Научная статья на тему 'Охлаждение металлического расплава в различных формах'

Охлаждение металлического расплава в различных формах Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
395
26
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Скребцов Александр Михайлович, Секачев Александр Олегович, Петренко Дмитрий Иванович

Впервые в литературе ввели понятие удельной скорости охлаждения расплава (у.с.о.р.) на единицу площади раздела форма-расплав. Обнаружили, что у.с.о.р. при увеличении его приведенной толщины в формах с интенсивным отводом теплоты -увеличивается , а в формах с малой интенсивностью, наоборот уменьшается. Обнаруженное явление может быть использовано в расчетах затвердевания слитков и отливок.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Скребцов Александр Михайлович, Секачев Александр Олегович, Петренко Дмитрий Иванович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Охлаждение металлического расплава в различных формах»

ВЕСТНИК

ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2000 г. Выи_№9

УДК 621.744

Скребцов А.М.', Секачев А.О.2, Петренко Д.И.3

ОХЛАЖДЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РАСПЛАВА В РАЗЛИЧНЫХ ФОРМАХ

Впервые в литературе ввели понятие удельной скорости охлаждения расплава (у. с. о.р.) на единицу площади раздела форма-расплав. Обнаружили,что у.со.р. при увеличении его приведенной толщины в формах с интенсивным отводом теплоты -увеличивается , а в формах с малой интенсивностью, наоборот - уменьшается. Обнаруженное явление может быть использовано в расчетах затвердевания слитков и отливок.

В научной литературе как очевидный факт принимают, что чем меньше размер литейной формы, тем больше общая скорость охлаждения в ней металлического расплава [1]. Не оспаривая этот очевидный факт мы обратили внимание на следующее обстоятельство. Удельная скорость охлаждение расплава на единицу площади расплава раздела металл-форма может не так однозначно зависеть от размера формы.

В настоящей работе проанализировали опубликованные в литературе экспериментальные данные [1, 2, 4 -6] и собственные исследования по охлаждению в различных условиях металлических расплавов и модельных жидкостей. Основной принцип анализа заключался в том, что вместо общепринятой общей скорости впервые использовали скорость охлаждения вещества на единицу поверхности раздела расплав - форма.

Опыты в цилиндрических тиглях малого размера

В работе [1] опыты проводили с расплавами сурьмы, алюминия высокой степени чистоты, а также армко-железо; в работе [2] - с расплавами серого чугуна. Собственные исследования проводили на модельных жидкостях, - 15 %-ный водный раствор поваренной соли и пара-фино-стеаринованя смесь с температурой плавления ~ 49+50 °С. Температуру охлаждающей жидкости измеряли платино-платинородиевыми [1,2] и хромель-алюмелевыми термопарами [1], а также стеклянными термометрами.

В работе [1] сурьму и сплавы железа плавили и охлаждали в тонкостенных кварцевых тиглях диаметром от 5 до 70 мм, а алюминий - в графитовых тиглях того же диаметра. Серый чугун в работе [2] заливали в песчаные формы диаметром 25,0-62,5 мм. В собственных исследованиях в качестве литейной формы применяли куски стальных трубок диаметром от 21 до 54 мм.

Металлические расплавы заливали в формы при перегревах 70-100 °С. Расплавы парафи-но-стеариновой смеси (всего более 120 опытов) заливали в формы при повышенных (130+150 °С), средних (1104-130 °С) и пониженных (90+110 °С) температурах.* Во всех случаях были опубликованы в работах [1,2] или получены нами кривые охлаждения жидких веществ, по которым вычислили общую скорость охлаждения расплава

При обработке опытных данных считали, что расплав охлаждается только с боковой поверхности цилиндрического тигля диаметром (I. Охлаждением расплава с верхнего и нижнего торца цилиндра пренебрегали. Для цилиндрического тигля диаметром (I удельная охлаждающая поверхность Б¥ определяется так:

' Ш ТУ, д-р техн. наук, проф.

