CC BY
38
штшг ттжш/ к
- 2 (46), 20081 Ii
л ИТЕИНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
The heating peculiarities of forming of wire slugs of precious alloys at continuous casting in graphite crystallizer are investigated
Е. И МАРУКОВИЧ, А. М. БРАНОВИЦКИЙ,
Ю. А. ЛЕБЕДИНСКИЙ, В. Л. ДЕМЕНТЬЕВ, HTM HAH Беларуси
АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ ОТЛИВОК
УДК 621.74.047.001.57
При производстве отливок из драгоценных металлов предъявляются высокие требования к их химическому составу и качеству, в них не допускаются ликвационные дефекты и пористость. В настоящее время для получения отливок высокого качества все большее применение находят методы непрерывного литья.
Целью работы является исследование тепловых особенностей формирования проволочных заготовок из драгоценных сплавов при непрерывном литье в графитовый кристаллизатор.
Принципиальная схема установки непрерывного литья с вертикальной технологической осью для получения проволочных отливок из цветных и драгоценных металлов приведена на рис. 1. Плавка шихты и подготовка расплава осуществляются в индукционном плавильном узле, состоящем из графитового тигля 2, расположенного внутри стакана 1. Стакан, выполненный из жаропрочного немагнитного материала с малым коэффициентом теплопроводности, играет роль футеровки. Стакан помещен внутри многовиткового водоохлаждаемого индуктора 4 таким образом, что дно рабочей полости тигля находилось в центральной части индуктора. Расплав 3 из тигля 2 попадает в рабочую полость кристаллизатора, состоящего из водоохлаждаемого стального корпуса 5 и графитовой вставки 7. Вставку кристаллизатора и тигель изготавливали из цельной графитовой заготовки плотностью 1800 кг/и3. В нижней части корпуса кристаллизатора имеются отверстия 8, служащие для вторичного охлаждения отливки. Отливка циклически (движение—остановка) извлекается из кристаллизатора тянущим устройством 10.
Наиболее востребованы в ювелирной промышленности отливки малых (3—6 мм) диаметров. Малые размеры отливки и кристаллизатора затрудняют температурные измерения. В этих
Рис. 1. Схема установки непрерывного вертикального литья: / — футеровка; 2 — тигель; 3 — расплав; 4 — индуктор; 5 — металлический корпус кристаллизатора; 6 — вода; 7 — рабочая втулка кристаллизатора; 8 — отверстия для вторичного охлаждения; 9 — отливка; 10 — вытягивающее устройство
условиях наиболее экономически обоснованным подходом к разработке технологического процесса и оборудования для, литья является использование математического моделирования [1, 2].
Одним из основных материалов для производства ювелирных изделий в Республике Беларусь является сплав марки ЗлСрМ 585-80. Справочные данные по зависимостям теплофизичес-ких параметров материалов от температуры выб-
б/ЛГГТТг^ гг г^^ггт^/г^гггггт
/ 2 (46), 2008-
раны на основе литературных данных [3, 4]. Общая длина графитовой рабочей втулки кристаллизатора составляет 75 мм. Предположили, что 30 мм втулки (зона I) разогреты индукционными токами до температуры 1272 К. Для расчета в этой области использовали граничные условия I рода. Далее на протяжении 10 мм втулка контактирует с футеровкой (зона II). Теплоотводом в футеровку пренебрегали. В охлаждаемой зоне кристаллизатора протяженностью 30 мм (зона III) приняты граничные условия III рода с коэффициентами теплоотдачи на границе отливка — кристаллизатор а1-2 = 5500 Вт/(м2 К) и на границе графит -вода ос2_4 = 4000 Вт/(м2 ■ к) Коэффициент теплоотдачи в зоне вторичного охлаждения (зона IV) считали равным а= 200 Вт/(м2 ■ К). Данные граничные условия являются характерными для процесса непрерывного литья цветных сплавов [5]. Температура расплава в металло-приемнике — 1322 К. Расчетный шаг по времени — 0,05 с, время выхода на установившийся режим литья — 150—200 с.
На рис. 2 показано распределение температурного поля в продольном сечении отливки диаметром 5 мм из сплава ЗлСрМ 585-80 и графитовой втулки при скорости литья 0,12 м/мин (штриховкой обозначена двухфазная зона — область затвердевания). Как видно из рисунка, область затвердевания находится вблизи границы зон II и III. Как показывают расчеты, область затвердевания находится в зоне II для отливок диаметром 3—5 мм — в диапазоне скоростей литья 0,9—0,15 м/мин, для отливок диаметром 5—8 мм — в диапазоне скоростей 0,15— 0,20 м/мин. Характерный вид векторного поля теплового потока в продольном сечении графитовой втулки и отливки из сплава ЗлСрМ 585-80 показан на рис. 3. Как видно из рисунка, в зоне II и части зоны III имеет место значительный тепловой поток в продольном сечении отливки.
