УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СЛИТКОВ В ИЗЛОЖНИЦЕ

Полезная модель относится к металлургии, в частности к устройствам для исследования кристаллизации слитков.
-3
Известно устройство для исследования процесса кристаллизации металлов (Пат. №839665, МПК B22D 11/00, опубл. - 1981), которое обеспечивает возможность изучения начальных стадий кристаллизации металла. Это достигается тем, что устройство снабжено двумя барабанами с частично намотанной на них общей лентой и диском, огибаемым упомянутой лентой, при этом, по крайней мере, один из указанных барабанов соединен с приводом. Кроме того, диск, огибаемый лентой, выполнен с наружной поверхностью в форме тора и составным из нескольких, по меньшей мере, двух частей, установленных на общей оси с зазором относительно друг друга по торцевым поверхностям. Диск снабжен нажимным устройством, например винтовым, причем, с целью обеспечения натяжения ленты, один из барабанов снабжен тормозом, например ферропорошковым. Таким образом, применение предлагаемого устройства обеспечивает изучение начальных стадий кристаллизации при малых интервалах времени, составляющих 10 с.
Однако предлагаемым устройством невозможно изучать процессы кристаллизации слитков, конструкция устройства не имитирует изложницу, в которой происходит затвердевание слитков.
Известна установка для моделирования затвердевания бесприбыльного слитка в прозрачной модели (Страхов В.Г. Установка для моделирования затвердевания бесприбыльного слитка в прозрачной модели / В.Г. Страхов, Н.Ф. Сапелкин // Проблемы стального слитка: Сб. трудов V конференции по слитку. - М: Металлургия, 1974. - С. 139-141). Отлитый из латуни холодильник толщиной 15 мм помещен между двух листов органического стекла, плотное прилегание которых к холодильнику обеспечивается струбцинами. Модели изготовлены в масштабе 1:10. В процессе затвердевания в полость холодильника принудительно подается охлаждающая вода.
Однако предлагаемая установка выполнена неразъемной (цельнолитой) и не позволяет менять конфигурацию модели изложницы, а также регулировать скорость разливки расплава, что делает невозможным изучение влияния данных параметров на процесс кристаллизации слитков.
Известны конструкции прозрачных моделей бесприбыльных изложниц для физического моделирования (Еронько С.П. Физическое моделирование процессов внепечной обработки и разливки стали / С.П. Еронько, С.В. Быковских // К.: Технiка, - 1998. - 136 с.), которые обеспечивают возможность изучения кристаллизации металла. Стенки в данных моделях изготовлены из органического стекла и соединены металлическими струбцинами или резьбовыми соединениями. С целью быстрого изменения их конфигурации в них используется для охлаждения недолговечные хлорвиниловые трубки или резиновые шнуры.
Однако предлагаемые конструкции устройств не позволяют регулировать скорость разливки расплава в изложницу, что делает невозможным изучение влияния данного параметра на процесс кристаллизации слитков.
Известно устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице при внешних динамических воздействиях на формирующийся слиток (Ульянов В.А. Моделирование кристаллизации слитков в изложнице при внешних динамических воздействиях / В.А. Ульянов, В.Н. Гущин, М.А. Ларин, Е.В. Матвеева // Металлы. - 1991. - №2. – С. 51-54). В комплект модельной оснастки макета изложницы входят: металлические оболочки, формирующие исследуемую часть слитка; водоохлаждаемые полости, прибыльная надставка с раздельными водоподводящими и отводящими штуцерами. Последние позволяют имитировать различную теплоаккумулирующую способность изложницы и прибыльной надставки. С противоположных сторон формирующаяся полость закрывается стеклами, обогреваемыми лампами (до температур ликвидуса изучаемого сплава), что позволяет проводить кино- и фотосъемку аппаратурой в процессе нарастания корки. Макет-изложница устанавливается на вибростенд.
