Исследование и разработка технологического процесса получения непрерывнолитых деформированных заготовок тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

На правах рукописи

. Г 5 ОД 2 7 ОКТ 1998

СТУЛОВ Вячеслав Викторович

»СЛЕДОВАНИЕ II РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого чела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Владивосток 1998г.

Работа выполнена в Институте машиноведения и металлургии ДВО РАН

Научный консультант

доктор технических наук, профессор В.И.Одиноков ,

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Г.А.Лаврушни; доктор физ.-мат.наук, А.И.Олейников;

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Ри Хо Сен

Ведущая организация: Авиационное производственное объединение им.Ю.А.Гагарина (г.Комсомольск-на-Амуре)

Защита состоится «£~Т » октября 1998 года в 10® часов на заседании диссертационного совета Д 002.06.07. в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН по адресу: 690041, г.Владивосток, ул.Радио, 5. ИАПУ ' ДВО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАПУ ДВО РАН. Автореферат разослан «¿.<3» сентября 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного света Д 002.06.07. кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В' настоящее время важнейшей проблемой в машиностроении является разработка энерго- и ресурсосберегающих технологии, создание малоотходных технологий при получении профильных и полых заготовок с обеспечением требуемых служебных свойств изделий на основании использования достижений науки к техники в области активных воздействий на жидкий и кристаллизирующийся металл,

В нашей стране и за рубежом получение профильных заготовок осуществляется путем прокатки предварительно полученных непрерывиолигых слитков или слитков отлитых в изложницы. При этом металл подвергают дополнительному нагреву и обжиму в толстолистовом цехе с последующим нагревом и прокаткой профилей по втором цехе. Из существующей последовательности технологических операций возникает необходимость наличия нескольких цехов с соответствующим оборудованием, на которые полуфабрикаты необходимо доставлять и складировать, выполнять дополнительные операции погрузки-разгрузки. Кроме этого, получение пспрсрывнодитых слитков осуществляется на установках вертикальных, радиальных или криволинейного типа, которые имеют ограничения по скорости разливки и производительности за счет наличия зоны вторичного охлаждения, достигающей в длину при разливке стали десятки метров.

Дополнительно к этому, получение полых заготовок из сплошных осуществляется на автоматических станках в результате их прошивки. При этом отлитые слигкн подвергаются дополнительным трудоемким операциям - обжиму, ковке, сверлению отверстий и прошивке. В результате расходы по переделу металла составляют более 20%.

Применение па практике способов непосредственного получения сплошных профильных и полых заготовок связано с необходимостью разработки специальной установки, способов а устройств для непрерывной разливки металлов.

Направление воздействия на формирование структуры заготовок, заключающееся в разрушении фронта кристаллизации при непрерывной разливке металлов, до настоящего времени не развито и не исследовано. Отсутствие исследований о влиянии разрушения фронта кристаллизации на качество получаемых заготовок объясняется невозможностью реализовать на практике совместный процесс непрерывной разливки и деформации металла.

Кроме этого, на стадии проектирования установки для разливки с деформацией металла возникает необходимость определения давления на стенки и выбор диаметра приводных валов при различных углах поворота эксцентрика. Дтя решения этих вопросов необходима разработка математической модели протекающих процессов.

Цель работы. Исследование и разработка процессов и устройств при производстве непрсрывнолитых заготовок в условиях наложения непрерывной деформации на жидкий и кристаллизирующийся металл. Поиск управления качеством, выходом годного н размерно-геометрической точности непрерывных

деформированных заготовок.

Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:

- разработка математической модели процесса кристаллизации и деформации металла на литейно-ковочном модуле для определения давлений на рабочие стенки при проектировании установки;

- создание экспериментальной установки и отработка на ней основных режимных и технолого-конструктивных параметров разливки металлов н сплавов, формирования заготовки, сопровождающегося разрушением фронта кристаллизации;

- создание гидродинамической модели кристаллизатора и установление рациональных способов подвода в нес расплава;

- разработка способов непрерывной разливки металлов с целью получения полых, профильных и армированных заготовок;

- выработка рекомендаций по снижению уровня дефектности в заготовках из труднодеформированных металлов и сплавов;

- изготовление опытно-промышленной установки и апробирование разработанных технологических процессов.

Методы исследования. Язя решения перечисленных выше задач применяются методы теории упругопластнческих деформаций, теории подобия и теплопередачи, численные методы решения уравнений пластического течения и теплопроводности.

Научная новизна работы. Экспериментально изучены процессы формирования непрерывнолитой деформированной заготовки.

Разработаны способы получения пенрерывнолитых деформированных сплошных и полых заготовок с различным профилем поверхностей.

Разработана математическая модель процессов кристаллизации и деформации металла в кристаллизаторе, позволяющая для заданной толщины заготовки ир" изменении частоты вращения приводных валов н угла поворота определять напряжения в корочке и давления на рабочие поверхности стенок.

Экспериментально изучена гидродинамика расплава в кристаллизаторе с наклонными и вертикальными поверхностями стенок.

Исследованы пути управления качеством непрерывных заготовок через расширение пределов регулирования тепловыми режимами.

Обоснованы и предложены конструктивные разновидности устройств, используемых при получении деформированных заготовок.

Установлены оптимальные параметры разливки металлов и сплавов, обеспечивающие получение качественной поверхности и внутренней структуры заготовок.

Экспериментально изучен теплообмен в кристаллизаторе при непрерывной разливке с деформацией металлов и сплавов.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований непрерывной разливки металлов и сплавов с деформацией корочки в кристаллизаторе позволили разработать опытно-

промышленную установку и предложить к промышленному освоению технологически а конструктивно обоснованные способы получения полых, армированных заготовок, а также заготовок из распиливаемого расплава.

Разработаны и предложены рациональные технологические к конструктивные параметры кристаллизатора и установки литейно-ковочного модуля (ЛКМ).

Приведены расчетные зависимости для определения степени деформации заготовки от конструктивных параметров кристаллизатора и параметров режимов разливки.

Реализация результатов работы. На основании полученных результатов при выполнении научно-исследовательской работы на опытно-промышленной установке литеино-ковочного модуля (ЛКМ-2), изготовленной в ИМиМ ДВО РАН, запроектирована и принята к внедрению более мощная установка ЛКМ-3 на Серовском металлургическом заводе, предназначенная для получения стальных стержней из марганцовистой стали. Составлен акт о принятии к внедрению промышленной установки ЛКМ-3.

Представленный в работе цпкл исследований был выполнен в рамках включенных в Государственную программу фундаментальных исследований РАН тем:

«Исследование процесса деформации корочки на лгпейно-ковочном модуле (ЛКМ). Оптимизация параметров и совершенствование конструкции ЛКМ». Комсомольск-на-Амуре, 1992-1996гг„ 1997-2001гг.

Исследования в рамках хоздоговорной темы:

«Разработка проекта опытно-промышленной, экспериментальной з'становки литешю-ковочного модуля». Комсомольск-на-Амуре. ИМиМ ДВО РАН, 1997г.

Апробация работы.

Материалы диссертационно» работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Сибконверс» (Томск, 1995,2 доклада), на научно-технических конференциях Института машиноведения и металлургии ДВО РАН (Комсомольск-на-Амуре, ¡994-1997), на Международной научно-технической конференции «Проблемы механики сплошной среды» (Комсомольск-на-Амуре, 1997, 2 доклада), в докладах «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 1998), на научно-технической конференции «Молодежь и научно-технический прогресс» (Владивосток, 1998, 2 доклада).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка использованных источников из 206 наименований. Общий объем работы 310 страниц, в том числе 238 страниц машинописного текста. Работа содержит 149 рисунков, 25 фотографий, 20 таблиц.

