Кинетика плавления внутреннего холодильника малой массы в отливках цилиндрической формы Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 621.74

А.М.Скребцов, А.О.Секачев, А.А.Прокопов

КИНЕТИКА ПЛАВЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ХОЛОДИЛЬНИКА МАЛОЙ МАССЫ В ОТЛИВКАХ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

Улучшение качества металла слитков и отливок за счет использования внутренних расплавляемых холодильников малой массы давно привлекает внимание ученых-металлургов. Такие холодильники акад. Н.Т.Гудцов [J] назвал кристаллизаторами и поставил задачу определения их оптимальной массы и конструкции.

В литературе известны немногочисленные опыты по использованию внутренних расплавляемых холодильников Так, например, В.И.Данилов и В.Е.Неймарк [2] отливали алюминиевые слитки с холодильниками из того же материала. Холодильники массой 0,6 - ],4 % от массы слитка в виде проволок или полосок помещали в литейную форму перед заливкой в нее расплава. Было достигнуто сильное измельчение структуры затвердевшего металла.

Задача настоящей работы - изучение особенностей кинетики плавления холодильников малой массы в металлическом расплаве с целью поиска закономерностей и оптимизации этого процесса.

Опыты проводили с использованием сплава алюминий - кремний (силумин). Металлический расплав и холодильники имели одинаковый химический состав. Холодильники массой 0,5 - [,5 % от массы расплава имели размеры: а) длина 90 мм, - диаметр 8; 11 и 13,5; б) длина 45 мм, - диаметр 11; 13.5 и 17 мм; в) длина 30 мм. - диаметр 13,5; 17 и 20 мм. Температуру расплава измеряли хромель-копелев ой термопарой. Опыты провели при двух температурах расплава - 750 °С и 680 °С.

Во время опыта металл расплавляли в печи типа СШОЛ в стальном тигле. Расплавленная ванна массой 2,2 кг была диаметром 90 и высотой 120 мм. После плавки металлической шихты и достижения заданной температуры в сплав для рафинирования вводили поваренную соль 0,5 % от массы расплава). Затем с помощью специального захвата один из холодильников погружали вдоль центральной оси в верхнюю часть расплава, что приводило к его охлаждению со скоростью I - 2 град/сек. Время извлечения холодильника из печи было выбрано 5, 10 и 15 сек. С каждым типора змером холодильника и временем извлечения из расплава было проведено по несколько опытов (3 - 7); результаты опытов усредняли.

Предварительный анализ результатов опытов показал, что холодильники, извлеченные из расплава через 5 сек либо сильно оплавлялись (положительная скорость плавления), либо на них намораживался металл (отрицательная скорость). При обработке опытных данных скорость плавления / ^

W выразили в г / см сек . Использование положительных и отрицательных значений W представляет большие неудобства. Поэтому величину W преобразовали в условную положительную скорость W по формуле

W = W -105 + Ь, СП

где b - постоянная положительная величина (в наших опытах b = 30).

Насколько нам известно из литературы, подобное преобразование величин в процессе плавления холодильников и намерзания на них расплава произведено впервые.

Следующий вопрос исследования,- от каких величин зависит W'. Известно, например, что литейщики часто пользуются положением Й.Пржибыла [3], скорость плавления W' тем больше, чем больше отношение площади его поверхности S к объему V, т.е. S/V.

Очевидно критерий Й.Пржибыла S/V является не вполне универсальной характеристикой холодильника. Необходимо дополнительно учитывать его

массу т в сравнении с массой отливки или теплового узла М. Поэтому была поставлена задача поиска более общей зависимости величины W' от технологических параметров отливки и холодильника.

Считали, что скорость плавления холодильника

прямопропорциональна отношениям величин S / V и Mim, т.е.

г'ЛЛ (2)

V т

Критерий ( 2 ) для плавления холодильника более универсален по сравнению с критерием SA'*.

При постоянной массе расплава М критерий (2) видоизменяется

V m

(2а)

Так как масса холодильника т пропорциональна его объему V, то выражение ( 2а ) можно представить в упрощенном виде:

^ JL

V V V2

(26)

Рис. I. Средние значения ддя интервала времени 0-5 сек преобразованной скорости плавления холодильника W' в зависимости от его начального критерия S/V" . Цифры у точек - количество опытов. Обозначения точек, соответственно при температурах 750 и 680 °С, и процент холодильника: О . • -0.5%; Л,Д - 1,0% И ; -1.5 %.

На рис. I представлены средние значения Wr в интервале времени G - 5 сек в зависимости от величины упрощенного критерия плавления холодильника

Sí в начальный момент времени (т=0) для двух температур расплава 750 и 680 °С. Как видно из рисунка, опытные данные группируются около двух кривых; при этом величина W' при 750 °С больше, чем при 680 °С.

Кривые рис. J описали с помощью уравнений вида

W-4A (к*

где А и П эмпирические постоянные.

Прологарифмировав уравнение ( 3 ) имеем

\g1V' = \gA + nlg(-pM I У

О)

На рис. 2 представлены значения \У' в зависимости от ) для

температур 750 °С (а) и 680 °С (б). Как видно из рисунков, точки для каждой температуры укладываются на два отрезка прямых, из которых один относится к плавлению холодильника, а второй к намерзанию на нем расплава. Обработка линий рис.2 позволила получить следующие уравнения зависимостей в интервале времени плавления 0 - 5 сек:

(S

1А

io

-3,90 43 -ii V

Рис. 2. Зависимости между величинами IgW и Ig(S/V' ) для температур опыта 750 сС (а) и 680 °С (б).

