадии нагружения металла при его истечении в плоскую щель, образованную гребешками шероховатости, равна

^2н = ^о(1 - ехР( -

Р

Fн 2 КЬ

т в

)).

Анализ выражений (6)—( 10) показывает, что в изотермических условиях деформирования на начальных ее стадиях, сила трения не может достичь максимального значения из-за отсутствия сплошного контакта на поверхности соприкосновения.

Р

При--------------> ^ контактная поверхность стремится к насыщению, т. е.

Fн т 2КЬв

Sm2JSmо ^ 1.

На рис. 4, 5 показаны расчетные зависимости контакта намороженного металла Sm2н на конечной стадии его нагружения при истечении металла в плоскую щель, образованную гребешками шероховатости от усилия сжатия валков-кристаллизаторов при заданных технологических параметрах.

Можно видеть, что усилие сжатия ведет при прочих равных условиях к росту величины Sm2н. Кроме того, следует отметить, что на величину Sm2н и Fнm сильное

влияние оказывает шероховатость валка Sm0 (выражения (6) и (10)). С уменьшением Sm0

данные величины стремятся к номинальной, что говорит о необходимости тщательной подготовки поверхности валков для осуществления процесса двухвалковой быстрой закалки расплава при получении качественной тонкой полосы.

Рис. 4. Влияние усилия сжатия валков Р на фактическую площадь контакта Smh : радиус валка R = 200 мм; скорость прокатки V = 3 м/с; температура перегрева Тпер = 30 °С;

сопротивление деформации металла а ж = 280 МПа; Sm0 - начальная шероховатость поверхности валка

Рис. 5. Влияние усилия сжатия валков Р на фактическую площадь контакта Smh : радиус валка R = 200 мм; скорость прокатки V = 4 м/с; температура перегрева Тпер = 30 °С; сопротивление деформации металла аж = 280 МПа;

Sm0 - начальная шероховатость поверхности валка

Заключение

Молекулярно-гладкая поверхность при двухвалковой быстрой закалке расплава претерпевает кардинальное изменение и становится рельефной, шероховатой, причем шероховатость ленты определяется шероховатостью валков и коэффициентом отпечатываемости. В процессе взаимодействия шероховатых твердых тел (лента, валок) происходит истечение намороженного металла в сужающиеся щели между гребешками шероховатости валка, поэтому при изготовлении ленты методом двухвалковой закалки расплава необходимо тщательно вести подготовку поверхности валков путем уменьшения его шероховатости.

Литература

1. Макушок, Е. М. Массоперенос в процессах трения / Е. М. Макушок, Т. В. Калиновская, А. В. Белый. - Минск : Наука и техника, 1978. - 272 с.

2. Зибель, Э. Обработка металлов в пластическом состоянии / Э. Зибель. - Москва : ОНТИ, 1954.

3. Верещагин, Л. Н. Анализ процесса затвердевания металла при двухвалковой закалке расплава / Л. Н. Верещагин // Вес. Нац. акад. навук Рэсп. Беларусь. Сер. фiз.-тэхн. навук. - 1994. - № 2. - С. 47-52.

Получено 06.04.2007 г.