CC BY
17
УДК 621.744:074
Скребцов А.М., Секачев А.О., Демченко Ю А., Кладити А.Г.
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ХОЛОДИЛЬНИКА НА СКОРОСТЬ ЕГО ПЛАВЛЕНИЯ В ЖИДКОМ МЕТАЛЛИЧЕСКОМ РАСПЛАВЕ
Использование расплавляемых внутренних холодильников при затвердевании слитков металла или отливок способствует измельчению их структуры и повышению механических свойств изделий. Несмотря на длительную историю применения холодильников в металлургии до сих пор до конца не выяснен вопрос скорости их плавления в зависимости от различных технологических факторов [1]. Последнему вопросу посвящена настоящая статья. Некоторые итоги изучения этого вопроса были опубликованы ранее [2].
На металлургическом комбинате им. Ильича провели опыт при отливке 9-т чугунного поддона с использованием каркаса холодильника из круглых прутков стали*. Получили, по сравнению с обычным случаем., более благоприятное распределение температуры в металле и повышение механических свойств поддона
В модельных опытах для материала отливки и холодильника использовали один и тот же сплав силумина Провели две серии опытов. В первой серии металл расплавляли в стальном тигле электрической печи; его нагревали до температур 680 или 750 °С и при этих постоянных температурах наблюдали за плавлением холодильника Во второй серии опытов изготавливали сухую песчано-глинистую форму, заливали в нее при начальной температуре 680 или 750 °С расплав металла и при его охлаждении изучали плавление холодильника Размеры тигля и формы были одинаковыми - диаметр 90 мм, высота 120 мм.
В обоих случаях масса холодильника от массы отливки составляла 0,5 %; 1,0 % и 1,5 % (в некоторых опытах масса была 0,7 %). В первой серии опытов все холодильники были цилиндрической формы диаметром от 8 до 19 мм и длиной от 30 до 90 мм. Для каждого массового процента изготовили по три типа холодильников разных диаметров и разной длины.
Во второй серии опытов все холодильники имели длину 90 мм, профили их сечения были круг, квадрат и треугольник одинаковой площади. Например, при массе 0,5 % диаметр круга был 8 мм, сторона прямоугольника - 6,9 мм и треугольника - 10,5 мм. Для холодильника 1 % те же цифры были соответственно 11,0; 9,8 и 14,6 мм.
При выполнении исследования холодильники помещали в верхнюю часть отливки вдоль ее вертикальной оси. Их извлекали из печи или из формы после 3, 5, 7, 10, 12 и 15 сек от начала опыта. Массу и геометрические размеры холодильника определяли до начала опыта и после извлечения из расплава С каждым типоразмером холодильника проводили 3-7 опытов, характерные величины которых усредняли.
При проведении опытов обнаружили, как и в других подобных работах [3, 4 и др.], что плавление твердого тела в расплаве состоит из двух периодов: а) начального или теплового, во время которого на холодильнике происходит намерзание жидкости и полное ее расплавление и б) собственно плавление холодильника. В опытах определяли продолжительность теплового периода тт и общую продолжительность плавления холодильника xj.
* В проведении опыта принимали участие Дан ДА., Павлюк Б. А., Куделин В. А. и др.
85
На рис. 1 представлено суммарное время продолжительности т^ плавления холодильника в зависимости от продолжительности теплового периода тт для плавления холодильников в печи (а) и в форме (б). Как видно из рисунка, в обоих случаях наблюдаются пропорциональные зависимости между т^ и тт. В первом случае точки с малым разбросом группируются у прямой линии, во втором случае разброс значительно больше. При плавлении холодильников в форме время %г и тт (7...32 с и 2...20 с ) примерно в два раза больше, чем в тигле печи. При увеличении тт в п раз время увеличивается в печи в 1,6-п раз, а в форме несколько меньше ~ в 1,4 раз. Следовательно, и в ванне печи (рис.1 а) наблюдается одна и та же зависимость, - чем больше продолжительность теплового периода, тем больше время плавления холодильника.
