CC BY
10
УДК 621.746
Скребцов А.М., Кладити А.Г., Демченко Ю.А., Секачев А.О.
ЗАЛИВКА РАСПЛАВА В ЛИТЕЙНУЮ ФОРМУ ЧЕРЕЗ ТВЕРДУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ИЗ ТОГО ЖЕ МАТЕРИАЛА
Одним из известных способов улучшения качества металла отливки за счет измельчения ее зерна является образование в жидком расплаве дополнительных центров кристаллизации. Существуют различные способы воздействия на жидкий расплав с целью интенсификации образования зародышей кристаллизации [1]. Однако до сих пор мало изучено известное явление образования зародышей кристаллизации в жидкости, при котором движущийся поток расшива разрушает твердую поверхность металла отливки (см. напр. [2]). Изучению последнего вопроса посвящена настоящая статья.
На металлургическом комбинате им. Ильича при отливке 9-т сталеразливочного поддона был проведен пробный опыт*. В литниковую чашу положили плиту из чугуна массой ~ 20 кг (~ 0,22 % массы поддона). За время заливки расплава в форму плита растворилась ~ на
Проведенный опыт показал возможность использования твердых вставок в литниковой системе с целью улучшения структуры отливки за счет охлаждения расплава перед поступлением в формула также образования в нем дополнительных центров кристаллизации.
Начатая работа была продолжена путем моделирования рассматриваемого .процесса в лаборатории литейного производства Iii Т'У.
В качестве моделирующего расплава использовали парафиностеариновую смесь с температурой плавления ~ 55 °С и с теплоемкостью 2,93 Дж/г град.
Схема устройства для моделирования процесса приведена на рис. 1. На этом рисунке 1- воронка для заливки расплава; 2 - твердая пластинка из парафиностеариновой смеси; 3 - емкость для приема расплава (литейная форма). Падающая струя расплава (а), стекает по пластинке (б) и падает в литейную форму 3.
Рис. 1 - Схема приспособления для заливки расплавленной парафиностеариновой смеси через ворону (1) и твердую пластину из того же материала (2) в литейную форму (3). Остальные обозначения см. по тексту.
* В проведении опыта принимали участке Дан Л. А., Павлюк Б. А., Куделин В. А. и др.
70 ...80%.
<2
При проведении опытов жидкий расплав заливали в форму при температурах 80, 85 и 90 °С. При малом угле наклона а расплав, растекаясь по пластине, сильно охлаждается и не попадает в литейную форму. (Явление сильного охлаждения расплава чугуна в литейной чаше наблюдали также и в опыте с отливкой поддона - см. об этом выше). Поэтому угол наклона а пластины 2 к горизонту (см. рис. 1) в опытах был выбран 30 и 45 °С. Толщина пластины была 3,0; 4,3; 5,6 и 7,0 мм. Начальная масса пластины при соответствующих толщинах была равна 18,6; 24,8; 32,3 и 37,5 г. Объем расплава в опытах составлял 200 см3, время заливки расплава в форму - 12 сек.
По последним данным вычислили безразмерный коэффициент расхода расшива ц при истечении его из воронки. Расход расплава из воронки определяли известным уравнением
w=h-SV2¿H7, (1)
где W - расход, см3/сек;
S - площадь отверстия воронки, см2; g - ускорение силы тяжести, см/с2; Н0 - гидростатический напор расплава, см. Подставляя приведенные выше численные значения величин в формулу (1) получили ¡а = 0,86, т.е. примерно такое же значение, как и при заливке чугуна в форму.
Из литературы известно, что подающая на наклонную плоскость струя жидкости разрушает ее из-за кумулятивного эффекта [3] (кроме теплового разрушения). Используя несколько иной случай этого эффекта из работы [3], мы провели аналогичные вычисления подобного эффекта применительно к нашим условиям. Суть этого явления можно пояснить с помощью рис. 2.
Рис, 2 - Схема действия струи расплава С на наклонную плоскость АВ. vH - скорость набегания струи расплава по плоскости АВ.
Струя расплава С диаметром d=mn падает на плоскость АВ, расположенную под углом а к горизонту AD Вектор скорости v проведенный из произвольной точки О на плоскости АВ можно разложить на две составляющие: вдоль плоскости АВ - v' и перпендикулярно к этой плоскости - v" , из геометрического построения видно, что v' = v • sin a, a v" = cos а. Кроме этого вдоль отрезка nk возникает скорость набегания vH потока по плоскости АВ (эффект кумуля-
тивной струи). Как видно из рис. 2, vH можно вычислить как частное пути потока (nk = d/cos а) и времени т прохождения струей С отрезка mk (т = mk/v - d ■ tga/ v). Отсюда:
vH=(d/cosa) : ( d • tg a/v) = v (1/sin a), (2)
Суммарная скорость потока vK вдоль плоскости АВ (эффект кумуляции) будет равна
vK= V + vH= v • sin a + v/sina - v (sin a + 1/sin a), (3)
Кроме скорости v*, на разрушение я смыв материала с плоскости АВ влияет также составляющая скорости падающего потока v"= v cosa. Можно считать, что составляющая v" способствует прогреву и механическому разрушению плоскости АВ. Суммарная эффективная величина скорости потока v3, действующая на разрушение пластины с учетом выражения (3) и в предположении линейности функций vK и v3 будет равна:
v3 = vK+v" = v(sina+ 1/sin a + eos a), /* (4)
В уравнение (4) выражение в скобках, т.е. J{а), очевидно, определяет коэффициент влияния скорости подающего потока на разрушение наклонной пластаны. Величина Да) в зависимости от угла a имеет следующие значения:
a 2 10 20 30 45 60 70 80 90 Ла) 29,70 6,92 4,20 3,37 2,83 2,54 ' 2,34 2,17 2,00
Как видно из приведенных цифр, чем больше угол наклона a к горизонту, тем меньше разрушается пластина подающим потоком.
