Формирование непрерывной отливки за пределами кристаллизатора Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

МЕТАЛЛУРГИЯ. МЕТАЛЛООБРАБОТКА. МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.74.047

ФОРМИРОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОЙ ОТЛИВКИ ЗА ПРЕДЕЛАМИ КРИСТАЛЛИЗАТОРА

Докт. техн. наук, проф. МАРУКОВИЧЕ. И., канд. техн. наук, доц. ДЕМЧЕНКО Е. Б.

Институт технологии металлов HAH Беларуси, Белорусский национальный технический университет

Известно, что на выходе из кристаллизатора происходит резкое изменение процесса формирования непрерывной отливки. Из зоны интенсивного охлаждения в кристаллизаторе (а = = 500-1600 Вт/(м2-К)) отливка попадает в зону охлаждения на воздухе со значительно более низ-кои интенсивностью (а = 270-400 Вт/(м2-К)) [1].

В результате резкого роста термического сопротивления теплоотдаче на поверхности отливки при неизменном термическом сопротивлении корки значительно уменьшается теплоотдача в окружающую среду. Отливка аккумулирует теплоту, что приводит к перераспределению температуры в корке отливки при сохранении температуры внутренней поверхности корки постоянной и равной температуре кристаллизации. Температура наружной поверхности отливки начинает быстро повышаться. По мере повышения температуры поверхности увеличивается температурный напор, а следовательно, и тепловой поток с поверхности отливки в окружающую среду. При этом температурный напор и тепловой поток через затвердевшую корку отливки уменьшаются. После достижения стационарного теплового равновесия, т. е. равенства тепловых потоков, рост температуры поверхности прекращается, начинается ее понижение за счет постепенного нарастания толщины затвердевшей корки.

Установлено, что изменение температуры поверхности отливки Ты при охлаждении в естественных условиях практически не зависит от геометрических размеров, а полностью определяется толщиной затвердевшей корки [1, 2].

Обычно при непрерывном литье чугуна из кристаллизатора извлекается отливка, имеющая жидкую сердцевину и корку толщиной = = 0,005-0,025 м. Температура поверхности отливки после разогрева составляет Г^шах = = 1000-1100 °С, а к моменту полного затвердевания снижается до Т\п.т = 800-900 °С.

Разогрев корки отливки после выхода из кристаллизатора не происходит мгновенно (рис. 1). Для достижения максимальной температуры поверхности отливки Г1Ялгах требуется определенное время разогрева ¿раз. Зная время и среднюю скорость литья можно рассчитать расстояние /раз от торца кристаллизатора до наиболее горячего и соответственно наиболее опасного сечения отливки, где возникают прорывы расплава. Расчет затруднен тем, что наряду с разогревом наружных слоев отливки происходит ее дальнейшее затвердевание. Однако, учитывая, что рост температуры поверхности происходит на весьма ограниченном участке длиной всего /раз = 0,04-0,10 м, расчет кинетики разогрева и затвердевания отливки можно производить раздельно, без существенного снижения точности результатов.

Максимальную температуру поверхности отливки Тхи.щах определили из условия стационарного теплового баланса при равенстве удельных тепловых потоков, отводимых через корку и с поверхности цилиндрической отливки в окружающую среду qc

Як =

или

(Гкр-^.тах) = а(Г1плшх-Гс)5 (1)

где - коэффициент теплопроводности материала отливки; Гкр ~ температура кристаллизации расплава; Тс - то же окружающей среды.

Рис. 1. Схема к расчету разогрева отливки за пределами кристаллизатора

Коэффициент теплоотдачи а представляет собой сумму

а = ал + ак,

где ал и ак - коэффициенты теплоотдачи лучеиспусканием и конвекцией [3],

100

г Тс +273л4 100

Т -Т

1л.тах с

ак = 0,468</(3г.

(2) (3)

Критерий Грасгофа рассчитали по формуле

От =

-X

где й - диаметр отливки; Гф - температура граничной зоны «отливка - окружающая среда»,

Т -Т Т — 1я.тах с

2 '

Окончательно имеем

вг =

(4)

После подстановок (2)-(4) в (1) получили уравнение для расчета максимальной температуры поверхности отливки Г1ПЛШХ

1л.шах

+ 27зУ С 21 + 273 V

100

+0,468*1&{Т1ЯЛ

100

+

-Т\ =—(Т -Т

с ' ^ *1я.тах

(5)

Уравнение (5) решить относительно максимальной температуры разогрева Г1Плтах невозможно, поэтому Г^.пих необходимо рассчитывать методом последовательных приближений.