Личный вклад автора.

Автор самостоятельно выбирал методику исследований и лично проводил все экспериментальные исследования. Семь работ выполнены без соавторов. В статье «Теоретическое исследование процесса деформации отливаемого металла на ЛКМ»

автором для решения системы уравнений используются численные методы, разработанные Одиноковым В.И., а также аналитическое выражение для интенсивности касательных напряжений.

Основные научные положения.

Автором защищаются следующие основные научные положения:

- математическая модель процесса кристаллизации и деформации металла на литейно-коаочном модуле;

- экспериментальные результаты исследования влияния способа подвода металла в кристаллизатор на гидродинамику расплава;

- экспериментальные данные затвердевания и формирования непрерывно-литой заготовки;

- способы получения непрерывнолитых деформированных сплошных н полых заготовок с различным профилем поверхностей;

- экспериментальные результаты получения деформированных профильных, армированных и полых свинцовых заготовок;

- экспериментальные данные получения непрерывнолитых заготовок из труднодеформнруемых металлов и сплавов;

- результаты тепловой работы кристаллизатора с различной конструкцией наклонных стенок при разливке алюминия и механизм формирования заготовки;

- результаты металлографических исследовании испрерывнолигых деформированных заготовок;

- экспериментальные результаты опытно-промышленных исследований получения деформированных заготовок.

Достоверность основных научных положений по работе обеспечивается согласованием полученных результатов разливки металлов с современными представлениями о процессах теплообмена в кристаллизаторе и затвердевания заготовок.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показано, что в нашей стране и за рубежом выполнены крупные работы в области непрерывной разливки металлов. Однако вопросы влияния пластических деформаций при одновременном непрерывном разрушении фронта кристаллизации на затвердевание и качество заготовки не изучены. Изучение закономерностей процесса формирования заготовки при непрерывной разливке с деформацией металла в кристаллизаторе является крупной научной проблемой, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

, Для разработки новой конструкции установки н технологии непрерывной разливки металлов и сплавов необходим детальный анализ всех предшествующих работ в этой области. Во введении рассматривается имеющиеся конструкции установок, устройств и способов получения непрерывнолтых заготовок, результаты экспериментальных и теоретических исследований процессов формирования

заготовок,- Практика показывает, что температура расплава в формирующееся заготовке и градиенты температур по сечению корочки определяют качество получаемого металла. Поэтому исследование механизма формирования заготовки и напряженно-деформированного состояния металла на границе раздела фаз представляет повышенный интерес. Для управления процессом затвердевания металла необходимо изучить условия его протекания. При известных условиях внешнеготенлоотвода.теплофнзнческих свойствах расплава п параметрах рабочей зоны кристаллизатора возможно описание кристаллизации всей заготовки.

К числу основных направлений воздействия на формирование структуры заготовок относятся: интенсификация тепло- и массообмена в объеме затвердевающего металла, выравнивание градиентов температур и усреднение химического состава внутри заготовки; интенсификация теплообмена поверхности заготовки со стенками кристаллизатора; разрушение фронта кристаллизации. Первые два направления достаточно широко исследованы. Вопросы влияния деформаций при одновременном непрерывном разрушении фронта кристаллизации на затвердевание н качество заготовки не изучены. Существующие способы и установки непрерывной разливки металлов не позволяют коренным образом изменить условия формирования заготовки.

Применение на практике непрерывной разливки расплавов при одновременном разрушении фронта затвердевания связано с необходимостью конструктивной разработки специальной установки, способов разливки металлов и исследования режимов работы кристаллизатора для формирования заготовки. Поэтом)' в первой главе работы приведено описание разработанной конструкции установки для получения деформированных заготовок и наиболее заслуживающего внимания устройств и способов разливки металлов.

Во-второп гладе диссертации для установленной схемы процесса получения заготовок выполнено математическое моделирование затвердевания н деформации металла на установке. По лученные во-второп главе формулы и результаты расчета деформации корочки использовались для изготовления экспериментальной и опытно-промышленной установок.

В третьей главе работы на основании результатов экспериментальных исследований на модельных жидкостях установлены закономерности формирования пепрерывнолитой деформированной заготовки.

В диссертации представлены новые и важные результаты. В четвертой главе приведены исследования получения профильных и полых заготовок из пластичного металла, а также результаты получения армированных заготовок.

В пя той главе на примеретруднодеформируемых металлов п сплавов с низкой температурой плавления показана возможность получения заготовок из высокотемпературных сплавов.

В шестой главе исследуется получение алюминиевых заготовок в кристаллизаторе с различной конструкцией наклонных стенок. Выполненные металлографические исследования полученных заготовок позволяют установить влияние

параметров разливки на качество металла.

В седьмой заключительной главе работы приведены результаты опытно-промышленных исследований получения деформированных профильных и плоских заготовок из свинцово-сурьмяных сплавов и алюминия, подтверждающие правомерность основных выводов, полученных при разливке металлов на лабораторной экспериментальной установке и расчета процессов деформации и кристаллизации металла на ЛКМ.

ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМИРОВА1 ¡ИЫХ ЗАГОТОВОК, УСТРОЙСТВ ЛИТНЙНО-КОВОЧНОГО МОДУЛЯ (ЛКМ)

Разработанный способ получения нспрерывнолитых полых заготовок включает подачу жидкого металла в пространство между стенками кристаллизаторами установленным в нем центральным стержнем, формирование корочки на стенках н, стержне, калибровку внутренней поверхности полой заготовки и ее выталкивание'' из кристаллизатора, дополнительно кристаллизатор выполняют с двумя » вертикальными стенками, совершающими возвратно-поступательное движение, и двумя наклонными в верхней части стенками, совершающими вращательное движение, при этом сформированную корочку периодически разрушают с одновременным обжатием на наклонных стенках и центральном стержне жидкого металла в количестве 20-40% и твердого металла в количестве 60-80% от общего количества металла.

Технология непрерывного литья армированных заготовок включает распиливание в кристаллизатор жидкого металла, подачу инертного газа, обжатие распыленного металла, калибровку поверхности заготовки и ее вытягивание, дополнительно в центр кристаллизатора подают проволоку с насечкой и одновременно обжимают распыленный слой металла и проволоки.

В разработанных способах и устройствах для получения деформированных заготовок наличие двух вертикальных стенок, совершающих возвратно-поступательное движение, исключает необходимость механизма качания кристаллизатора и устраняется приваривание металла к стенкам. Выполнение'в кристаллизаторе двух стенок наклонными в верхней части, совершающими вращательное движение, обеспечивает условия захвата, обжатия и подачи металла на калибровочный участок.

Установка ЛКМ состоит из обогреваемой разливочной емкости, водоохлаж-даемото кристаллизатора ,с приводом, редуктора и электродвигателя. Перемещение рабочих поверхностей вертикальных и наклонных стенок кристаллизатора обеспечивает деформацию корочки и поступление заготовки в зону калибрования. Внешний вил установки ЛКМ-1 показан на рис.1.