На рис. 4 приведено характерное для выбранных размеров отливки изменение температуры поверхности слитка из сплава ЗлСрМ 585-80 по длине. Для отливок диаметром 3 мм температура поверхности при скоростях литья 0,09—0,15 м/мин различается незначительно, не более чем на 25 градусов, максимальное различие наблюдается на выходе отливки из кристаллизатора. С увеличением диаметра отливки данная разница растет и для отливки диаметрами 5 и 8 мм составляет соответственно 45 и 75 градусов. Температура поверхности отливки на выходе из кристаллизатора составляет для диаметров 3, 5 и 8 мм соответственно 570-595, 640-685, 725-800 градусов. Для рассмотренных скоростей литья и размеров отливки изменение температуры поверхности слитка носит идентичный характер. Наиболее заметное отличие наблюдается на выходе из крис-
70 z, мм
Рис. 2. Расположение изотерм в конце времени остановки в цикле вытяжки в продольном сечении отливки диаметром 5 мм из сплава ЗлСрМ 585-80 и графитовой втулки при скорости литья 0,12 м/мин
R, мм 10:
8-
—Г
20
40
60
Z, мм
Рис. 3. Векторное поле плотности теплового потока в конце времени остановки в цикле вытяжки в продольном сечении отливки диаметром 5 мм из сплава ЗлСрМ 585-80 и графитовой втулки при скорости литья 0,12 м/мин
т, к
1200
1000 -
800
600
N ч А
к/ Л
yssv 3
1 и Iii
"I...................Г"
20
40
SO Z, ММ
Рис. 4. Изменение температуры поверхности отливки диаметром 5 мм из сплава ЗлСрМ 585-80 по длине: 1 — при скорости литья 0,9 м/мин; 2 — 0,12; 3 — 0,15 м/мин
таллизатора — с ростом диаметра увеличивается разброс температур для разных скоростей литья. Характерное для тонких отливок изменение радиальной составляющей плотности теплового потока между отливкой и кристаллизатором ЗлСрМ 585-80 по длине отливки показано на рис. 5. Как видно из рисунка, в зоне I имеет место тепловой поток из кристаллизатора в отливку. Это можно объяснить значительным тепловым потоком в осевом направлении отливки в зоне II (см. рис. 3). В зоне II радиальная составляющая теплового потока
4
ГШ к if (гшилшя I 7
- 2 (46). 2008 I Ж
меняет направление. Это свойственно для всех рассмотренных скоростей литья и размеров отливки.
Аналогичным образом формируется отливка из сплава ПСр-70. Так, при литье проволоки диаметром 6 мм со скоростью 0,04 м/мин и перегреве 150 градусов область затвердевания находится вблизи границ зоны II, при дальнейшем снижении скорости литья область кристаллизации смещается в зону I. При увеличении скорости литья до 0,07 м/мин фронт затвердевания смещается к зоне III кристаллизатора. При снижении перегрева расплава до 100 градусов область кристаллизации находится в зоне II при изменении скорости литья от 0,09 до 0,11 м/мин. Как и в случае со сплавами на основе золота, имеет место интенсивный отвод тепла из зоны I в зону II кристаллизатора.
Расчетное положение фронта затвердевания хорошо согласуется с экспериментальным [6], где для определения положения фронта затвердевания использовали кристаллизатор с переменным диаметром, увеличивающимся в направлении извлечения отливки.
Таким образом, проведена численная оценка температурных полей и тепловых потоков в отливке при непрерывном литье проволоки из драгоценных металлов.
Показано, что формирование отливки происходит на границе неохлаждаемой и охлаждаемой областей, в зоне II кристаллизатора, где имеет место значительный тепловой поток в осевом направлении отливки. Определили, что формирование отливки диаметром 3—5 мм из сплава ЗлСрМ 585-80 происходит в зоне II (при перегреве 150 градусов) при скорости литья 0,9—0,15 м/мин, для отливок диаметром 5—8 мм — при скорости литья 0,15—0,20 м/мин. Скорость вы-
Рис. 5. Изменение радиальной составляющей плотности теплового потока на поверхности отливки диаметром 5 мм из сплава ЗлСрМ 585-80 по длине: 1 — при скорости литья 0,9 м/мин; 2 - 0,12; 3 - 0,15 м/мин
тяжки проволоки диаметром 6 мм из сплава ПСр-70 при перегреве 150 градусов составляет 0,04—0,07 м/мин, при перегреве 100 градусов -0,09-0,11 м/мин.
Литература
1. Марукович Е.И., Брановицкий A.M., Харьков В.А. Расчет затвердевания цилиндрической непрерывной отливки // Литье и металлургия. 2001. № 2. С. 25-29.
2. Марукович Е.И., Брановицкий A.M., Харьков В.А. Двухмерная математическая модель для расчета затвердевания цилиндрической непрерывной отливки // Литье и металлургия. 2002. №1. С. 27-30.
3. Савицкий Е.М. Благородные металлы. М.: Металлургия, 1984.
4. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1968.
5. Кац A.M., Шадек Е.Г. Теплофизические основы литья слитков цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983.
6. Марукович Е.И., Харьков В.А. Оборудование для непрерывного литья проволоки // Литье и металлургия. 2001. №2. С. 79-81.