Однако предлагаемая установка в донной части выполнена неразъемной, что не позволяет менять конфигурацию модели изложницы, а также регулировать скорость разливки расплава, что делает невозможным изучение влияния данных параметров на процесс кристаллизации слитков.
Известно устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице (Патент, Российская Федерация, №135551, B22D 07/08, опубл. 20.12.2013). Модель изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков, содержащая металлический каркас с водоохлаждаемыми полостями, по периметру которого закреплены прозрачные стекла, прибыльную надставку, штуцера для подвода и отвода воды, при этом металлический каркас выполнен разъемным из донной части и боковых стенок, соединенных с донной частью шарнирно с возможностью наклона на угол от 42° до 116°, в которой прибыльная надставка выполнена водоохлаждаемой, из материала с высокой теплопроводностью, со штуцерами для подвода воды в прибыльную надставку и ее отвода в водоохлаждаемые полости металлического каркаса и выхода через донную часть, причем угол наклона внутренней стенки прибыльной надставки к боковой стенке металлического каркаса составляет от 23° до 45°.
Однако предлагаемое устройство не позволяют регулировать скорость разливки расплава в изложницу, что делает невозможным изучение влияния данного параметра на процесс кристаллизации слитков.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является установка для исследования процесса кристаллизации слитков в модели-изложнице (Патент, Российская Федерация, №110667, B22D 07/08, опубл. 27.11.2011), содержащая металлический каркас с водоохлаждаемыми полостями, прозрачные стекла, прибыльную надставку, штуцера для подвода и отвода воды, при этом металлический каркас выполнен разъемным из донной части и боковых стенок, соединенных с донной частью шарнирно с возможностью наклона на угол от 42° до 116°.
Однако предлагаемое устройство не позволяют регулировать скорость разливки расплава в изложницу, что делает невозможным изучение влияния данного параметра на процесс кристаллизации слитков.
В этой связи важной задачей является разработка устройства для исследования процесса кристаллизации слитков в модели изложницы различной конфигурации для изучения процессов, происходящих при затвердевании и структурообразовании модельных слитков, с различной конусностью тела слитка, объемом прибыльной части и отношением высоты к среднему диаметра тела слитка H/D, разливаемых с различными скоростями заполнения модели-изложницы расплавом.
Техническим результатом является возможность изучения процессов, происходящих при затвердевании и структурообразовании модельных слитков с различной конусностью тела слитка, объемом прибыльной части и отношением высоты к среднему диаметра тела слитка H/D, разливаемых с различными скоростями заполнения модели-изложницы расплавом, что позволит изучать влияние изменения скорости разливки расплава на процессы кристаллизации и структурообразования и прогнозировать расположение и развитие усадочных дефектов в реальном слитке.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице, содержащем металлический каркас с водоохлаждаемыми полостями, по периметру которого закреплены прозрачные стекла, прибыльную надставку, штуцера для подвода и отвода воды, при этом металлический каркас выполнен разъемным из донной части и боковых стенок, соединенных с донной частью шарнирно с возможностью наклона на угол от 42° до 116°, отличающемся тем, что к верхней части боковых стенок прикреплена подставка со сквозным отверстием, на которой закреплена промежуточная воронка, представляющая собой металлический резервуар с днищем, в нижней части которого установлен шиберный затвор, при этом в днище выполнено выпускное отверстие, в которое установлен съемный разливочный стакан, внутренний диаметр которого определяется соотношением:
где d - внутренний диаметр разливочного стакана, мм;
L - ширина металлического каркаса, мм.
Подставка со сквозным отверстием, служащая опорой для установки на ней промежуточной воронки с помощью шпилек, крепится к верхней части боковых стенок за счет шпилек, обеспечивая возможность изучения процесса кристаллизации слитков, разливаемых с различной скоростью.
Установка съемных разливочных стаканов в выпускное отверстие, расположенное в днище металлического резервуара, позволит задавать различный скоростной режим заполнения модели изложницы расплавом за счет установки разливочных стаканов с различным внутренним диаметром, отвечающим соотношению (1).