На рис.2 приведена схема кристаллизатора ЛКМ и расположение термопар в наклонной стенке. Температура охлаждающей воды измеряется на входе и выходе из каналов стенок. На рис.2 цифрами 1 и 2 обозначены соответственно вертикальная

с

Рис.1. Лабораторная установка ЛКМ-1

Рис.2. Схема кристаллизатора ЛКМ

и наклонная стенки. Параметры наклонной стенкн ЛКМ-1: количество каналов - 2, диаметр канала -0.01м. высота зоны обжатия «А»-0,04м и калибрования «В»-0.045м. Параметры вертикальной стенкн: количество каналов - 2, диаметр канала - О.ООКм. толщина стенки - 0,022м. Материал всех стенок - Сталь 40Х. Ширина заготовок, получаемых на ЛКМ-1, постоянная в=29-30мм, а их толщина регулируется настройкой кристаллизатора. Мощность электродвигателя - 1 кВт.

Параметры наклонной стенки опытно-промышленной установки ЛКМ-2: количество канало'п - 2, диаметр канала - 0,02м, высота зоны обжатия «Л» - 0,2м и калибрования «В» - 0,065м, толщина стенки - 0,1 м. Параметры вертикальной стенки: количество каналов -1, диаметр канала - 0,02м, толщина стенки - 0.045м. Материал всех стенок • Сталь 40Х. Мощность электродвигателя для привода стенок - 75 кВт.

Основные формулы, используемые при исследовании тепловых режимов работы кристаллизатора:

Плотность теплового потока в стенке определяется по закону Фурье [)).

где X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); 8 - расстояние между точками уааножи термопар, м; Л1 - перепад температур, °С. Из выражения [1]

определяется средняя температура поверхности водоохлаждаемого канала (с .

В выражении (2) а - коэффициент теплоотдачи воды, Вт/(м2-К); {„ - среднее значение температуры поды в канале. "С.

Коэффициенты теплоотдачи воды в каналах стемок определяются из

О)

(2)

критериального выражения [1].

N11=0,021 ■Яе"й-Рг,м5'(Рг/Рг£), (3)

где Ми=а-//А, - критерий Нуссельта; Ке=а>7/у - критерий Рейнольдса; Рг=ц-сД, -критерий Прандтля; Рг. - критерий Прандтля при температуре поверхности стенки; ш - скорость, м/с; / - характерный размер, м; V - коэффициент кинематической вязкости, мг/с; {¿-коэффициент динамической вязкости, Па-с; С - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К).

Тепловой поток, отводимый водой, определяется но формуле С>=с- гп -Д^, (4)

где ш -массовый секундный расход воды, кг/с; Д1в - перепад температуры воды на входе и выходе из канала стенки,"С.

Температура поверхности водоохлаждаемого канала стенки при кипении недогретой жидкости определяется по уравнению [2].

1С = 100 + Д10

1 + ('о -СС! / Дч)1'5

-2/3

(5)

где Д1о=0,214 Дч036 при температуре насыщения воды Ю0°С; ; - плотность

теплового потока на поверхности канала, Вт/и2; ■ (100 - Та) - плотность

теплового патока при однофазном течении воды в канале, Вт/м2; а, - коэффициент теплоотдачи при однофазном течении воды в канале, Вт/(м2-К).

Толщина получаемой заготовки связана с толщиной деформируемой корочки выражением

а=2-8(1-Е), (6)

где 8 - толщина корочки, м; е - степень обжатия металла.

Толщина корочки металла вдоль вертикальных стенок определяется по формуле

3

ио

где 8 = р • л/т-толщина корочки вдоль наклонных стеиок, м; р, = ф. • дг ДЬ • р -коэффициент затвердевания металла, м-с"05; т - время, с; Н, - высота наклонного участка стенок (уровень заливки металла), м; в0 - половина ширины заготовки, м; у - угол наклона расширенного участка стенки, град; Д( - перепад теперагур в металле, °С; Ь - удельная теплота фазового перехода металла, Дж/кг; р - плотность, кг /м'.

Величины коэффициентов теплопередачи кристаллизатора К и теплоотдачи заготовки а3 определяются по выражениям

к=Ч/(1()|-д, (8)

«ГЧ^ЛЛ <9>

где 1|П - темиерагура поверхност и заготовки, °С; 1Г1 - температура рабочей поверхности стенки, "С.

Теплообмен поды при турбулентном движении в прямоугольном канале описывается выражением [I]

Nu - '' Re- Rr et ■e) U_I'l + 900/Re+12,7'^7T . (10)

где p=(100Re)02^e=(vVv'£)0\e=0,S6^0,54(dTI)04- коэфф11цне!1ты;с1-приведенный диаметр канала, м;

ГЛЛВЛ 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ II ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛА НА ЛКМ

Рассматривается процесс кристаллизации и одновременного деформирования корочки металла. При повороте эксцентрикового вала на 180° весь процесс деформирования разбивается на временные шаги с учетом накопления деформаций. Эксцентриковые налы устанавливаются в пистонной стеш;е 2 на рнс.2. В начальный момент деформирования принимается, что толщина заготовки на выходе 5=6+2е,

где 25 - конечная гол/шша получаемого изделия; е - эксцентриситет приводного вала.

Толщина корочки в точке смыкания фронтов кристаллизации определяется из решения уравнения межфазного перехода

S=f) ,

где [)=25мм/мшг0-5- коэффициент затвердевания стали.

На рнс.З показана даухкомпонентнат область задачи плоской упруго-пластической деформации. Буквами С н D на рцс.2 и 3 обозначены соответственно верхняя и нижняя часть наклонной стенки. При списании процесса деформации используется теория малыхупруго-нластических деформаций [3], а деформируемый металл принимается нзогропно-упрочнякнцнмся. Система уравнений па малом шаге перемещения бойка:

riijj =0,CTjj-a5y =2ХЕ^;Х. = Т/Г; 1 я я il'i = j

s:; =£::--eöüjoj: =< ;

IJ ,J 3 1J ,J [0,i*j

/ , ,\0,5 [Gr,T>Ts E = Eii;r = (2EijEij) ;Т = {т(_и1)т^5; („)

j < fe = 3Kct,T<Ts

Здесь ё" - накопленная пластическая деформация к моменту расчетного шага; к - коэффициент объемного сжатия; 1/мПа; а - гидростатическое давление. Для стали 12Х18Н9Т: G =7,7-Ю4 мПа; к=21061/мПа. Уравнения теплопроводности: в теле бойка

At=0, (12)

а »

в деформируемом металле — = Д1-Граничные условия (рис.3) u,js =0; u,js =-RAa-sin(a-Y), i = 3,5; u2jSij = -RAa-cos(a-y), u,jso = -RAasina; u2|Sj = -RAacosa; crJljSi =0; i = 4,12;

°lljs; = i=8>H> °22)s, =°2i|s, '-2/7;

a,2|s =0; i = U5A10,

где Да - угол поворота эксцентрика при одном временном таге; а - угол, определяющий местоположение эксцентрика на момент времени т.

На поверхностях s3, s6, s10, sl2 предусмотрена возможность отхода металла от стенки, т.е. рассматривается контактная задача. Па поверхности контакта корочки с бойком (s0) принимается скольжение. Закон трения на этой поверхности задается в виде

Ч

v'

(13)

Ou =-4/tJ -4-j'C0s(nt)X,), (14)

где у^- скорость скольжения металла относительно стенки, V - скорость вращения приводного вала, - нормаль к поверхности контакта металла со стенкой по координате х,,

На внешних поверхностях стенки задается плотность теплового потока

q„|s. =a'(tn-tc), i = 3-6,10-12, q„|si=0, i = 1,2,7,

где t. =20"C - температура окружающей среды, tn - температура поверхности.