При проведении наших опытов определяли массу пластины 2 (см. рис. 1) до опыта (тн) и после него (т*) и вычисляли изменение ее массы Дт= тн - тк. При постоянном времени заливки расплава в форму величина Дт характеризует скорость размывания пластины. Мы определили отношение скоростей размывания пластины по опытным данным для углов a =45 °С и 30 °С. При постоянной высоте падения расплава в форму равной 5 см и температурах расплава 80 °С; 85 °С и 90 °С средние отношения Апи5/Атз0 оказались равными соответственно 0,21; 0,54 и 0,58. По расчету отношение скоростей Дпи^Дтзо =У(45)/Д30) = 2,83/3,37 = 0,84. Очевидно, повышенное теоретическое значение отношения скоростей размыва пластин, по сравнению с опытом, можно объяснить недостаточной температурой нагрева расплава. Мы экстраполировали опытные зависимости Дп^Дтзо от температуры t °С до теоретического значения отношения скоростей равного 0,84. Оказалось, что расчетное и теоретическое отношение скоростей размыва твердой пластины совпадают при температуре заливки расплава в форму 100... 105 °С. При известных температурах заливки расплава в форму (80 °С = 353 К; 85 °С = 358 К; 90 °С = 363 К), а также ликвидус Тл (55 °С = 328 К) вычислили перегрев расплава Т,/Тл = 1,076; Т2/Тл=1,091 и Тз/Тл = 1,107. Перегрев, при котором расчетная скорость размы-
373К 378К
вания пластины совпадает с теоретической равен -—-= 1,137.. .Ц52. Следовательно, тео-
k 328К
ретический перегрев расплава над линией ликвидуса (14... 15 %) заметно больше по сравнению с опытным перегревом (8... 11 %). На рис. 3 представлено уменьшение массы пластины Дт в зависимости от ее толщины 5 при высоте заливки расплава в форму 5 см и температуре заливки 80 °С (О); 85 °С (•) и 90 °С (о). Как видно из рисунка, увеличение толщины пластины 5 приводит к уменьшению ее износа Дт, особенно это заметно при 5>5,6 мм. С ростом темпера-
туры от 80 °С до 90 °С износ пластины увеличивается при одной и той же начальной толщине на 15...50%. АШг
3 4 5 6
Рис. 3 - Износ парафиностеариновой пластины Лт, за время заливки расплава из того же материала в литейную форму, в зависимости от ее начальной толщины 8. Температура расплава, °С: □ - 80; • - 85; О - 90.
Выше было отмечено,, что Дш пропорционально скорости размытия пластины. Для скорости процессов известно выражение ■ ■
е ^
Am = AeRT, (6)
где А - эмпирическая постоянная;
Е- энергия активации процесса, Дж/моль; R-газовая постоянная, 8,314 Дж/моль град; Т- температура, К.
Из выражения (6) видно, что в координатах lgAm и 1/Т опытные точки должны укладываться на прямую линию с тангенсом наклона к осям координат tga = - E/R. По опытным данным, для всех изучавшихся пластин вычислили энергии активации процессов их размытия. Для пластин толщйной 3,0...5,6 мм значение Е изменялось в пределах 35...38 кДж/моль. а для пластины с 6=7 см величина Е « 65 кДж/моль. Это свидетельствует, также как и рис. 3, о болте сильной зависимости Е от температуры для пластины с 6 = 7 мм, по сравнению с остальными. Сравнительно небольшие величины энергий активации процесса являются доказательствам того, что он находится в диффузионном режиме.
Таким образом, экспериментально изучали в промышленных и лабораторных условиях разрушение твердой вставки-пластины в литниковой системе подающей струей расплава. Впервые обратили внимание на возможность возникновения кумулятивного действия струи расплава в металлургических процессах. Обнаружили, что износ пластины происходит в диффузионном режиме.
Перечень ссылок
1. Ефимов В.А., Элъдарханов A.C. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов.-М.: Металлургия, 1995. - 272 с.
2. Иванцов Г.П. К вопросу о возможности "дождя" кристаллов в стальном слитке // Сталь.-
1952.-№10.-С. 922 -933.
3. МайерВ.В. Кумулятивный эффект в простых опытах. - М.:Наука, 1989.-190 с.
