CC BY
24
о
УДК 621.744.074
А.М.Скребцов, А.О.Секачев, А.В.Безуглый, А.Г.Кладити ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМА ПЛАВЛЕНИЯ '
ВНУТРЕННЕГО ХОЛОДИЛЬНИКА В ЖИДКОМ МЕТАЛЛЕ ОТЛИВКИ
Одним из способов внешнего воздействия на кристаллизующийся расплав является применение внутренних расплавляемых холодильников [1]. В настоящей работе проведено детальное изучение процесса плавления внутреннего холодильника массой 0,5...1,5% в отливках цилиндрической формы. Предварительные итоги этого исследования были опубликованы в работе [2].
При анализе результатов промышленных и лабораторных экспериментов по плавлению металлических тел в расплаве того же или близкого состава важным вопросом является способ выражения величины скорости процесса. В литературе получили распространение различные способы определения этой скорости. Так, например, при изучении плавления стального лома в жидком железоуглеродистом расплаве, как в промышленных агрегатах [3], так в лабораторных условиях [4], скорость выражали в единицах длины за единицу времени (мм /мин или мм/сек и т.п.). Встречаются работы, где скорость плавления выражается в % за единицу времени (%/час или %/мин и т.п.). Известно, что в классических работах по растворению вещества в расплаве скорость процесса выражают в единицах массы за единицу времени с единицы поверхности (например, г/см2«с и т.п.). Следуя этой традиции, например, в работе (5] скорость растворения образца в металлическом расплаве ¿вторы выразили в мг / см2-с
Различные формы выражения скорости плавления металла затрудняет обобщение экспериментальных данных. Это положение можно иллюстрировать следующим примером и рассуждением . -
В работе [6] изучали в жидкой стали плавление шаров из ферромарганца диаметром 48 мм. По опытным данным авторов [6] мы вычислили и приняли за единицу скорость плавления шаров в период 20...25 сек от начала процесса. Оказалось, что к периоду 40...45 сек скорость в см/сек увеличилась ~2,§ раза, а скорость см3/см*с ~ 3,2 раза, т.е. заметно больше. Такое же соотношение скоростей можно наблюдать й для других тел (например, обрезь прокатанных блюмов и другие куски лома неправильной формы).
Принципиально важным также является вопрос о связи скорое??* плавления металла и площадью поверхности раздела S твердое-жидкое* ß сталеплавильном производстве укоренилась практика считать, что скорость плавления в расплаве металлических тел пропорциональна их площади поверхности S [3]. В яитеййом производстве по предложению Й. Пржибыла {7j считают, что скорость плавления металлических предметов (холодильников) т охлаждающемся расплаве отливки пропорциональна отношению S/V, где V* объем холодильника. В работе; {2} былопоказано, скорость w пропорциональна отношению S/V2, где V - объем холодильника, Такие различные представлен^! о зависимости w = f(S) приводят к мысли, что должна существовать зависимость " w = kS" ,-v ; <1)
где к - эмпирический коэффициент, а п - показатель степениприЗ», зависящий от характера процесса.
Прологарифмировав (I), получим
lg w = lg k + nlg S Щ
По экспериментальный данным при известных w и S можно Hafepi величины кип.
В работе (4) нашли, что при температуре расплава >1550 9 С скорое» плавления металлических циллиндров 020 и высотой 30 мм не зависит' ¿т содержания углерода в ванне, а также пло'щади S и определяется только температурой расплава. По экспериментальным данным авторов [4] мы получили следующие величины:
t°C 1550 1580 1600 1620
w мм3/мм2 с 0.26 0.40 0.53 0.66
/ ■ . . . Следовательно в формуле (1) для этого случая плавления п = 0 В нашем исследовании опыты проводили с использованием сплава Al-Si в два этапа: а)при постоянной температуре расплава; б) в условиях
естественного охлаждения расплава в форме
На первом этапе металл расплавляли в печи типа СШОЛ, ванна расплава имела диаметр. 90 мм и высоту 120 мм. После доведения расплава до заданной температуры (680 или 750° С) в него вводили один из холодильников. Циллиндрические холодильники из того же металла были диаметром от 8 до 20 мм и длиной от 30 до 90 мм, масса была в пределах 11...33 г (0.5... 1.5%). В отличие от работы [2], холодильники из печи извлекали через более короткие интервалы времени - 3, 5, 7, 10, 12, 15 сек. Для оплавившегося холодильника определяли его остаточную массу и геометрические размеры. С каждым типоразмером холодильника проводили 3-7 опытов , результаты опытов усредняли.