2 Ш ТУ, аспирант

3 Ш ТУ, аспирант

* В проведении опытов принимал участие студент Ш ТУ rp.MJI-92-2 Клименко М.В.

да? • И

л(с1214) И

4_

О)

где 5б - площадь боковой поверхности тигля, мм2; НУ- объем расплава в тигле, мм3; И - высота тигля, мм. Как известно, приведенная толщина тигля <4, мм, вычисляется по уравнению [3]:

ж{с1г 14) Н _ ^

ж/ • И 4

С учетом выражений (1) и (2) удельная скорость охлаждения расплава в тигле уу:

V = —

(4/</) 0 4 0 "

(2)

(3)

По найденным значениям величин построены кривые рис. 1 для удельной скорости охлаждение жидкости уу в зависимости от приведенной толщины литейной формы с расплавом с/„. Из рисунка видно, что при охлаждении расплавленных металлов и других материалов в металлических формах (кривые 1-гЗ рис. 1,а и кривые 4 рис 16) с увеличением приведенной толщины формы ¿/п увеличивается удельная скорость охлаждения расплава уу. Наоборот, при охлаждении расплава металла в песчаной форме (кривые 4,5 на рис. 1а) с увеличением с1п уменьшается величина vy. При обсуждении рис. 1 необходимо заметить, что в работе [2] температуру расплава измеряли вверху цилиндра, - кривая 4 на рис. 1а и внизу, - кривая 5 на рис. 1а. По-видимому этим обстоятельством объясняется несколько различное положение кривых 4,5 на рис. 1а. Из рисунка 1 видно, что зависимости между величинами уу и с1п для металлов (рис. 1а) и неметаллических жидкостей (рис. 16) имеют один и тот же характер; при этом значение уу для металлов примерно на порядок меньше по сравнению с металлами.

21,0

14,0

0,0

а V» о 1 -А 2

_ ^ 3

5 4

0,0 7,0 14,0 21,0

£/„, ММ

I

'о со

8-

0,80

0,65

0,50

0,35

0,20

б 1

2 4

□ 3

8 11 С1П, ММ

14

Рис. 1 - Удельная скорость охлаждения жидкости уу в зависимости от приведенной толщины литейной формы с расплавом ¿4; а - расплавы металлов; обозначения кривых: 1,о - Ре; 2, А - БЬ; 3,х - А1; 4,Ф - серый чугун, верх цилиндра; 5,П - то же, низ цилиндра; б - расплав парафино-стеариновой смеси и водный раствор ЫаС1; обозначения кривых и материалов: 1, х; 2,о; 3, А - парафиностеариновая смесь с температурами заливки расплава соответственно - 130-150 °С; 110-130 °€; 90-110 °С; 4, □ - водный раствор

Опыты в сталеразливочных ковшах Как известно, во время выдержки стали в ковше после выпуска из печи происходит ее охлаждение. Надежные данные о скорости охлаждения расплава в ковше приведены в работах [4, 5, 6].

В работе [4] приведены скорости охлаждения металла для ковшей емкостью от 0,15 до 100 т. Авторы работы [5] изучали скорость охлаждения металла в ковшах емкостью 6, 12, 40 и 100 т. Футеровка ковшей перед выпуском расплава из печи имела одну из перечисленных температур - 20, 100, 200, 500, 800 °С (ковши в опытах авторов работы [5] подогревали газовыми горелками). В работе [6] в ковше емкостью 1,5 т изучали охлаждение расплава при разогреве футеровки до 700,1150 и 1350 °С.

При обработке опытных данных работ [4,5], также как и для тиглей с металлом, приняли, что охлаждение расплава происходит через боковые стенки. При этом обратили внимание на то, что толщина кладки у днища ковша ~ в 2 раза больше по сравнению с боковыми стенками. Кроме этого, сверху ковша расплав засыпают теплоизолирующей смесью.

