CC BY
21
УДК 536.421.4:621.746.5
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ДВУХФАЗНОЙ ЗОНЫ СЛИТКА ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ЛИТЬЕ Якубович Ефим Абрамович, к.т.н., профессор Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
(e-mail: eyakubovich@mail.ru)
Анализируются проблемы, связанные с изучением особенностей формирования и эволюции двухфазной зоны слитка при непрерывном литье в электромагнитный кристаллизатор. Установлена связь критических размеров двухфазной зоны с изменением скорости литья и формированием усадочной пористости и плотности металла. Содержательная интерпретация полученных результатов используется для прогнозирования технологических режимов литья, обеспечивающих тенденцию на повышение плотности литого металла
Ключевые слова: расплав, двухфазная зона, непрерывный слиток, пористость, плотность металла, электромагнитный кристаллизатор
При непрерывном литье алюминиевых сплавов основным результатом является получение слитков, используемых для производства широкой номенклатуры катаных и прессованных полуфабрикатов. Способ непрерывного литья с формированием слитка в электромагнитном поле, решающую роль в разработке теоретических основ и практической реализации которого сыграли специалисты Самарского металлургического завода (ныне ЗАО «Алкоа-СМЗ», открыл новые возможности по совершенствованию технологии производства слитков алюминиевых сплавов [1]. Создание и внедрение способа потребовали проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований по оценке влияния технологических режимов на температурные условия кристаллизации, структуру и свойства слитков.
В связи с необходимостью промышленного освоения производства крупногабаритных слитков особую значимость приобрел вопрос изучения процессов формирования пористости и плотности центральной зоны слитков, определяющим образом влияющих на их технологичность при последующей обработке давлением. Отмеченные процессы тесно связаны с размерами, конфигурацией и структурой двухфазной жидкокристаллической зоны [2].
В процессе затвердевания слитка двухфазная зона является пространственно-фиксированной в объеме слитка, а ее убыль в твердую фазу компенсируется перемещением расплава через изотерму верхней границы переходной области.
Весьма эффективным инструментом анализа особенностей формирования реального фронта кристаллизации и двухфазной области, позволяющим учесть роль массообменных и гидродинамических явлений, вносимых
воздействием электромагнитного поля на расплав, является применение статистических методов расчета температурных полей, описываемых нелинейным уравнением теплопроводности [3]. Спектр применимости полученных в этом направлении результатов достаточно широк: выполненные расчеты и экспериментальные программы, реализованные в работе, позволили установить закономерности затвердевания и эволюции двухфазной зоны плоского слитка из сплава АМГ-6 и дать рекомендации по разработке промышленной технологии непрерывного литья крупногабаритных слитков.
В работе [4] на основе предложенного феноменологического и математического описания явления образования усадочной пористости, характерного для кристаллизации непрерывного слитка, показано существование
1 * 1 *
критических размеров двухфазной зоны 11 и 12. Указанные величины являются критериями для оценки возможности образования усадочной пористости в материале слитка при его формировании в процессе затвердевания и охлаждения методами непрерывного литья.
Для формирования слитка без усадочной пористости необходимо, чтобы вертикальный размер двухфазной зоны не превышал некоторой критиче-1 *
ской величины 1 . В этом случае реализуются условия полного заполнения усадочных пор расплавом и соответственно затвердевший металл имеет максимальную плотность.
1 *
При увеличении длины 1 фильтрующего участка до 1 ^11 питание усадочных пор расплавом нарушается. Недостаток питания двухфазной зоны генерирует в сплаве дефекты усадочного характера, и соответственно снижается плотность литого металла.
Доля твердой фазы в двухфазной зоне по мере по мере продвижения к
изотерме солидус в процессе непрерывного вытягивания слитка на некото-
1*
ром расстоянии 2 от верхней границы достигает критической величины. При этом коэффициент проницаемости дендритной сетки приближается к нулю. Это объясняется тем, что в результате кристаллизации в микрообъемах подпитывающего расплава достигается полное изолирование междендритных ячеек. Соответственно сокращается питание усадки в двухфазной
*
зоне на участке 1 ~12. В этом случае плотность литого металла определяет-
1*
ся процессами питания на фильтрующем участке 12 и имеет для любых
*
1 ^12 постоянное значение.
Последовательное применение указанного подхода для оценки особенностей формирования усадочной пористости и плотности металла в непрерывных слитках позволяет выделить и проанализировать следующие типичные ситуации при определении зависимости критических параметров
1* 1*
двухфазной зоны 11 и 2 от скорости вытягивания слитка (рис.1) на уста-
новившемся этапе литья (режим охлаждения соответствует технологическим требованиям).
При назначении скорости литья в интервале до ¥л и ширине двухфазной
1*
зоны 1 < '2 ( рис.2а) имеет место полная подпитка усадочных пор жидкого кометаллическим расплавом. Плотность литого металла р при этом равна
максимальному значению ртах. Если в этом же интервале скоростей 1 > 1*,
то в результате ограниченного питания усадочной пористости на фильт-
7*
рующем участке 12 устанавливается минимальный уровень пористости
Ртт .
