CC BY
10
УДК 669.715:621.74.047
ОСОБЕННОСТИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СЛИТКА ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ЛИТЬЕ В ЭМК
Якубович Ефим Абрамович, к.т.н., доцент Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
(e-mail: eyakubovich@mail.ru)
Анализируются проблемы, связанные с изучением особенностей формирования донной зоны плоского слитка при непрерывном литье в электромагнитный кристаллизатор. Показано влияние формообразующих элементов инструментальной оснастки «электромагнитный кристаллизатор - затравка» на деформацию донной части на начальном этапе литья. Содержательная интерпретация полученных результатов используется для прогнозирования технологических режимов литья и конструктивных особенностей инструментальной оснастки, обеспечивающих тенденцию на снижение потерь на донную обрезь за счет уменьшения деформации торца слитка.
Ключевые слова: электромагнитный кристаллизатор, затравка, непрерывное литье, слиток, деформация
Способ непрерывного литья слитков алюминиевых сплавов в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК), обладающий рядом существенных преимуществ перед литьем в кристаллизатор скольжения, открыл новые возможности по совершенствованию технологии производства слитков, используемых для производства широкой номенклатуры катаных и прессованных полуфабрикатов. Создание и внедрение способа потребовали проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований по созданию основ теории формирования слитка электромагнитным полем, оценке влияния технологических режимов на температурные условия кристаллизации, структуру и свойства слитков, разработке технологии литья и создания промышленных установок для реализации процесса [1]. При литье в ЭМК заметно повышается качество поверхности слитка, подавляются процессы, вызывающие обратную ликвацию, улучшаются структура и свойства слитков, повышается их технологичность при последующей обработке давлением. Отсутствие контакта расплавленного металла со стенками кристаллизатора создает возможности для устранения ликвационных наплывов и неслитин, что значительно улучшает качество поверхности слитка. Это позволяет для большинства промышленных сплавов исключить дорогостоящие операции фрезерования и обточки в технологической цепи подготовки слитков к последующим операциям обработки давлением. Сообразно уменьшаются затраты и повышается выход годного металла. Результаты масштабных исследований и практических результатов по разработке основ расчета и проектирования конструкций ЭМК, оценке влияния электромагнитных параметров и технологических режимов на
температурные условия кристаллизации, структуру и свойства слитков отражены в [1- 4].
Инструментальная оснастка, входящая в установку для непрерывного литья слитков, включает электромагнитный кристаллизатор, систему подачи металла и затравку (поддон), которая обеспечивает формирование донной части слитка и служит его опорой в процессе литья [1]. Центральным элементом инструментальной оснастки является ЭМК, играющий роль формообразователя и теплообменника для кристаллизующегося металла. Перед началом литья затравка вводится внутрь кристаллизатора, и на неподвижную затравку поступает расплав. Взаимодействие электромагнитного поля с расплавом создает в жидком металле силы, благодаря которым жидкий металл приобретает заданную форму. В заданный момент затравка начинает опускаться, при этом охлаждающая жидкость поступает на затвердевающую поверхность слитка. Отмеченное обеспечивает в сочетании с контактным теплоотводом на затравку формирование донной части слитка. Конструкция ЭМК варьируется в зависимости от формы, размеров и числа одновременно отливаемых слитков, а также от требований к точности размеров и структуре слитка.
Конструкции затравок для литья слитков в ЭМК незначительно отличаются от затравок, применяемых для отливки в кристаллизатор скольжения. Обычно они представляют собой чашу с плоской или вогнутой поверхностью глубиной до 30 мм и более.
Основные качественные показатели непрерывного литья во многом определяются начальной нестационарной стадией процесса, характеризующейся высоким уровнем технологической сложности и одновременным протеканием совокупности специфических электромагнитных, тепловых и деформационных явлений, от точного описания которых вынужденно абстрагируется формализм известных аналитических и численных решений по оценке температурного и напряженно- деформированного состояния слитка, позволяющих достаточно эффективно анализировать установившуюся стадию затвердевания вплоть до окончания литья. Отмеченное особенно значимо для литья плоских слитков алюминиевых сплавов, начальный этап формирования донной части которых формообразующими элементами инструментальной оснастки оказывает определяющее влияние на стабильность процесса литья. К числу основных особенностей начального этапа относятся деформация донной части слитка, вероятность образования горячих трещин (особенно для высоколегированных сплавов Al-Cu-Mg, Al-Cu-Zn-Mg) и в этой связи нарушение устойчивости слитка с сопутствующими проливами жидкого металла, увеличение донной обрези.
С увеличением габаритов плоских слитков ( толщина до 600 мм, ширина до 2000 мм) деформация донной части проявляется особенно сильно. При определенных условиях в зазор, возникающий между слитком и затравкой, попадает охлаждающая вода, что может привести к взрывному парообразованию и аварийному выбросу жидкого металла в зону обслуживания.