Из работ [4,5] использовали данные по общей скорости охлаждения расплава у0. В соответствии с формулой (2) приведенная толщина ковша = В/4, где й - средний диаметр ковша. Удельная скорость охлаждения расплава в ковше в соответствии с формулой (3) уу = у0 • Д,. На рис. 2 представлены по данным работ [4,5] кривые удельной скорости охлаждения расплава уу в зависимости от их приведенной толщины £)п. Как видно из рисунка, во всех случаях при увеличении приведенной толщины ковша Д, удельная скорость охлаждения расплава уу уменьшается. Подогрев футеровки ковша приводит к уменьшению удельной скорости охлаждения расплава, т.е. уменьшает его теплопотери; это же самое обнаружили в работе [6], где футеровка 1,5 т ковша разогревалась до 700, 1150 и 1350 °С. Аналогично ковшам, характер обсуждаемой зависимости между величинами наблюдали при охлаждении чугуна в песчаной форме [2], - см. кривые 4 и 5 на рис. 1а.

30,0

22,0

14,0

6,0

зчХЛ ■V ♦ *

4 .___О

6 —+ л

100

280

460

Обсуждение полученных зависимостей Прежде всего, необходимо обратить внимание на различный характер зависимостей скорости охлаждения расплава в формах с большей теплопроводностью, - опыты авторов [1] с расплавами Ре, А1, 8Ь, -в отличие от форм с малой теплопроводностью, - опыты в тиглях с серым чугуном в работе [2], а также футерованных огнеупорами стале-разливочных ковшах [4,5,6].

Увеличение удельной скорости охлаждения расплава в металлических или тонкостенных формах при увеличении ее приведенной толщины (рис. 1а, - кривые 1-3; рис. 16) можно объяснить соответствующим усилением естественной конвекции жидкости. Обнаруженная закономерность носит общий характер не зависящий от свойств жидкости. Этой закономерности подчиняются расплавленные металлы (кривые 1-3 рис. 1а), парафиностеарино-вая смесь пои различной температуре заливки ее в форму (кривые 1-3 рис. 16), а также водные растворы поваренной соли (кривая 4 рис. 1.2.).

При малой теплопроводности формы (кривые 4, 5 на рис. 1а [2]), а также опыты в стале-разливочных ковшах (кривые 1-6 на рис. 2 [4,5]) удельная скорость охлаждения расплава с увеличением приведенной толщины все время уменьшается. В работе [4] нашли, что в ковше температура расплава в горизонтальном направлении практически одна и та же. Авторы [5] утвер-

640

бП, мм

Рис.2 - Удельная скорость охлаждения металлического расплава в сталеразливочных ковшах уу в зависимости от их приведенной толщины ЭП. Обозначения точек и кривых: !-♦

- ковши по данным работы [4]; 2-6 - ковши по данным работы [5]; Подогрев футеровки ковшей перед наполнением их расплавом: 2-х - 20 °С; З-о - 100 °С; 4-Д - 200 °С; 5-П - 500 °С; 6-+

- 800 °С.

ждают, что в этом случае «в основном (на 88-92 %) снижение температуры расплава происходит вследствие аккумуляции тепла огнеупорной кладкой».

Таким образом охлаждение расплава в разных формах происходит по разным механизмам. В металлических или тонкостенных формах тепло отводится в окружающую среду.

В песчано-глинистых формах или футерованных ковшах тепло аккумулируется в малотеплопроводных неметаллических материалах. Следовательно расплав в ковше приходит в состояние самопроизвольной теплоизоляции от окружающей среды.