продолжительности его теплового периода тх (намерзание корки на холодильнике и ее расплавление), а) плавление в ванне электрической печи: 750 °С, длинные 0,5 %, 1,0 %, 1,5%- о, □, Л; средние - ♦, ЕЗ; короткие - •, 680 °С - обозначения соот-
ветственно, длинные - 0 , * , +; средние - ® , Ф , га ; короткие - V, D , ♦ . б) плавление в литейной форме: 750 °С, круглые 0,5 %, 1,0 %, 1,5 % - о, □, А; квадратные ♦ , ♦ , В; треугольные - • , ■ , ♦ ; 680 °С обозначения соответственно, круглые - ® , * , + ; квадратные - ® , © , еэ ; треугольные - V , П , ♦ .
Разный характер общей продолжительности плавления холодильника в зависимости от начальной площади его поверхности So наблюдали для опытов в печи (рис2 а) и в литейной форме (рис.2 б).
начальной площади его поверхности Бо- а) плавление в ванне электрической печи; б) плавление в литейной форме. Обозначения холодильников как на рис. 1.
Из рис.2а видао, что при одном н том же массовом проценте холодильника ш, чем больше во, тем меньше Хх (прямые 1, 2, 3). Следовательно следует обратить внимание на две особенности рис.2а: а) наклон линий (1, 2, 3) к осям координат при одинаковом значении гп примерно одинаков -"минус (0,8... 1,0) 10"2 с/мм2; б) средняя величина хЕ для разных холодильников увеличивается от 9 сек (0,5 %) до 14еек(1,0 %) и 15 сек (1,5 %) - см. кривую 4 нарис.2а. Последнее означает, что снижение массы холодильника от 1,5 % до 1,0 % практически не влияет на среднюю величинух^. Дальнейшее уменьшение массы с 1 % до 0,5 % непропорционально уменьшает х£ до 9 сек, т.е. ускоряет плавление. Это объясняется увеличением интенсивности конвекции расплава при малой массе холодильника (0,5 %) (см. об этом также в нашей работе
[4])-
В отличие от рис. 2а иной характер зависимости между значениями х£ и во обнаружили для литейной формы, - см. рис.2б. В отличие от рис. 2а, опытные точки ро всем холодильникам располагаются вдоль одной кривой с увеличением значений тг от 8 до 32 сек и соответственно во от 2200 до 4900 мм2. Средний наклон этой слегка искривленной линии составляет на начальном участке (т=0,5...1,0 %) - плюс 0,75-10'2 с/мм2, а на конечном (ш=1,0...1,5 %), - плюс 3,1-10"2 с/мм2, т.е. ~ в 1,5 раза больше. Таким образрм, из рис.2б следует, что при большей массе холодильника (т=1,0...1,5 %) величина х^ растет с увеличением Бо значительно быстрее по сравнению с малоймассой (т=Ф,5...1,0 %). Иначе, при ш=0,5 % велйчина слабо изменяется преувеличении во. что мож&о объяснить, также как и в предыдущем случае, усилениейкон- • векции расплава таким холодильником,
Сравнение рис. 2а и 26 приводит к принципиально важным выводам: а) общее время плавления холодильников в печи при одной их массе и постоянной температуре расплава уменьшается с увеличением площади их поверхности; 6) время плавления холодильников в литейной форме х^- в отлйчие отванныпечи, увеличивается с увеличением площади их поверхши ста во. Следовательно, для литейных форм при одной массе холодильника рекомендуется использовать при их изготовлении профили проката с минимальной поверхностью (круглые прутки вместо четырех - и многогранных и т.п.)
При изучении плавления холодильников в ванне печи обнаружили, что при постоян-ной температуре расплава в: координатах скорость, г/сек, и.площадь Б, мм2/(в соответствующий момент времени),для всех холодильников (от 0,5 до 1,5 %) опытные точки хорошо группируются вокруг одной линии. По наклону .этой линии к осям координат вычислили скорость плавления, холодильников при температурах 750 и 680 °С, которая оказалась равна соответственно 2,63-Ю"? и 2,22-ДО"3 г/мм2 «?. Подученные данные сопоставил» со скор^тью доавденш в расплаве железа при температуре 1600,°С стальных образцов диаметром 10 и длиной 90 мм, -1,81-Ю"3 г/мм2-.с [3}. Да» сопостадаения скоростей ввели понятие относительной температуры расплава. М« ее виразиди йелиданой^Тт/Тлу где Тт - температура расплава,Тп - ликвидус, К, Получи-да следующие значения величин: -
. ^ г ^ ыт ^ 1Д17 - , 1,056 м ' ' ^ 2,63 2,26 1,81 -
. металл ■ <^ ч< силумин :. - силумин г-. ^ - ■ сталь[3] , •
Как видно из представленной таблицы, все опытные данные хорошо укладываются на линейную зависимость. При этом можно отметить, что увеличение температуры перегрева рас-
плава над линией ликвидус в п раз увеличивает скорость плавления холодильника в п3 раз. Приведенные данные могут быть общими для всех металлов и требуют, очевидно дальнейшего уточнения.