Для решения системы (II) используется численный метод [4], а дифференциальные соотношения представляются в конечно-разносгном виде [51- При этом вся область деформирования - корочка и боек на рнс.З разбиваются на ортогональные элементы. Для удобства описания геометрии приняты различные системы координат. В I, VI и VIII - прямоугольная, во II, IV, V - биполярная, в III и VII - полярная системы координат.

Для решения уравнения теплопроводности пспользуется бескоординатный численный метод [б].

В системе уравнений (11) в зонах пластической деформации - корочке используется параметр [7].

Здесь аг а2, а3, Ь0, Ь( - коэффициенты. Для стали 12X18Н9Т: а1=278,2мГ1а; аг=101,7мПа; а3=1<,95; Ьо=0,405; Ь,=0,264; Дт- время одного шага; 10=ЮОО°С.

По разработанной математической модели исследовался процесс получения заготовок с конечной толщиной Ь,=4 и 20мм. Варьируется частота вращения приводного вала, скорость разливки и положение суппорта относительно оси приводного вала. у, г

По результатам расчета построены эпюры напряжений в корочке для 3-х шагов при конечной толщине Ь,=4мм, 11=100 об/мин и длине сомкнувшейся корочки ^-ТОмм. Установлено, что 99% основной нагрузки приходится на приводной вал. 11ормальные напряжения в корочке носят сжимающий характер (рис.4). Построены зависимости давления на рабочие и боковые бойки от угла поворота эксцентрикового вала при 1у 4мм. п= 100 об/мнн, 1,=70мм (рис.5), а также конечные значения давлений от длины сомкнувшейся корочки. Построены зависимости изменения температуры в корочке на оси симметрии и на границе с бойком, а также на границе бойка с корочкой и на внешней поверхности бойка вдоль оси разливки.

Р = Ь0--Ь,;Н = Г7Дт.

10

Рис.4. Эпюры напряжений в корочке (а=150°, Ь=4мм, п=100об/мин, 1=70мм)

г__— ¡у

- 1

Рис.5. Зависимое™ давления на стенки от угла поворота вала (Ь - 4 мм, п=100об/'м»н, 1=70мм)

ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ РАСПЛАВА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ И ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК

При моделировании разливки жидкого металла в кристаллизатор и исследовании струй расплава в ряде случаев используют одни или два определяющих критерия подобия [1,8].

Для проведения исследований гидродинамики расплава в кристаллизаторе были изготовлены прозрачные модели, которые позволяли добиваться равенства чисел Рейнольдса и Фруда. Для безнапорных потоков подобие обеспечивается равенством па модели и образце чисел Фруда. В качестве моделирующей жидкости использовалась вода. Модель кристаллизатора установки ЛКМ-1 выполнена в масштабе М =0,5, а для ЛКМ-2 - М = 1,25. Установлено, что наиболее благоприятные условия для формирования заготовки обеспечиваются при распиливании расплава по периметру жидкой ванны на рис.6. Значения скоростей жидкости вдоль всех стенок кристаллизатора не превышают (1,5-3)-10"3м/с, по сравнению с (10-15)10"3 м/с при разливке через прямоточный стакан. Исследование затвердевания и формирования заготовки осуществлялось на установке ЛКМ-1. в которой в качесч ье моделирующего вещества использовался свинец и его сплавы. Подобие процесса обеспечивается равенством определяющихся критериев Фурье. Коссовича, комплексного критерия ВЬЫ и геометрическим подобием модели и образца. Разливка свинца осуществлялась при температуре 1)=335"С и охлаждении стенок холодной водой Определены средине значения коэффициентов теплоотдачи заготовки « и геплонередачи стенки К в верхней пннжмей части кристаллизатора, равные а=!940 и 1089Вг/м:-К, К = 1338 и бЗЗВс'м^К. Определен коэффициент теплоотдачи жидкой стали а=994Е>,-/мЧ< и соотсггс1вующая ему скорость разливки стальных заготовок \'=0,7-0,8м/мин. Г1рп изучении формировании заготовок выполнена разливка сплавов сшшца с оловом. В случае залийки расилаьа выше допустимого уроння происходи! «подвисание» заготовки с последующим её обрывом. В режимах разливки. хараюернзующихея малыми скоростями 0,3-0.4м/

мин, происходит схлопывание корочек заготовки и выталкивание расплава в обратном направлении. При скоростях разливки более 0,5-1,Ом/мин обеспечивается нормальный режим разливки.

гп

-+- т г,

а б в

Рис.6. Картина течения жидкости в кристаллизаторе при распиливании расплава

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ПЛАСТИЧНОГО МЕТАЛЛА

В настоящей главе подробно рассмотрено получение профильных, полых н армированных свинцовых заготовок на экспериментальной установке ЛКМ-1. Дл ' получения профильной поверхности заготовки на наклонной стенке устанавливается сменная накладка с необходимой рабочей поверхностью. На рис.7 поперечное сечение получаемых заготовок 6x29,5-13x30мм2. Длина заготовок 0,7-1,2м.

а б

Рис.7. Поперечное сечснне профильной свинцовой заготовки

.: ■ ,с

Качество получаемых заготовок оценивалось но результатам 9 опытов (режимов разливки). Подвод расплава в кристаллизатор одноструйный из наклоняющейся емкости. В ряде опытов (№7 п 8) в водоохлаждающие каналы наклонных стенок вставляются вставки, перекрывающие часть проходного сечения, для повышения эффективности охлаждения.

На рис.8 приведены зависимости перепадов температур в стенке и соответствующие им значения плотностей тепловых потоков от времени разливки свинца.

Соотношение полученных значений величин тепловых потоков, подводимых в кристаллизатор и отводимых стенкамн на рис.9 показывает, что более 50% тепла разливаемого металла отводится в кристаллизаторе.4 Полученное распределение температур свинцовой заготовки по высоте кристаллизатора на рис.10 свидетельствует о том, что при правильно подобранных параметрах процесса все тепло перегрева и кристаллизации расплава может быть отведено в зоне обжатия.

Рис.8. Зависимости перепадов температур и плотностей тепловых потоков в наклонной стенке от времени получения профильной деформированной свинцовой заготовки: 1 -4 -режимы разливки соответственно №5-9

Наиболее устойчивый процесс разливки и получение профильных заготовок заданного качества по всем её элементам обеспечиваются в режимах №7 и 8 при перегревах металла 17 и 201>С, колебаниях уровня - 3-5мм, скорости разливки - 0,5-0,6м/мин, степени обжатия корочек - 0,4-0,6.

Расчетные значения коэффициента теплопередачи кристаллизатора приведены на рис. il. На рис. 12 приведены зависимости степени обжатия корочек от уровня заливки расплава в кристаллизатор.

С увеличением уровня заливки металла уменьшается соотношение Ае/ДЬ, то есть в меньшей степени влияние колебаний уровня расплава на степень обжатия корочек. Минимальное значение Дб/ДЬ=15,4 (р.№7,8).