Для расчета времени разогрева цилиндрической отливки ^ на выходе из кристаллизатора до максимальной температуры Т{ПЛШХ составили уравнение теплового баланса

бтепл бак бохл бпер'

(6)

Количество теплоты, переданное теплопроводностью ()геш1 через цилиндрическую стенку за время разогрева, определили по формуле

бТепл=2яЛ/

раз раз п

Д1п-

= I -

я,

(7)

Л1п-

Я

(Гкр-Ти)

1 пЬ

где ^ - время разогрева корки отливки; Т]п -температура поверхности отливки на выходе из кристаллизатора.

Количество аккумулированной отливкой теплоты £>ак рассчитали следующим образом:

(8)

где С\ - удельная теплоемкость материала отливки.

Количество теплоты, отданное отливкой в окружающую среду <20ХЛ, нашли, принимая среднюю температуру корки на участке разогрева, равной

Т 4-Т

1л. шах 1л

ср.тах

Тогда

бохл =^рЛаза(ГШ.тах +

(9)

где а - максимальный коэффициент теплоотдачи на участке разогрева.

Следует отметить, что существующие зависимости для расчета разогрева отливки за пределами кристаллизатора [1, 2, 4] не учитывают теплоту перегрева расплава 0пер. Однако ее учет необходим, поскольку бесспорным является тот факт, что из кристаллизатора извлекается отливка, имеющая жидкую сердцевину и только часть теплоты перегрева расплава отводится в процессе формирования отливки в кристаллизаторе [4]. Легко подсчитать, что даже при минимальном перегреве в 80 °С для чугунной отливки диаметром с1 = 100 мм и толщине корки £ = 9 мм количество теплоты перегрева составит 2пер = 53 кДж при <2ак = 121 кДж И0охл=1,5 кДж.

Количество теплоты перегрева <2пер определили по формуле

бпер "" ^тУ\С1 (^пер ^кр ) ~

Т )

кр ' '

(10)

где ¥т - объем затвердевшего расплава; Гпер -температура перегрева расплава; с[ - удельная

теплоемкость расплава.

После преобразований и решения уравнения (6) относительно ¿раз окончательно получили выражение

г =-—-

раз

пер *

\

(Н)

1п-

-аЯ

Т —Т Т -Т

гле = 1л-так_115.- (л = пеР «Р .

^1и.тах ^ гр ' пер ™ _ Г '

1л.тах 1 п ^^ ' -м».

1и.тах

Т -Т

©м кр Л1 п

_ =----температурные критерии.

КР гр Л..Т

1илпах 1 п

Зная время разогрева отливки ¿раз, а также среднюю скорость вытяжки м?ср, можно определить длину участка разогрева

^раз ^ср^раз"

(12)

Расчеты провели на примере вертикального непрерывного литья заготовок различного диаметра из чугуна СЧ20 (табл. 1).

Таблица 1

Технологические параметры литья

Параметр Диаметр отливки й, м

0,050 0,100 0,140 0,200

Средняя скорость литья ^ср х 60-1, м/с 0,65 0,56 0,43 0,30

Толщина корки £ х 1(Г3, м 5,9 7,1 8,1 11,0

Время формирования отливки в кристаллизаторе /,с 18,5 20,0 27,9 40,0

Термофизические коэффициенты выбраны из [5-7]: С = 5,58 Вт/(м2 К4); V = 1,33x10"* м2/с; ух = 7200 кг/м3; Хх = 35 Вт/(мК); сх = = 753,6 Дж/(кг-К); с{ = 837,4 Дж/(кг-К); Гпер =

= 1220 °С; Гкр = 1140 °С; Тс = 20 °С. Изменение толщины корки отливки в течение времени ее разогрева не учитывали.