На втором этапе расплавленный металл заливали в песчано-глинистую форму, размеры которой соответствовали размером ванны расплава в печи. Температура заливки составляла 750° С. Масса холодильников была также 0.5... 1.5%, но в отличие от первого этапа кроме циллиндрических использовали холодильники в виде треугольной призмы и параллелепипеда высотой 80 мм (2/3 высоты отливки). Таким образом, для одинаковой массы и высоты холодильников изменяли площадь его поверхности. Холодильники погружали в расплав по оси отливки и извлекали в те же интервалы времени, что и на первом этапе.
Процесс плавления холодильников в расплаве складывается из двух периодов: начального (тепловой период), во время которого происходит намораживание слоя расплава на поверхности и. последующее его оплавление и периода собственно плавления (регулярный период), для которого характерно уменьшение размеров плавящегося тела [4].
При обработке результатов нашли, что при постоянной температуре продолжительность теплового периода определяется перегревом расплава над линией ликвидус сплава и диаметром холодильника. Нашли, чТо при одинаковом перегреве и диаметре образца продолжительность теплового периода не зависела от высоты холодильника.
На рисунке представлена для регулярного периода скорость плавления холодильников при различных условиях в зависимости от площади S плавящейся поверхности. По опытным точкам проведены линии для плавления холодильников в печи при различной их массе (1) и в форме при проценте 0,5 (2); 0.7 (3); 1.0 (4) и 1.5 (5). Как видно из рисунка, независимо от длины, скорость плавления в форме постоянна при любом проценте холодильника. Скорость плавления в печи также, постоянна независимо от массы холодильника. В литературе по сталеплавильному производству в лабораторных условиях была получена ранее зависимость подобная линии 1 [4].
Для температур 6Й0° С и 750° С при плавлении холодильника в печи были найдены скорости плавления : 21.6 * 10 -* г/мм2с и 26.0 * 10-4 г/ мм2с соответственно.
Расчет энергии активации процесса плавления по методике работы [2] по приведенным данным дает величину Е = 21.4 кДж/кмоль:
Скорость плавления холодильников в форме была также пропорциональна площади поверхности, но для разной массы имела различную величину. При температуре заливки 750° С нашли следующие скорости плавлени: % от массы отливки 0.5 0.7 1.0 1.5 w, г/мм2 с, * 10-4 21.3 16.0 13.0 11.3
Из приведенных данных видно, что увеличение массы холодильника с 0.5 % до 1.5 % снижает скорость плавления примерно в два раза. Это связано с •
' 3 4 4 5 \ «V ... Ч у " /
sf . N К \ v \ \ £ ■ -
■ V
' .. 'kDOO;; 3000 - 20» ЮОО \
Рис, Скорость плавления v г/с холодильников массой 0.5...-1.5 % в зависимости от площади их поверхности S: в ванне печи (1); в, литейной форме при Macie
0.5.% (2); 0.7 % (3), 1.0 % (4) и 1.5 % (5).
более интенсивным охлаждением расплава и подавлением конвекции более массивным холодильником. Следовательно, скорость плавления холодильника в изученном интервале его процента уменьшается медленнее, чем изменяется его масса. Представляет интерес изучить влияние увеличения массы холодильника на скорость его плавления.
Перечень ссылок
1. Ефимов В.А., Эльдарханов A.C. Физические методы воздействия на процессы затвердевания спЛавов. - М.; Металлургия, 19951 - 272 с.
2. Скребцов АМ., Секачев А.О., Прокопов A.A. Кинетика плавления внутреннего холодальника малой массы в отливках циллиндрической формы // Вестник Приазов. гостехуниверситета - 1995. - №1. - С. 54-57.
3. Скребцов АМ. Радиоактивные изотопы в сталеплавильных процессах, -М.:Металлургия, 1972. - 304 с.
4. Особенности плавления металлических тел в железо-углеродистом расплаве / Бакст В.Я., Меджибожский М.Я., Сельский В.И., Шибанов В.И. И Теппо- и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов. - М., 1975. - С, 139-143.
5. ШЬурыгт ПМ., Щантарип В Д. Растворение металлов в железоуглеродистых расплавах // Изв. вузов. Черн. металлургия. -1963. - №10.-С. 6-11.
6. Тепло - и массообмен при расплавлении твердых легкоплавких ферросплавов в жидком металле / Терзиян П.Г., Кравченко ВМ, Лихач A.A. др. //Тепло- и массобменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов.-М., 1975.- С. 143-146.
7. Теоретические основы литейной технологии / Ветишка А., Брадек Й, Мацашек И., Словак С.; Под ред. КИ.Ващецко: Пер. с чеш.-К.:Выща школа, 1981. - 320 с.