Таблица I

Оптимальные параметры разливки н тепловых режимов работы кристал-

лизатора при получении профильных свинцовых заготовок

№ режима к> V, V, Я •> ».г аз> 1С,

°с м/мин м'/час кВт/м2 °С «С Вт/(м2-К) Вг/(м2К)

7 340 0,61 0,79 124 21 92 624 440

8 335 0,6 0,48 145 41 124 912 531

Исследование качества поверхности заготовки показывает, что размер зерна свинца не превышает 100-130мкм. Встречающиеся зерна-двойники свидетельствуют о деформационных процессах в металле. Трещины и нсслитины в заготовках отсутствуют.

Для разработки способа получения полых деформированных заготовок с фиксацией параметров процессов выполнено 8 опытов. На рис. 13 поперечное сечение свинцовых заготовок 8,8x29-11 х29ммг. Размеры круглого отверстия - 6мм, а прямоугольного - 5x10 мм.

Длина получаемых заготовок не превышает 0,85-1,Ом. Исследовалось охлаждение стенок крнстатлизатора горячей водой 1|=55-65"С и холодной 11=5-8"С при темперагурах разливаемого металла 11)=340-450 'С и скоростях разливки - 0,37-

ал /да:

то

1/

V'

^м/мш

0,5

Рис.9. Зависимости тепловых потоков от скорости разливки свинца: 1 - подводимого в кристаллизатор свиица; 2 -отводимого стенками кристаллизатора

Рис. 10. Распределение температур профильной свинцовой заготовки по высоте кристаллизатора: 1-4 - режимы разливки соответственно №1,2,6,8

Рис.11. Зависимости коэффициентов теплопередача кристаллизатора от времени нахождения в в нем свинцовой заготовки: I - на входе в зону калибрования; 2 - на выходе из зоны калибрования; 3 - среднее значение, т.1 и 2 - р.№8 соответственно на входе н выходе из зоны калибрования

Рис.12. Зависимости степени обжатия корочки профильной свинцовой заготовки ог уровня заливки расплава в кристаллизатор: 1-9 - режимы разливки соответственно №1 -9

Рис.13. Поперечное сечение полой свинцовой заготовки

0,8м/мии. Расход воды на охлаждение всего кристаллизатора изменялся в опытах в пределах -180-630кг/час, а на наклонные стенки -113-570кг/час. Подвод расплава в кристаллизатор осуществляется одной струси, атакже двумя струями в пространство между центральным стержнем и наклонной стенкой. Разливка металла осуществлялась в кристаллизатор с различной конструкцией наклонных стенок; в режимах №3-7 - расстояние от рабочей поверхности стенки до поверхности водоохлаждаемого канала 5=4,5мм, а в режимах №1,2 и 8 - 8=23мм.

Подвод расплава в кристаллизатор одной струей обеспечивает получение заготовок без наплывов и неслитин металла при низких уровнях заливки Ь<15мм. Увеличение уровня заливаемого металла 1т>15мм приводит к неравномерному ,(1ию корочек на центральном стержне и получению полых заготовок со ■ценным относительно центра отверстием. При двухструйном способе подвода жидкого металла в кристаллизатор и отсутствии колебаний уровня (р.№6,7) обеспечивается получение идеальной поверхности заготовки с отсутствием трещин и неслитин металла. В режимах №6 и 7 при охлаждении кристаллизатора холодной водой максимальные значения степени обжатия корочек е>0,6 и получение идеальной поверхности заготовки обеспечиваются при соотношении Ь/2а= 1,5-3,5.

Таблица 2

Оптимальные параметры процесса и тепловых режимои работы кристаллизатора при получении полых свинцовых заготовок_

№ режима »п. V, ПЪ «.2- а,.

"С м/мнн кг/час кВт/.м3 °С 0С Вг/(м2-К)

6 355 0.8 264 83 66 75 1470

7 340 0,75 420 149 162 179 965

Для разработки способа получения армированных деформированных заготовок выполнено 6 опытов. Поперечное сечение свинцовых заготовок - 7x30 - 12x30мм1, поперечное сечение медной и алюминиевой шин соответственно 3x8 и 4,5x15мм?, диаметр алюминиевого привода 5мм. Разливка свинца осуществляется при зафиксированной шине, чг& исключает необходимость наличия приводных роликов. Начальная температура металла 430-501)Г'С, скорость разливки - 0,5-0,85м/мнн. Подвод металла в кристаллизатор однострунный нз наклоняющейся емкости. Уменьшение уровня заливки 1г<25 мм приводит к недостаточной степени обжатия корочек. Установлено, что при скоростях разливки металла более 0,5м/мин, начальной температуре свинца 430-450"С, степени обжатия заготовки более 0,38 и прн поддержании уровня расплава в зоне обжатия обеспечивается получение

качественных заготовок с отсутствием на поверхности трещин и пор в металле.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ТРУДНОДЕФОРМНРУЕМЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

В настоящий главе отдельно приведены результаты разливок сплавов с оловом, сурьмой и чистого олова. Первые серии опытов из указанных сплавов приводили к растрескиванию и обрыву заготовок. Для исследования процесса получения деформированных заготовок из сплава свинца с оловом с контролем параметров выполнено 12 опытов. В режимах разливки №1-9 охлаждение наклонных стенок осуществляется в результате разбрызгивания воды в каналах через трубку с отверстиями. В режимах №10-12 в водоохлаждающие каналы стенок вместо трубки устанавливаются вставки, перекрывающие половину проходного сечения канала. В режимах №1-11 подвод расплава в кристаллизатор однострунный, а в режиме №12 - с распыливанием по периметру жидкой ванны. Процентное содержание в сплаве олова -19,35 и 80%. Скорость разливки сплава - 0,4-0,бм/мин, длина заготовок -0,5-1,2м. В опытах расход воды на охлаждение кристаллизатора - 138-|440кг/час. Температура охлаждающей воды - 8 н 50-65°С. Установлено, что в р.№1-9 охлаждение стенок приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи воды и уменьшению её расхода в несколько раз по сравнению с р.№10-12. В р.№12 при распиливании расплава по периметру жидкой ванны обеспечивается получение идеальной зеркальной поверхности заготовки со стороны вертикальных стенок без её растрескивания. Одинаковая температура расплава в пристеночных слоях создает идеальные условия для формирования корочки н её деформации. В режиме №8 получена без растрескивания поверхность заготовки.

На рис.14 приведены зависимости степени обжатия заготовки от уровня заливки расплава. В режимах № I и 9 при всех уровнях заливки расплава заготовка формируется без обжатия корочек е=0.

Сопоставление параметров разливки с качеством поверхности заготовок показывает, что чем меньше соотношение Ае/ДИ, тем меньше отражается на качество поверхности колебание уровня расплава. При разливке без распиливания расплава со скоростью у=0,4-0,5 м/мнн, степени обжатия корочек с=0,1-0,3 при колебаниях уровня Д1г=1-3мм получаются заготовки без растрескивания поверхности. Чем больше в сплаве содержания олова, тем выше требования к технологии его разливки и меньше значение е. В режиме №12 значение е=0,3-0,4 обеспечивается при безразмерном параметре Ь/а=5-7. Установлено, что теплота перегрева н кристаллизации расплава отводится на верхнем расширенном участке.

На рис. (5 приведены экспериментальные данные толщин корочки заготовки.

Сравнение расчетных и экспериментальных данных толщин корочек заготовки показывает, чго расхождение не превышает 10-15%. Чем больше глубина заливки и скорость, тем больше отклонение значений толщины корочек.

0,<

0,2 I!'