Для выяснения роли конвекции расплава в литейной форме проанализировали результаты нашей более ранней работы [7]. Авторы [7] изучали скорость плавления цилиндрического холодильника из алюминиевого сплава в расплаве той же природы. Литейная форма имела

диаметр 90 мм и высоту 1211 мм. Холодильники массой 0,5 % 11. и I 1,0 %, или 1,5 % от массы расплава размещали по оси отливки в ее верхней части. При температуре заливки расплава в форму 750 °С изучали варианты плавления - в тигле печи и в песчано-глинистой форме с разными холодильниками. На рис. 3 представлена скорость плавления холодильника в зависимости от его массового процента. В тигле печи, независимо от массы холодильника; средняя скорость его плавления была 26,5-Ю'4 г/мм2 с. Это объясняется тем, что расход тепла на плавление холодильника постоянно компенсируется притоком тепла от Рис. 3 - Скорость плавления холодильника в металли- нагретой спирали (эту точку на рисЗ ческом расплаве в г/мм2 с 10"4 (левая ось) и в процентах приняли за начальную), (правая ось) в зависимости от его массового процента. Из рис. 3 видно, что скорость

плавления при холодильнике 0,5 % снижается до ~ 85 % от начальной, при холодильниках 1,0-1,5 % скорость снижается значительно сильнее, т е. до ~ 45 % от начальной. Такой аномальный не линейный ход линии рис. 3 объясняется, как было обнаружено ранее, интенсивной конвекцией расплава при холодильнике массой до 0,5 %.

Материалы проведенных исследований могут быть использованы в расчетах затвердевания слитков и отливок.

Выводы

1. Для описания скорости охлаждения расплавленного металла впервые в литературе ввели понятие удельной скорости охлаждения на единицу площади поверхности раздела форма-расплав.

2. Обнаружили, что удельная скорость охлаждения расплава при увеличении его приве-

денной толщины в металлических и в других формах с большой интенсивностью отвода теплоты, - увеличивается, а в песчано-глинистых или огнеупорных с малой интенсивностью охлаждения расплава, - наоборот, уменьшается. Объяснили это явление усилением конвекции расплава в первом случае и тенденцией теплоизоляции расплава от окружающей среды, - во втором случае.

26,5

5

I

of s

X

а> с ш ГО

с;

с

о . о о. о

15,5

0,0

0,5 1,0

% холодильника

1,5

Перечень ссылок

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Гуляев Б. Б. Переохлаждение металлов// Современные достижения литейного производства.

-М.-Л :Машгиз, 1960,-С.13-20.

2. Schaum Y.H. Convection currents in gray cast iron // Foundry.-1947.-Vol.75,- № 9.- P.65-69,192,

194,198,200.

Ъ.Хворинов НИ. Кристаллизация и неоднородность стали,- М:Машгиз, 1958.-392 с.

4. Грузин В. Г. Остывание стали в ковше // Выплавка стали и производство стальных отливок,-

М:ОНТИ ЦНИИТМАШ, 1960. - С57-76.1

5. Еднерал Ф.П., Лифшиц А.Г. Исследование тепловой работы кладки сталеразливочного ков-

ша // Производство стали и стального литья.- М:Металлургия, 1968.- С. 128-132.

6. Муравинский А. С. Применение промежуточного ковша для разливки малобессемеровской

стали// Литейное производство.-1954.-№ 7.-С.27-28.

7. Особенности механизма плавления внутреннего холодильника в жидком металле отливки / АМ.Скребцое, А.О.Секачее, АВ.Безуглый, А.Г.Кладити II Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр.-Мариуполь, 1996,- Вып.2.-С.52-54.

Скребцов Александр Михайлович. Д-р техн. наук, проф. кафедры литейного производства, окончил Московский институт стали и сплавов в 1953 г. Основные направления научных исследований - исследование металлургических процессов с помощью метода радиоактивных изотопов; изучение и разработка теории и способов улучшения качества, снижения себестоимости металла слитков и отливок при их производстве.

Секачев Александр Олегович. Аспирант кафедры литейного производства, окончил Приазовский государственный технический университет в 1994 году. Основное направление научных исследований - внутренние холодильники в слитках и отливках и их влияние на конвекцию охлаждающегося расплава.

Петренко Дмитрий Иванович. Ассистент кафедры литейного производства, окончил Приазовский государственный технический университет в 1999 г. Основное направление научных исследований - внутренние холодильники в слитках и отливках и их влияние на строение и качество затвердевшего металла.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.