Шиберный затвор, установленный в нижней части металлического резервуара, позволит регулировать расход и скорость разливки расплава из разливочного стакана, что обеспечит в рамках одной разливки возможность заполнять тело слитка в изложнице с одной скоростью, а прибыль с другой; при этом служит для уменьшения напора струи и разбрызгивания расплава на стенки изложниц.
Соотношение (1) выбрано на основании того, что при минимальном внутреннем диаметре разливочного стакана d<4 мм скорость разливки будет минимальной и не окажет влияния на изменение процесса затвердевания и структурообразования слитков, а также приведет к застыванию расплава в нем.
При выборе максимального внутреннего диаметра разливочного стакана d=(L-4) мм руководствуются тем, чтобы зазор между стенкой органического стекла и внешним диаметром стакана был не меньше двух миллиметров на каждую сторону, при несоблюдении данного условия может произойти разливка расплава мимо полости изложницы.
На фиг. 1 изображен общий вид устройства для исследования процесса кристаллизации слитков в модели изложницы, на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - сечение по В-В на фиг. 1.
На фиг. 4 и 5 показан угол наклона боковых стенок на 42° и 116° соответственно.
На фиг. 6 показан общий вид разливочного стакана, на фиг. 7 – сечение по А-А на фиг. 6.
На фиг. 8 показаны примеры открытия шиберного затвора.
На фиг. 9 показан закристаллизовавшийся модельный слиток с внутренним диаметром d разливочного стакана, равным 10 мм.
На фиг.10 показан закристаллизовавшийся модельный слиток с внутренним диаметром d разливочного стакана, равным 20 мм.
Устройство представляет собой плоскую модель-изложницу, содержащую металлический каркас с водоохлаждаемыми полостями 1, выполненный разъемным из трех частей, состоящий из донной части 2 и боковых стенок 3, 4, соединенных с ней с помощью шарниров 5 и формирующих контур слитка; прибыльную надставку 6, выполненную из теплоаккумулирующего материала; штуцера для подвода 7 и отвода 8 воды.
В верхней части металлического каркаса над прибыльной надставкой 6 к верхней части боковых стенок 3, 4 на шпильки 9 крепится подставка 10 со сквозным отверстием 11, на которой шпильками 12 закреплена промежуточная воронка, представляющая собой металлический резервуар 13 с днищем 14 для накопления в нем расплава, поступающего с разливочного ковша, и служащий для заполнения изложницы жидким расплавом. В нижней части металлического резервуара 13 установлен шиберный затвор 15 с нанесенной на его ручку ценой деления, которая показывает исследователю различную степень расхода и скорость разливки расплава через разливочный стакан 16 при его открытии, а также служащий для уменьшения напора струи и разбрызгивания расплава на стенки изложницы в первые секунды заливки расплава. Днище 14 имеет наклонный участок 17, приспособленный для направления находящегося в промежуточной воронке расплава к выпускному отверстию 18. Вертикальный участок 19 создает непосредственно над выпускным отверстием 18 углубление 20, в которое устанавливаются съемные разливочные стаканы 16 с внутренним диаметром d, отвечающим условию (1). Исполнение днища 14 промежуточной воронки с углублением, в котором выполнено выпускное отверстие 18, сводит количество расплава, остающегося в ковше, к минимуму.
Шиберный затвор 15, который позволяет регулировать расход и скорость разливки расплава из разливочного стакана 16, установлен снаружи в нижней части металлического резервуара 13 в направляющее гнездо 21.