Рисунок 1. Зависимость критических размеров двухфазной зоны от
скорости вытягивания слитка
Рисунок 2. Зависимость плотности металла р от размеров двухфазной
зоны:
* *
а - для ¥л ^ ¥л , б - для ¥л > ¥л
СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №3 (6), 2016 147
*
Для скоростей литья VJl ^ Vл существует три области, характеризующиеся различными значениями плотности литого металла. В области I,
l *
удовлетворяющей условию / < 11 , достигается максимальная плотность рmax (рис.2б). Область II соответствует размерам двухфазной зоны в интервале
* l *
от ч до '2. Здесь имеет место ограниченное питание расплавом усадочных
пор, соответственно плотность металла изменяется от р max до р min. Условие
*
1 -12 в области III соответствует ситуации, когда подпитывающий расплав
/ *
просачивается лишь на расстояние 2, поэтому плотность металла, пораженного усадочной пористостью, имеет минимальное значение р min.
В табл.1 приведены критические значер ния размеров переходной двух**
фазной области 11 и /2, а также плотности литого металла р для непрерывного слитка из сплава АМГ-6 сечением 300х1300 мм для различных скоростей вытягивания. Размеры двухфазной области / определены по данным термометрирования. Плотность литого металла определялась методом
гидростатического взвешивания образцов, вырезанных из центральной зо-
**
ны слитка. Расчеты 11 и 12 проводились по формулам [4], причем значения других величин, входящих в расчетные зависимости, выбирались по данным [5,6] в пределах точности их определения для анализируемого сплава.
Таблица 1 - Результаты определения параметров двухфазной зоны и плотности сплава АМГ-6
Скорость литья V, мм/мин Критические размеры двухфазной области, мм (расчет) Максимальный размер двухфазной зоны, мм (эксперимент) Плотность р, г/см3
1 * '1 1 * '2 Расчет Эксперимент
60 64 98 87 2,6408 2,6426
80 66 112 92 2,6415 2,6432
100 52 134 76 2.6428 2,6443
Анализ результатов, представленных в табл.1, позволяет констатировать, что расчетные значения /1 и /2 и определенные по результатам экспериментов размеры двухфазной зоны / подчиняются на варьируемом ин-
7* 7 7* /-Ч
тервале скоростей литья неравенству /1 ^ / < /2. На рис.2 этому соответствует область II, для которой характерно увеличение плотности литого металла с уменьшением размеров зоны питания. Приведенные данные обнаруживают тенденцию к снижению размеров двухфазной зоны в центре слитка из сплава АМГ-6. Отмеченное подтверждает аналогичный вывод, сделанный в [3] на основе сравнения экспериментальных и расчетных величин по оценке влияния скорости литья на процесс затвердевания слитка
сечением 300х1300 мм из сплава АМГ-6. Таким образом при литье в электромагнитный кристаллизатор выбор скорости литья в диапазоне 80 - 100 мм/мин позволяет уменьшить максимальный размер двухфазной области в центре слитка указанного типоразмера. При этом реализуются более благоприятные условия кристаллизации центральной зоны слитка с точки зрения снижения пористости и роста плотности затвердевшего металла.
Установленные закономерности позволяют на содержательном уровне интерпретировать условия формирования двухфазной зоны слитка и должны учитываться при прогнозировании технологических режимов непрерывного литья в электромагнитный кристаллизатор, обеспечивающих тенденцию на повышение плотности литого металла.
Список использованных источников
1. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор / З.Н.Гецелев, Г.А.Балахонцев, Ф.И.Квасов и др. - Москва: Металлургия, 1983. - 152 с.
2. Борисов, В.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка / В.Т. Борисов. -Москва: Металлургия, 1987. - 224 с.
3. Каверин, С.Г. Особенности формирования фронта кристаллизации и двухфазной области при непрерывном литье плоского слитка в электромагнитном поле / С.Г.Каверин, Н.М.Зубова, Б.Ф.Трахтенберг и др.// Изв АН СССР, сер. Металлы, №1,1980. - с.66-69.
4. Каверин, С.Г. Критические размеры двухфазной зоны при формировании непрерывных слитков /С.Г.Каверин, Е.А.Якубович, Б.Ф.Трахтенберг // Изв АН СССР, сер. Металлы, №3,1980. - с.115-121.
5. Куманин, И. Б. Вопросы теории литейных процессов. Формирование отливок в процессе затвердевания и охлаждения / И.Б.Куманин. - Москва: Машиностроение, 1976. - 216 с.
6. Самойлович, Ю.А. Формирование слитка / Ю.А.Самойлович. - Москва: Металлургия, 1977. - 158с.
Yakubovich Efim Abramovich, Cand.Tech.Sci., professor
Samara State Technical University, Samara, Russia
(e-mail: eykubovich@mail.ru)
FEATURES OF THE MUSHY ZONE FORMATION IN CONTINUOUS CASTING INGOTS
Absract: The ppaper deals with the problems associated with the study of features of the formation and evolution of the mushy zone of the ingot in a continuous casting in the electromagnetic mold. The connection of the critical dimensions of the mushy zone with a change in the casting speed and the formation of shrinkage porosity and density of the metal is discussed. Meaningful interpretation of the results used to predict technological casting regime, providing a tendency to increase the density of molten metal
Keywords: melt, mushy zone, continuous ingot, porosity, density of the metal, electromagnetic mold