.лш (5)

Wr = b.\5-\Q*\StVl) "

W = 2МЛЪ7\SiV2) W' = \siV2)

0,9(1

1,47

0,7 У

(6) (7) (3)

В уравнениях ( 5 ) - ( 7 ) значение W выражено в г/см" с, а величина S /V" в мм (условно, обратная величина произведения толщины холодильника на его объем).

Уравнения ( 5 ), ( 7 ) относятся к плав J гению холодильников при температурах соответственно 750 и 680 °С. Уравнения ( 6 ) и ( 8 ) описывают кинетику намерзания расплава на холодильнике при тех же температурах.

Сравнение уравнении ( 5 ) и ( 6 ) с уравнениями ( 7 ) и ( 8 ) показывает, что при температуре 750 °С скорость плавления холодильников выше по сравнению с температурой 680 °С

Из литературы известно, что зависимость скорости процесса плавления холодильника от температуры можно выразить уравнением [4|:

где А - постоянная эмпирическая величина;

R - универсальная газовая постоянная равная 8,31 Дж/(моль град); Т - абсолютная температура, Е - энергия активации процесса, Дж/моль.

Разделив уравнение ( 5 ) на (7 ) и используя уравнение ( 9 ) для процесса плавления холодильника в интервале температур 680 - 750 6С получили:

( J0)

Е = 342 + 54,3Ig^S/ / моль

Аналогично, из уравнений ( 6 ) и ( 8 ) для намерзания расплава на холодильнике нашли:

Е = 254 + 56^5/ V2"},Дне / моль ( И }

Из уравнений ( 10 ) и ( 11 ) при значениях lg(S/V" ) ~ - (3.9 - 4,5) можно вычислить энергию активации процесса плавления холодильника в металлическом расплаве. Так из уравнения ( 10 ) для плавления холодильника энергия Е =s 100 - 230 Дж/молъ, а ддя намерзания расплава из уравнения ( И ) Е ^ 4 - 35 Д ж/моль. Для сравнения отметим, что при плавлении стального лома в железоуглеродистом расплаве F, = 168 - 800 Дж/моль [5]. Сравнение полученных в работе величин Е с литературными значениями показывает, что плавление холодильника в силуминовом расплаве протекает в диффузионном режиме. Чем больше энергия активации, тем больше скорость растворения холодильника зависит от температуры. Следовательно, скорость плавления холодильника, по сравнению со скоростью намерзания расплава, больше ускоряется с повышением температуры. Уравнения ( 10 ) и (! I ) показывают, что при одном и том же объеме холодильника с увеличением S растет энергия активации процесса, т.е. плавление несколько смещается в сторону кинетического режима Для диффузионного режима характерно ускорение процесса при перемешивании расплава или каком-либо другом внешнем воздействии на расплав.

Выводы:

1. На сплаве силумина разработана методика изучения скорости плавления в жидком металле холодильников малой массы (0,5 %; 1,0 %; 1.5 %) и намерзания на них расплава. Для удобства описания результатов опытов впервые предложен способ преобразования величин скоростей плавления (положительные и отрицательные), в единый ряд положительных значений чисел.

1 Найден новый критерий плавления холодильника в металлическом расплаве

М S

с массами соответственно т и М, т.е. —, — , где отношение площади

т V

поверхности S к объему холодильника V является ранее предложенным критерием И.Пржибыла.

3 Скорости плавления холодильников и намерзания на них расплава описаны

уравнениями вида W' - A^S i V2") , где при температурах 750 и 680 °С

значения П для плавления равны соотвественно 1,68 и i ,47, а для намерзания

0.96.и 0,79. Значения П показывают, что плавление в большей степени зависит or площади холодильника в сравнении с намерзанием расплава. Последнее объясняется, вероятно, усилением конвекции расплава при плавлении холодильника.

4. Найдены величины энергии активации Е процессов плавления холодильника и намерзания расплава в нем. Величина Е увеличивается со значением S/V" и изменяется для плавления в пределах « 100 - 230, а для намерзания «4-35 Дж/молъ. Низкие значения Е показывают, что изучаемые процессы протекают в диффузионном режиме. Следовательно, они могут быть ускорены при перемешивании расплава любыми способами.

Библиограф ический спысо к

1. ¡'убцав Н./^Основные вопросы изучения стального слитка// Стальной слиток.-М., 1952.-С.11 -20.

2. Данилов В И.НсймаркВ. Е.Влияние условий кристаллизации на структуру алюминиевого слитк «//Металлург.-! 938,- No 10 <! 06).- С. 34 - 37.

3. Теоретические основы литейной технологии/ Ветигика А.. БраОек Й.. Мацашек И., Словак С. Под ред. К.И.Ващенко: Пер. с чеш.-К.: Вища школа, 1981.- 320 с.

4. Жухоницкий A.A., Шнарцман Л.А. Физическая химия.-М.: Металлургия, 1968,- 520 с.

5. Скребцов A.M. О механизме плавления стального лома в промышленных агрегатах выплавки металла// Тепло- и массообмен в ваннах сталеплавильных агрегатов. Научные тр. Моск. ин-та стали и сплавов.-М., 1979.- № 120 - С.65 - 68.