С помощью шлангов 22 соединяются водоохлаждаемые полости 1 донной части 2 устройства с водоохлаждаемыми полостями 1 боковых стенок 3, 4. Крепеж боковых стенок 3, 4 к донной части 2, между которыми установлен шарнир 5, осуществляют с помощью хомутов 23 и контргаек 24, которые позволяют с помощью шарнира 5 задавать различную конусность тела слитка как в положительную, так и в отрицательную стороны, перемещая боковые стенки 3, 4. Стяжные болты 25, расположенные по периметру металлического каркаса, и струбцины 26, расположенные на боковых стенках 3, 4, позволяют плотно прижимать прозрачные органические стекла 27 с обеих сторон устройства. Для обеспечения герметичности соединений по периметру металлического каркаса проложены резиновые уплотнители. Модель-изложница устанавливается на неподвижную опору 28.
Для охлаждения модели-изложницы вода подается через штуцер 7 и охлаждает донную часть 2 устройства. С помощью шлангов 22 вода поступает в водоохлаждаемые полости 1 боковых стенок 3, 4 и отводится через штуцера 8.
Перемещение боковых стенок устройства на значение угла наклона, равное 42° (фиг. 4), позволит задавать геометрические параметры слитка с максимальной конусностью, уширенного кверху, а при угле наклона, равном 116° (фиг. 5), геометрические параметры слитка, уширенного книзу.
Максимальный объем внутренней полости модели составляет 9 л. Ширина металлического каркаса L составляет 25 мм. Ширина подставки и промежуточной воронки составляет 45 мм. Высота подставки равна 40 мм. Высота промежуточной воронки составляет 150 мм. Общая высота устройства равна 800 мм. В соответствии с условием (1) выбираем внутренний диаметр d съемных разливочных стаканов 16 от 4 до 20 мм,
В таблице 1 приведены геометрические параметры модельных слитков. На модельных слитках (фиг. 9, фиг. 10) показаны структурные зоны: 29 - зона столбчатых кристаллов, 30 - нижняя конусообразная структурная зона, 31 - зона различно ориентированных кристаллов, 32 - зона осевой рыхлости, 33 - усадочная раковина.
Работа данного устройства заключается в следующем.
Перед заливкой моделирующего вещества устройству задаются его геометрические параметры: конусность тела слитка и прибыльной части, которые рассчитываются следующим образом
,
т.сл.
где H - высота тела слитка, см;
вверх
низ
2
D, D - диаметр верхнего и нижнего основания тела слитка, см.
Рассчитываем отношение высоты Н к среднему диаметру D тела слитка:
,
т.сл.
где H - высота тела слитка, см;
вверх
низ
2
D, D - диаметр верхнего и нижнего основания тела слитка, см.
В верхней части металлического каркаса над прибыльной надставкой 6 к верхней части боковых стенок 3, 4 на шпильки 9 крепится подставка 10 со сквозным отверстием 11, на которой с помощью шпилек 12 закрепляется промежуточная воронка, представляющая собой металлический резервуар 13, в углубление 20 которого непосредственно над выпускным отверстием 18 устанавливается съемный разливочный стакан 16 с внутренним диаметром d, отвечающим условию (1), который задает различную скорость заполнения модели-изложницы расплавом.
Снаружи в нижней части металлического резервуара 13 в направляющее гнездо 21 устанавливается шиберный затвор 15, который позволяет регулировать расход и скорость разливки расплава из разливочного стакана 16 при заданном внутреннем диаметре d, отвечающем условию (1), что позволяет в рамках одной разливки заполнять тело слитка в изложнице с одной скоростью, а прибыль с другой; а также служащий для уменьшения напора струи и разбрызгивания расплава на стенки изложницы в первые секунды заливки расплава.
На ручке шиберного затвора 15 нанесена шкала деления с обозначениями, которые показывают исследователю различные степени расхода и скорости разливки расплава через разливочный стакан 16 при его открытии.
В таблице 2 приведены примеры использования делений шиберного затвора.
После того как устройству заданы все параметры моделируемого слитка, к нему с помощью штуцера 7, расположенного в донной части 2, подводится охлаждающая жидкость - вода, которая поступает через шланги 9 в водоохлаждаемые полости 1 боковых стенок 3, 4, и через штуцера 8, отводящие охлаждающую жидкость, поступает в водослив.