0 « » » й (№\„

Рис. 14. Зависимости степени обжагия заготовки от уровня заливки расплава: 16 - режимы разливки соответственно №25,10,11

Рис. 15. Зависимости толщины корочки заготовки из сплава свинца с оловом от расстояния от ючки срастания фронтов кристаллизации: 1,3 - вдоль вертикальной стенки; 2,4 - вдоль наклонной стенкн; 1,2 - нормальный режим разливки; 3,4 - с проплавлелием корочки

Таблица 3

Оптимальные параметры процесса и тепловых режимов работы кристаллизатора при получении заготовок из сплава свинца с оловом_

№ режима «г, п, V, пъ Ч- «...

°С % м/мин кг/час кВт/м2 °С °с Вт/(м2'К)

8 280 35 0,48 270 153 64 153 10757

12 200 35 0,6 408 102 76 135 9180

Исследования показывают, что в конусной заготовке на рис. 16 твердость при деформации возрастает сверху вши от НВ=5,9 до 7,6, то есть на 29%. Твердость

заготовки на необработанной ио-| верхностп НВ<7,9, а в поперечном

'яь-ш

'''. „V >

Рис.16. Макроструктура конусной заготовки из сплава а.пина с оловом (х2,5)

сечении полосы не превышает 11В^7,0. На макроструктуре на рис.16 установлено чередование в деформированной заготовке светлых и темных полосок в нижней части конуса. Размер светлых зерен олова в полоске 1,5-5мкм. Ширина полоски 25-200мкм. Различие макроструктур па поперечных сечениях объясняется неравномерном цод-

подом расл.тапа открытой струей при регулировании уровня перемещением стопора в разливочной емкости.

Растрескивание и обрыв оловянных заготовок привели к необходимости дальнейшего повышения равномерности охлаждения металла и исследования теплопередачи кристаллизатора, охлаждаемого водой с температурой 60-65°С. Охлаждение наклонных стенок осуществляется в результате разбрызгивания поды в каналах через трубку с отверстиями. Проведено более 10 опытов по разливке олова..Теплопередача кристаллизатора исследовалась в 5 режимах разливки, в которых варьировались параметры процессов - начальная температура металла -235-240°С, скорость разливки - 0,3-0,55м/мни, расход охлаждающей воды - 0,141-0,28м3/час, длина заготовок - 0,5-0,75м, Прн однострунном подводе расплава из наклоняющейся емкости при постоянном плавном уменьшении уровня получена заготовка без растрескивания поверхности со стороны вертикальных стенок. Установлено, что прн деформации корочек олова происходит посту пление жидкого металла к охлаждаемой поверхности, о чем свидетельствуют наплывы на конусной заготовке. Расхождение величин тепловых потоков, определенных по перепаду температур в стенке и нагреву охлаждающей воды в каналах, не превышает 28%. При увеличении скорости разливкн олова с 0,3 до 0,51м/мин значение плотности теплового потока на выходе в зону калнбровання возрастает в 2,1 раза, а на выходе из кристаллизатора - в 1,4раза на рис.17. С уменьшением скорости разливкн распределение плотностей тепловых потоков по высоте наклонной стенки выравнивается. При низких уровнях заливки расплава значения толщин корочек заготовки пдоль наклонной и вертикальной стенок отличаются друг от друга не более, чем на 20% на рис. 18.

№

—— , , 1

\ а

——-— }

0

сц»

Рис.17. Распределение плотностей тепловых потоков по длине наклонной стенки кристаллизатора: 1-3 - режимы разливкн соответственно №1-3

Рис.18. Зависимости толщины корочки олсвям'ой заготовки от расстояния от точки срастания фронтов кристаллизации: 1,3 -вдоль вертикальной стенки; 2,4 - вдоль наклонной стенки; 1,2 - нормальный режим разливкн №2; 3,4 - с «подписанием» заготовки

На рис.19 приведены зависимости коэффициента теплоотдачи заготовки от времени её нахождения в кристаллизаторе для режимов № 1-3.

Таблица 4

Оптимальные параметры процесса и тепловых режимов работы кристал-

лизатора при получении оловянной заготовки

№ режима 'с v, V, Я' »п. н.

°С м/мип м3/час кВт/м2 °С °С Вт/(мК)

1 240 0,51 0,141 282 96 224 1030

В конце главы подробно рассматривается получение плоских и профильных заготовок из свиицово-сурьмяных сплавов. Получение заготовок с качественной поверхностью без растрескивания достигнуто в результате равномерного распиливания расплава по периметру жидкой ванны при бесстопорном подводе и регулировании уровня запивки числом оборотов электродвигателя. Содержание в сплаве сурьмы - 5%.

На рис.20 поперечное сечение заготовок 5,7x29 -8,7x29мм2. С фиксированием параметров режимов проведено 11 опытов. Параметры режимов: 1о=310-355°С, у=0,45-1,Ом/мин, ш =240-420кг/час. Охлаждение всех стенок осуществляется горячей водой с температурой 58-67°С. В режимах №1-5 и 9-11 исследуется получение заготовок в кристаллизаторе водоохлаждаемые каналы наклонных стенок которого изготовлены на расстоянии 5=0,023м от рабочей поверхности, а в режимах №6-8 - 8=0,0045м. В каналы наклонных стенок устанавливаются иставки для повышения интенсивности охлаждения, а в каналы вертикальных стенок -тонкостенная стальная трубка для регулирования термического сопротивления. В режимах№4 и 5 подвод расплава осуществляется двумя струями вдоль вертикальных стенок, что приводит к обрыву заготовок. В режиме №6 при низком уровне заливки

шШ

Рис.20. Поперечное сечение профильной заготовки из евнн-цоао-сурьмяпых сплавов

отдачи заготовки от времени нахождения металла в кристаллизаторе: 1 - на входе в зону калибрования: 2 - на выходе из зоны калибрования; 3 -среднее значение

обеспечивается получение заготовок без растрескивания с хорошим качеством поверхности. В режиме №8 при уровне Ь=15-20мм образуются наплывы на поверхности заготовки. Нарушение центрирования подводимых в кристаллизатор сгруй в режиме № 11 приводит к появлению на поверхности заготовки со стороны вертикальных стенок полосовых трещин. Идеальная без разрывов поверхность профильной заготовки обеспечивается в режимах №1,2 и 9. Для установленных режимов разливку целесообразно вести прн безразмерном параметре Ь/а-4-5,5. При этом в меньшей степени сказывается влияние изменения уровня заливки ЛЬ на изменение Де. Максимальное значение степени обжатия корочек £=0,35-0,45.

Таблица 5

Оптимальные параметры процессов и тепловых режимов работы кристаллизатора при получении профильных заготовок из свинцово-сурьмяиых сплавов

№ режима «г. v, m, ч. »... ».2- К,

"С м/мин кг/час кВт/ч2 "С "с Вг/{«1<)

1 345 0,55 330 95 73 128 7520

2 350 0,51 330 116 70 137 7910

9 330 1,0 420 87 66 116 1456-S

Металлографические исследования полученных заготовок показывают, что в структуре наблюдается чередование светлых полосок, обогащенных сурьмой и темных - свинцом. 11а рнс.21 при равномерном подводе расплава с его распыливанием ширина полосок 5мкм, а расстояние между ними 25-100мкм. На рнс.22 размер вытянутых зерен свинца 7,5-25мкм. Нарушение центрирования подводимых в кристаллизатор стр>й приводит на структуре к сливанию светлых полосок. На необработанной поверхности заготовки твердость НП-14, а по продольному сечеишо профилей - 11.