Поиск путей уменьшения деформации донной части слитка при литье в ЭМК невозможен без анализа основных взаимосвязей этого явления с технологическими параметрами процесса и влияния конструктивных особенностей ЭМК и затравки как элементов инструментальной оснастки, формирующих донную часть слитка. Отмеченное позволяет очертить круг вопросов, устанавливающих степень и характер влияния инструментальной оснастки на температурно-деформированное состояния торца слитка. Точная оценка влияния реально действующих факторов затруднительна, поэтому представляется целесообразным использовать выполнить его в рамках обобщенной структурной схемы, объединяющей:
- вектор управляющих воздействий, включающий скорость вытягивания слитка, уровень жидкого металла в ЭМК, напряжение на индукторе ЭМК, расход охлаждающей воды;
- контролируемое возмущение (температура расплава, температура и расход охлаждающей воды, способ подачи расплава в зону формирования);
- вектор, определяющий выходные свойства слитка (структурные характеристики в литом состоянии, термические напряжения, качество поверхности и стабильность поперечных размеров слитка).
При исследованиях влияния инструментальной оснастки на процесс получения слитков методом непрерывного литья в ЭМК целесообразно за показатель качества принять деформацию донной части, оцениваемую по величине зазора между слитком и затравкой.
Обобщенный анализ представленных в [1,3,4] результатов экспериментальных исследований температурно-деформированного состояния элементов контактной системы «слиток-затравка» при литье в ЭМК плоских слитков деформируемых алюминиевых сплавов типовых размеров позволил установить: высокий уровень температур на торцевой поверхности слитка сохраняется в начале литья вплоть до проявления действия бокового охлаждения, подаваемого на слиток из коллектора, конструктивно встроенного в ЭМК. Затравка не выполняет функции активного тепло-сборника и должна рассматриваться как пассивный в тепловом отношении элемент инструментальной оснастки, служащий главным образом для оформления донной части слитка. Попадание охлаждающей воды в зазор между слитком и затравкой приводит к изменению направления температурного градиента: контактная поверхность затравки приобретает более низкую температуру, чем внутренние точки.
Величина зазора между донной частью слитка и контактной поверхностью затравки до попадания формирующейся боковой поверхности граней слитка в зону водяного охлаждения невелика и измеряется долями миллиметра. Интенсивная деформация донной части начинается с момента выхода граней слитка в зону непосредственного воздействия охлаждающей воды. При этом зазор между торцем слитка и затравкой в сравнительно короткое время достигает значительной величины, после чего остается прак-
тически неизменным. По данным [3,4] в начальный период литья плоский слиток кристаллизуется предпочтительно за счет распространения фронта кристаллизации со стороны интенсивно охлаждаемых высоконапорным потоком воды боковых граней. Таким образом до выхода скорости вытягивания слитка на технологически обоснованное стационарное значение формируется своеобразный кристаллизационный каркас, ограничивающий совместно с затравкой жидкометаллическую фазу. По результатам исследования характера изменения деформационного зазора между контактирующими поверхностями слитка и затравки с помощью специальных датчиков установлено влияние ускорения вытягивания на величину максимальной деформации торца. Увеличение темпа роста скорости литья с 12 мм/мин до 32 мм/мин приводит к двукратному снижению деформации торца слитка с 25 мм до 50 мм. В прикладном плане выявленные закономерности свидетельствуют о возможности постановки задачи оптимального управления температурно-деформированным состоянием донной части слитка в смысле минимизации коробления его торца. При этом должны быть учтены ограничения, учитывающие специфические ограничения, связанные с особенностями конструкции и функционирования элементов инструментальной оснастки и величиной термонапряжений, ведущих к возможному трещинообразованию.
ЭМК играет важнейшую роль в системе элементов, образующих инструментальную оснастку для процесса непрерывного литья слитков алюминиевых сплавов. ЭМК обеспечивает получение непрерывных слитков различной формы и размеров: круглые сплошные и полые слитки, плоские слитки с различной формой малых граней, с различным соотношением размеров узких и широких граней. Конструкции ЭМК и определяемые ими параметры литья претерпевают изменения в зависимости от формы и размеров слитка, а также требований к точности размеров и структуре сплава в литом состоянии. В основе создания и совершенствования конструкций ЭМК лежит глубокое понимание полноты одновременно протекающих физических явлений, связанных с формированием слитка электромагнитным полем:
- электродинамических, описывающих возбуждение и распределение электромагнитных сил в жидкой фазе слитков различных конфигураций;
- гидромеханических, обеспечивающих устойчивое бесконтактное формирование замкнутой конфигурации расплава силами электромагнитного происхождения;
- гидродинамических и тепло-и массообменных процессов в расплаве и затвердевшей фазе, влияющих на формирование структуры слитка.