2
2
3
2
После этого осуществляют процесс заливки моделирующего вещества, натрий серноватистокислый (кристаллический гипосульфит) - NaSO×5HO, из разливочного ковша наполняют промежуточную воронку.
Разливку слитков в изложницу сверху начинают с постепенного увеличения скорости истечения, для чего шиберный затвор 15 сначала отодвигают на небольшую величину и лишь спустя 5-10 секунд открывают полностью и дальнейшую разливку ведут только полной ровной струей. При поступлении расплава в прибыльную надставку 6 полная струя расплава сохраняется лишь до половины высоты ее наполнения, затем скорость разливки расплава сокращается за счет изменения положения шиберного затвора 15 путем перемещения в горизонтальной плоскости в направляющем гнезде 21, изменяя тем самым сечение отверстия разливочного стакана 16, через которое проходит расплав.
По окончании заливки через произвольно заданный исследователем промежуток времени проводят замеры протяженности твердой и твердожидкой фазы, закристаллизовавшейся на трех различных горизонтах моделируемого слитка. После полного затвердевания моделируемого слитка в изложнице ее разбирают, извлекают закристаллизовавшийся слиток и проводят замер площадей структурных зон, определяют расположение и развитие усадочных дефектов в модельном слитке в зависимости от скорости разливки.
На фигурах 9, 10 показано развитие и расположение усадочных дефектов модельных слитков, в таблице 3 представлены характеристики расположения и протяженности усадочных раковин 33 осевой рыхлости 32 тела модельных слитков, разлитых с помощью съемных разливочных стаканов 16 с различными внутренними диаметрами d, т.е. с различными скоростями.
Сравнивая между собой модельный слиток №2, разлитый с помощью разливочного стакана 16 с внутренним диаметром d=20 мм, которому соответствует большая скорость разливки, с модельным слитком №1, разлитым с помощью разливочного стакана 16 с внутренним диаметром d=10 мм, которому соответствует средняя скорость разливки, установлено, что максимальное значение скорости роста кристаллов наблюдается при меньшем внутреннем диаметре d. Это объясняется значительным охлаждающим воздействием стенки формы на относительно небольшое количество расплава, поступающего из разливочного стакана 16 с меньшим внутренним диаметром d=10 мм. Но по мере нарастания закристаллизовавшегося слоя теплопроводность снижается, что приводит к снижению скорости роста кристаллов. В верхнем горизонте наблюдается постепенный рост кристаллов, в отличие от среднего и нижнего горизонта, обусловленный тепловой работой прибыли. Протяженность зоны столбчатых кристаллов 29 с увеличением внутреннего диаметра d=20 мм разливочного стакана 16 увеличивается в 1,5 раза. Глубина проникновения в тело слитка усадочной раковины 33 в модельном слитке №1 больше, чем в слитке №2, однако протяженность зоны осевой рыхлости 32 уменьшается практически в 2 раза.
Таким образом, регулирование скорости разливки расплава за счет изменения внутреннего диаметра d разливочного стакана 16 может использоваться для получения заданной структуры стальных слитков, а именно оптимального расположения усадочных дефектов, их размера и протяженности основных структурных зон, что позволит получать стальные заготовки с равномерным распределением механических свойств по сечению.
С помощью данного устройства могут быть получены следующие модели слитков: слиток с нулевой конусностью; слиток с максимальной конусностью, уширенный кверху; слиток, уширенный книзу; модель реального слитка массой 24,2 т, заливка расплава в которые осуществлялась с различными скоростями.
Предлагаемое устройство позволяет изучать процессы, происходящие при затвердевании и структурообразовании модельных слитков с различной конусностью тела слитка, объемом прибыльной части и отношением высоты к среднему диаметру тела слитка H/D, разливаемых с различными скоростями заполнения модели изложницы расплавом, что позволит изучать влияние изменения скорости разливки расплава на процессы кристаллизации и структурообразования и прогнозировать расположение и развитие усадочных дефектов в реальном слитке.