Рис.21. Макроструктура об-разцоп в продольном сечекии заготовки при равномерном распиливании расплава

штж тщщ

Рис.22. Микроструктура образцов в продольных сечениях профильной заготовки из свшщово-сурьмяных сплавоч (у.200)

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУЧЕНИЯ НШ1РЕРЫВНОЛИТЫХ ДЕФОРМИРОВАННЫX АЛЮМИ1 ¡1ШВЫХ ЗАГОТОВОК

Опыты с разливкой алюминия проводились при следующих параметрах

процессов: 1о=750-850"С, у=0,4-0,8м/мии, V =0,35-0,87м3/час. Охлаждение стенок осуществляется холодной подои с температурой 6-10°С, а также горячей водой -I =60°С. Сечение плоских заготовок 7,5x29,5 - 10x30мм3. С фиксацией параметров режимов выполнено на алюминии 10 опытов и на сплаве алюминий-свинец - 5 опытов. При получении заготовок из алюминия и его сплавов со свинцом отсутствие надежных устройств не позволяет обеспечить разливку с распиливанием металла в кристаллизаторе. Регулировка уровня заливки обеспечивается изменением положения стопора в разливочной емкости, а также числом оборотов электродвигателя при бесстопорном подводе расплава. В первом случае заливки изменение положения стопора в емкости нарушает центрирование струп металла. Исследование разливки алюминия показывает, что процесс устойчив при охлаждении стенок холодной водой. Охлаждение наклонных стенок горячей водой, в которых водо-охлаждасмыс каналы изготовлены на расстоянии 0,022м от рабочей поверхности, приводит к прорывам корочки и намораживанию металла. Установлено, что охлаждение стенок- происходит в режиме двухфазного течения недофегой до кипения поды в каналах. При переходе к режиму пузырькового кипения увеличивается тегшоотвод не только ог заготовки, но л через стенку кристаллизатора с увеличением интенсивности теплоотдачи воде. Нарушение температурного режима работы кристаллизатора, вызванное увеличением температуры наклонных стенок в зоне калибрования, приводит к затеканию расплава за корочку с образованием наплывов на поверхности заготовки. Смещение точки срастания фронтов кристаллизации в - зону калибрования приводит к возрастанию плотности теплового потока более, чем в 2,5раза. При этом ухудшается качество поверхности заготовки за счет уменьшения степени деформации корочек. Смещение точки срастания фронтов кристаллизации в верхнюю часть кристаллизатора приводит к переохлаждению заготовки. Расплав выдавливается из оболочки. В дальнейшем происходит закупорка зоны обжатия неиродеформированпым металлом н разрыв заготовки.

Сравнение расчетных значений толщины корочки алюминиевой заготовки с экспериментальными данными показывает, что расхождение не превышает 15%. В режимах разливки №5, 6 и 9 получены качественные заготовки. На рис.23 максимальное значение степени обжагия корочек е=0,7-0,75 обеспечивается при безразмерном параметре 11/а=4-6. Режим №9 позволяет вести процесс в более широком интервале уровня заливки Ь=15-40мм при Де/ДЬ=7-12.

Таблица 6

Оптимальные параметры процесса и тепловых режимов работы кристал-

лизатора при получении алюминиевой заготовки

№ режима v, v, Ч. «.г а,. К,

"С м/мин м3/час кВт/м2 °С "С Вт/(мЧО Вг/(м2'К)

5 750 0,45 0,37 498 117 403 4743 '769

6 750 0.5 0,47 . 523 115 416 5078 807

9 800 0.45 0.36 640 125 493 5420 980

Установлено, что при отсутствии деформации алюминия размер зерна в заготовке изменяется от 30-50 до 80-100мкм (рнс.24,а). При степени деформации е=0,2-0,3 начинают просматриваться вытянутые зерна с размером 15-ЗОмкм. При е-0,65 на рис.24,6, структура заготовки полностью деформированная с размером зерна 5-6мкм. Колебание уровня металла и нарушение центрирования струи приводит к появлению в структуре заготовки областей разноэернистости. В заготовках из сплава алюминия со свинцом (Г1^5%) кристаллиты алюминия располагаются под углом 5-25° к направлению движения металла. Капли сшшца размером 10x50 -15х125мкм вытянуты вдоль продольной оси заготовки.

Измерение твердости по оси алюминиевой заготовки показывает, что минимальное значение Н\'=17 на рис.25 соответствует литому металлу. При деформации заготовки значение твердости возрастает. Максимальное значение ИУ=31-34 обеспечивается при е-0,65.

ГЛАВА 7. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ЗАГОТОВОК

В настоящей главе подробно рассмотрена получение плоских н профильных заготовок из свинцово-сурьмяных и алюминиевых сплавов. Кроме основных технологических параметров процесса, указанных в предыдущих главах, в настоящей главе исследовалось влияние на формирование заготовки величины степени обжатия корочек, сочетание скоростей обжатия металла и подачи заготовки вертикальными сгснкамп. а также скорость колебаний уровня расплава.

На рис.26 показана разработанная опыгно-промышленная установка ЛКМ-2,

'I Ци

б

Рис.23. Зависимости степени обжатия алюминиевой заготовки от безразмерного параметра; 1-10 - режимы разливки соответственно №1-10

Рис.24. Структура конусной заготовки при различной степени деформации алюминия (х200): а - е=0; б - г:---0,65

'О

V

0010,1

Рис.25. Изменение твердости алю-мнння по длине темплета в продольном сечении

Рис.26. Внешний вид установки ли-тейно-ковочного модуля ЛКМ-2

а на рис.27 - схема кристаллизатора и расположение в нем хромель-конелевых термопар.

Получение непрерывнолитых заготовок из сошшойо-сурьмяных сплавов осуществлялось при следующих параметрах процессов: у=310-375°С, ^=0,5-2,93м/ мин, V ==1,19-2,31 м'/час. Охлаждение стенок осуществлялось холодной водой с 1в=10-15!;С, а также теплой и горячей водой 1в=30 л 55"С. С фиксацией параметров режимов выполнено 11 опытов. Ширина получаемых заготовок на опытно-промышленной заготовке ЛКМ-2 постоянная Ь=0,1м, а толщина регулируется настройкой кристаллизатора и профилем поверхности. Процентное содержание н сплаве сурьмы П=5%.

На рис.28 показаны основные поперечные сечения получаемых заготовок.