При изучении плавления холодильника в литейной форме, также как и в печи, построили зависимости между скоростью v в г/с и площадью S, поверхности плавящегося металла. Оказалось, что опытные точки группировались около прямых линий, причем каждой массе холодильника соответствовала своя индивидуальная линия. По наклону прямых к осям координат вычислили значение скорости процесса v в г/мм2 с. На рис.3 приведена скорость плавления холодильника v в зависимости от его начальной массы, m %, при температуре заливки расплава в форме 750 °С (кривая 1) и 680 °С (кривая 2). При построении кривых рис.3 за начальную скорость (при ш=0) приняли скорость плавления холодильников при соответствующей температуре в ванне печи (см. выше).
2,5 2.0
0 10
' 0 0,5 1,0 т,%
Рис. 3 - Скорость плавления холодильников в литейной форме V г/мм2 с в зависимости от их начальной массы ш.
Температура заливки расплава в форму: 1 - 750 °С; 2 - 680 °С. .
На рис. 3 начальные скорости V при ш=0 (точка а и а') соединили прямыми линиями со значениями скоростей при ш=1,5 % (с/ и а"). Мы уже отмечали [4], что холодильники оказывают тепловое действие на расплав (отбирают тепло от металла) и влияют на интенсивность конвекции расплава в форме. Если действие холодильника ограничивалось бы только тепловым влиянием, то скорость плавления V с увеличением массы холодильника ш теоретически уменьшалась бы по линиям ас! или а У. При малой масее холодильника (отрезки прямых ав и а'в) фактическая скорость (кривые 1 и 2) больше теоретической. Это можно объяснить усилением конвекции расплава при малых значениях т. При относительно большей массе холодильника (1,0... 1,5 %) скорость V оказывается либо равной (кривая 2), либо меньше теоретической (кривая 1). Можно предположить, что при большей разности температуры расплава (750 °С) и холодильника (~ 20 °С) сильнее происходит намораживание жидкости на холодильнике и снижение конвекций расплава, по сравнению с температурой заливки 680 °С.
Таким образом, проведены модельные эксперименты на сплаве силумина массой 0,5... 1,5 % от массы расплава, в ванне печи при температурах 750 и 680 °С и в литейной форме при тех же температурах заливки жидкого металла в отливку. Найдено, что чем больше продолжительность теплового периода (намерзание корки на холодильнике и ее расплавление), тем больше общая продолжительность плавления. В ванне печи время плавления уменьшается с ростом площади поверхности холодильника, наоборот в литейной форме рост площади холо-
а А
а\\ W2
дальника при постоянной его массе увеличивает время его плавления. В печи и в литейной форме вычислили скорости плавления холодильников v в г/мм^с и показали, что при малой их
массе (0,5... 1,0 %) возникает дополнительная конвекция расплава в форме и ускоряется их плавление.
Перечень ссылок \.НехендзиЮ.А. Стальное литье.-ММеталлургия, 1948.-766 с.
2. СкребцовА.М., Секачев А.О., Безуглый A.B., Кладити А.Г. Особенности механизма плавления внутреннего.холодильника в жидком металле отливки // Вестник Приазов. госуд. техн. ун-та: Сб. науч. тр. Вып. 2.-Мариуполь, 1996,- С. 52-54.
3. Меджибожский М.Я., Гршоренко С.М., Хииги Л.И. и др. Экспериментальное исследование и математическое моделирование процесса растворения стального лома в железоуглеродистом расплава//Изв. вузов. Черная металлургия.-1977.-№ 12,- С. 46-52.
4. Скребцов A.M., Прокопов A.A., Марийчук С.И. Конвекция расплава и улучшение структуры металла отливок при использовании внутреннего холодильника-кристаллизатора // Изв. вузов. Черная металлургия 1995,-№7-С. 51-55.