Современные конструкции ЭМК [1,2] позволяют осуществлять подачу охлаждающей жидкости на поверхность слитка под острым углом (15 - 20о), о
под углом (40 - 60о), под углом, близким к прямому, что обеспечивает наиболее стабильные условия литья. Основное направление совершенст-
вования конструкции ЭМК направлено на стабильности начального этапа литья, обеспечение равномерности подачи охлаждающей воды, придание жесткости конструкции ЭМК и повышение технологичности их изготовления. Важным конструктивным параметром является высота индуктора ЭМК, увеличенная до 40 - 50 мм. При этом возрастает величина активной зоны индуктора, что позволяет повысить уровень поверхности жидкой зоны на начальном этапе формирования слитка, сопровождающемся интенсивной деформацией и короблением донного торца слитка. С помощью ЭМК обеспечивается выполнение основного условия пускового периода -сохранение жидкой зоны над всей поверхностью кристаллизующегося слитка и снижение вероятности проливов жидкого металла в зазор между боковой поверхностью слитка и индуктором. Для этого одновременно с набором скорости вытягивания слитка напряжение на индукторе ЭМК увеличивают на 10-20 %, а после завершения деформации снижают напряжение на индукторе до нормативно установленных значений.
Критический анализ существующих конструкций инструментальной оснастки для непрерывного литья алюминиевых сплавов с формированием слитка электромагнитным полем позволяет сформулировать некоторые направления совершенствования и разработки новых устройств, обладающих более широкими возможностями по воздействию на процесс кристаллизации.
Новые конструкции ЭМК должны обладать повышенной энергоэффективностью за счет снижения удельного расхода электроэнергии на формирование слитка, например, за счет применения двух индукторов, установленных один над другим, причем внутренний диаметр нижнего индуктора выбирается в пределах 0,90 - 0,95 диаметра верхнего индуктора.
Совершенствование затравок возможно в направлении создания конструкций, характерной особенностью которых является расширение возможностей по активному регулированию температурно - деформированного состояния донной зоны слитка. В плане реализации этого пути целесообразно рассмотреть варианты составной затравки с блоками подвижных и неподвижных секторов для подачи охладителя на донный торец слитка. Представляют интерес инновационные варианты принципиально новых типов затравок, использующих технологические возможности электромагнитного воздействия на процесс кристаллизации донной зоны слитка.
Разработку, проектирование, изучение условий работы и выбор оптимальных параметров предлагаемых конструкций элементов инструментальной оснастки следует вести применительно к основным группам типоразмеров слитков и сплавов.
Список литературы
1. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор / З.Н.Гецелев, Г.А.Балахонцев, Ф.И.Квасов и др. - Москва: Металлургия, 1983. - 152 с.
2. Гецелев, З.Н. Развитие и усовершенствование установок и технологии для отливки слитков алюминиевых сплавов в ЭМК / З.Н.Гецелев, Г.А.Балахонцев, Г.В.Черепок // Цветные металлы, №2, 1980. - с. 59 - 63.
3. Гецелев, З.Н. О температурно-деформированном состоянии крупногабаритных слитков / З.Н.Гецелев, В.А.Калашников, Б.Ф.Трахтенберг и др.// Цветные металлы, №4,1974. - с.54 - 55.
4. Якубович Е.А. Деформация донной части слитка при непрерывном литье в электромагнитный кристаллизатор / Актуальные вопросы образования и науки: сб.научн.трудов. Часть 1. Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2015. с. 162 - 163.
Yakubovich Efim Abramovich, Cand.Tech.Sci., associate professor Samara State Technical University, Samara, Russia (e-mail: eykubovich@mail.ru)
FEATURES OF TOOLING INSTRUMENT FOR CONTINUOUS CASTING IN ELECTROMAGNETIC MOLD
Absract: Problems associated with studying the features of forming the bot tom zone of a flat ingot during continuous casting in an electromagnetic crys tallizer are analyzed. The influence of the shaping elements of the tooling "electromagnetic crystallizer-primer" on the deformation of the bottom part at the initial stage of casting is shown. A meaningful interpretation of the re sults obtained is used to predict the technological casting regimes and the de sign features of the tooling, which ensure a tendency to reduce losses to the bottom trimming due to a reduction in the deformation of the ingot's end. Keywords: electromagnetic mold, tray, continuous casting, ingot, deforma tion
УДК 662.1
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ПОРОШКА ТИТАНА И МОДИФИКАЦИИ УГЛЕРОДА НА СИНТЕЗ КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА И КАРБИДА ТИТАНА Яценко Игорь Владимирович, аспирант Самборук Анатолий Романович, д.т.н., профессор (e-mail: samboruk55@mail.ru) Кузнец Елена Анатольевна, к.т.н.
Чувак Ксения Александровна, студент
Самарский государственный технический университет, Самара, Россия
Рассмотрено влияние дисперсности и марки порошка титана и различных модификаций углерода на синтез композита на основе железа и карбида титана. При этом восстановление железа из его оксида твердым углеродом протекает в режиме сопряжения с СВС-процессом синтеза карбида титана.
Ключевые слова: горение, композит, режим сопряжения, дисперсность, титан, модификация, углерод
СВС-процессы часто используют в сочетании с термитным процессом, что позволяет использовать в качестве исходных веществ оксиды металлов вместо чистых порошков элементов. Возможно управление процессами