Результаты расчета представлены на рис. 2. Установлено, что при увеличении толщины корки максимальная температура поверхности отливки уменьшается при одновременном увеличении времени и длины участка разогрева, что объясняется снижением удельного теплового потока, отводимого лерез твердую корку отливки. Так, для отливки диаметром й = 0,1 м при скорости литья >уСр = 0,56 х 60"1 м/с и £ = = 7,1 х Ю-3 м максимальная температура разогрева составила Г1ллшх = 1073 °С (рис. 2а), вре-

мя разогрева ¿раз = 5,7 с, а расстояние до опасного сечения /раз = 0,053 м (рис. 26). Произведя аналогичный расчет для отливки диаметром ¿/=0,2 м при м>ср=0,30 х 60"1 м/с и £ = 11,0 х 1(Г3 м, получили значения: ТЫтах = 1013 °С; ¿раз = 15,3 с; /раз = 0,077 м.

Длина участка разогрева мало зависит от времени разогрева. При увеличении времени разогрева ¿раз почти в три раза с 5,7 до 15,3 с длина участка разогрева /раз увеличивается незначительно - с 0,053 до 0,077 м (рис. 26), что можно объяснить снижением средней скорости вытяжки отливки. Для отливок диаметром 0,05-0,15 м, имеющих толщину корки на выходе из кристаллизатора 0,006-0,008 м, максимальная температура Г1птах достигается за весьма короткое время Граз < 10 с, что говорит о скоротечности процесса разогрева корки отливки.

Сравнение с расчетами, проведенными по известным методикам [1,2, 4], дало следующие результаты. Для отливки й = 0,100 м; £ = 0,009 м и и>ср = 0,5 х 601 м/с по известной методике:

Т\п.шах = Ю30 °С; ¿Раз = 5,5 с; /раз = 0,046 м, а по разработанной методике: Г1ллт1ах = 1045 °С; Граз = = 9,8 с; /Раз = 0,063 м. Видно, что при практически одинаковых температурах Г1плгах время разогрева ^ и длина участка разогрева /раз более чем в 1,5 раза больше, чем по известной методике.

вывод

Для определенных групп заготовок можно говорить о существовании некоторой постоянной зоны разогрева поверхности отливки до максимальной температуры, расположенной на незначительном расстоянии от торца кристаллизатора. Этот факт является весьма важным при проектировании и определении местоположения систем вторичного охлаждения. Отрицательным является то обстоятельство, что при уменьшении толщины корки возрастает температура разогрева, что нежелательно из-за резкого снижения прочности корки.

и

1200

1100

1000

900

800

Ll 140 1091

- г3 053 V013

-

- 0,54с2 + 1 1 5,75^+1 1 - . 1 . . 140,5 J i i j. t....

80

77 \f>

- /раз = ~ 0,01 + 7,022; + 0,21

I ípa3 = -0,15^2+0,27^ + 0,02

10 15

0

10

15

£,х10 , м

Рис. 2. Зависимости максимальной температуры разогрева: Tln max (а), времени /раз и длины участка разогрева /раз (б) от толщины корки отливки

ЛИТЕРАТУРА

1. Расчет кинетики разогрева отливки за пределами кристаллизатора / Е. Б. Демченко [и др.] // Металлургия. -Минск: Вышэйш. ппс., 1985. - Вып. 19. - С. 50-52.

2. Тутов, В. И. Расчет разогрева сплава при непрерывном литье / В. И. Тутов, А. А. Офенгенден, В. А. Гринберг // Металлургия. - Минск: Вышэйш. шк., 1977. -Вып. 11.-С. 54-57.

3. Вейник, А. И. Расчет отливки / А. И. Вейник. - М.: Машгиз, 1964. - 395 с.

4. Технологические особенности процесса полунепрерывного литья / В. И. Тутов [и др.] // Металлургия и литейное производство. - Минск: Беларуская навука, 1998.-С. 148-151.

5. Непрерывное литье чугуна / О. А. Баранов [и др.]. -М.: Металлургия, 1968. - 335 с.

6. Вейник, А. И. Теория затвердевания отливки / А. И. Вейник. -М.: Машгиз, 1960.-436 с.

7. Казанцев, Е. И. Промышленные печи / Е. И. Казанцев. - М.: Металлургия, 1975. - 367 с.

Поступила 12.12.2007