CC BY
27
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
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.