В режиме №1 исследуется получение плоских заготовок. В режиме №2 поперечное сечение заготовки показано на рис.28,6, в режимах №3,4 - на рис.28,а. в остальных режимах - на рис.28,в. Охлаждение стальных вставок осуществляется за счет контакта с поверхностью наклонных стенок, а также в результате непосредственного их омывания водой. Привод установки обеспечивается электродвигателем мощностью 75кВт. Бесстопорный струйный подвод расплава в кристаллизатор осуществляется из обогреваемой разливочной емкости, а регулировка уровня заливки обеспечивается изменением числа оборотов электродвигателя. В опытах изменялось количество подводимых в кристаллизатор струй расплава. Установлено, что уменьшение скорости подачи заготовки вертикальными стенками ниже допустимых значений при одновременном увеличении числа деформации корочки на наклонных стенках н единицу времени приводит к появлению колебаний расплава в режимах Жо-11 н сечении заготовок

г-* I •в

U-www^

б

КХХ>а

а

Рис.27. Схема кристаллизатора Рис.28. Поперечные сечения за-

J1KM-2 и расположение термопар в готовок изсвннцово-сурьмяных сплавов

наклонной стенке

на рис.28,в. Смещение в кристаллизаторе распиливаемых струй приводит к появлению на поверхности заготовки трещин длиной 1 -Змм, а также к наплывам расплава в районе перемычек прутков. В режимах разливки №1-4 при скорости подачи заготовки у=1,44-2,93м/мин колебания расплава в вертикальной плоскости практически отсутствуют. В режиме №5 при подводе в кристаллизатор трех струй на поверхности в районе перемычек заготовки встречаются незначительные наплывы расплава, трещины отсутствуют. В режиме №7 при \'=0,5м/мин и одноструйном бесстопорном подводе с кратковременным прекращением подачи расплава приводит к обрыву заготовок длиной 0,2-0,Зм. Распиливание расплава на 6 струй диаметром 2-2,8мм каждая в режиме №8 исключает обрыв прутков. Проверка прочности прутков на изгиб на угол 120° показывает, что трещины на образуются. Увеличение диаметра 8 струй до 3,5мм в режиме №11 приводит к проплавлению корочки заготовки вдоль вертикальной стенки. Растрескивание и обрыв заготовок в большей мере объясняется неравномерностью толщин корочки по периметру заготовки на рис.29 по сравнению с другими факторами. Установлено, что максимальные значения е=0,б8 приходятся на область перемычек, то есть, где сечение минимальное. В области максимальной толщины Прутков значение е во всех режимах разливки минимальное.

1 ¡а рис.ЗО максимальные отклонения толщины заготовки от заданного значения наблюдаются в начале и конце процесса. Разноголншнность достигает 10-15%. Опытно-промышленные эксперименты подтверждают, что при разливке

Рис.29. Зависимости толщин корочек из свинново-сурьмянистото сплава в поперечных сечениях по периметру заготовки от расстояния до зеркала расплава (р.№11): 1 - на расстоянии 90мм от зеркала расплава; 2 - на расстоянии 110мм

Рис.30. Изменение толщины заготовок из свшщово-сурьмянистого сплава по их длине: 1 -3 - режимы разливки соответственно №2-4

трудиодеформируемых свннцово-сурьмяных сплавов превышение скорости колебаний уровня 3,8мм/с приводит к обрыву заготовок.

Таблица 7

Оптимальные параметры процесса и тепловых режимов работы кристаллизатора при разливке свннцово-сурьмяных сплавов

К» режима V, V, ч. а,, М11

"С мУмин м'/час кВт/м2 ВтПыЮ °С "С

1 320 2,67 2,11 67 1340 65 142

2 330 1.83 2,11 100 3000 30 85

3 325 2,93 2,11 23 4010 30 41

5 335 1,13 1,79 53 4350 45 57

8 375 1,0 1,83 84 3520 41 60

10 310 0,75 2,31 116 7584 53 79

В ходе опытно-промышленных исследований разливки алюминиевых сплавов в кристаллизатор со вставками из медного жаропрочного сплава на наклонных стенках дополнена технология разливки заготовок, изложенная в 6 главе. Разлнвку металлов и сплавов с высоким значением коэффициента теплопроводности необходимо выполнять в работающий кристаллизатор во след затравки или расплаву. При охлаждении вставки из медного жаропрочного сплава теплообмен осуществляется в режиме двухфазного течения недогретой до кипения воды. При этом в режимах разливки температура рабочей поверхности вставки, контактирующей с заготовкой, не превышает (12-Т60-190"С по сравнению с 112=403-493°С

при использовании стальной вставки в 6 главе. Для исключения растрескивания заготовок доказана целесообразность распиливания алюминиевых сплавов в кристаллизатор прн поддержании уровня расплава на заданном горизонте. Использование вставки из медного сплава позволяет увеличить степень обжатия заготовки до 6=0,86 при уровне Ь=0,08-0,15.« на рис.31 по сравнению с е=0,7-0,75 при использовании стальных вставок в б главе. Наиболее крутой характер зависимостей е от Ь наблюдается при 1]<0,06м. В результате соотношение Ае/АЬ=(7,5-16)м '. С увеличением 1»>0,0бм соотношение Де/ДЬ=( 1,5-2,5 )\г', то есть уменьшается в 5-6раз. При этом в меньшей степени сказывается на процесс разливки н изменение Де колебание уровня расплава.

заливки в кристаллизатор: 1,2 - режимы разливки соответственно №2,3

Использование в народном хозяйстве 1 установки лнтейно-ковочного модуля при получении стальных заготовок сечением бОх 100мм2, скорости разливки 2,5м/ мин, времени работы 2880 часов и годовом объеме производства 20200 тонн позволяет сьэкономить на операциях нагрева металла при обжиме и прокатке до 800 тонн мазута.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель процессов кристаллизации и деформации металла в установке, позволяющая определять напряжения в корочке и давления па рабочие поверхности стенок для различных моментов времени.

2. Разработан эффективный способ получения непрерывнолнтых профильных заготовок из труднодеформируемых металлов и сплавов, основанный на распиливании расплава по периметру жидкой ванны кристаллизатора. При этом исключается растрескивание металла. Структура получаемых заготовок претерпевает более глубокие изменения качественных показателей литого и деформируемого металла.

3. Экспериментально на установке литейно-ковочного модуля исследован комплекс вопросов, связанных с формированием непрерывнолнтых заготовок из

деформируемого металла. Установлен механизм формирования заготовки. Экспериментально уточнены величины твердой фазы и соотношения толщин корочек, формируемых вдоль наклонной и вертикальной стенок. Построены зависимости степени обжатия корочек заготовки от режимных факторов процесса, позволяющие переносить результаты экспериментов на другие условия их осуществления. с

4. Разработаны эффективные способы получения ненрерывнолнтыхзаготовок нз кристаллизирующегося расплава, заключающиеся в разрушении корочки с одновременным обжатием жидкого и твердого металла на поверхностях стенок и центральном стержне. Это позволяет получать полые деформированные заготовки со сложной формой внешней и внутренней поверхности. В разработанном способе и устройстве для получения полых заготовок наличие двух вертикальных стенок, совершающих возвратно-поступательное движение, исключает необходимость наличия механизма качания кристаллизатора и устраняется приваривание металла к стенкам. Выполнение в устройстве двух стенок наклонными в верхней части и совершающими вращательное движение, обеспечивает условия захвата, обжатия и подачи металла на калибровочный участок.

5. Разработаны и обоснованы тсхнолого-конструктивные приемы повышения качества получаемых заготовок за счет установления оптимальной протяженности зоны калибрования заготовки, угла наклона поверхностей стенок, скорости подачи и проталкивания металла. Разработаны и обоснованы тсхнолого-конструктивные приемы повышения эффективности охлаждения-металла в кристаллизаторе. Варианты конструкций наклонных стенок кристаллизатора позволили проанализировать ряд закономерностей изменения параметров с качеством наружной поверхности заготовки и струетурообразованнем.

6. Экспериментально на лабораторной установке исследован комплекс вопросов, связанный с армированием пепрерывиолитых деформированных заготовок.

7. Экспериментальные работы в области получения непрерывнолитых деформированных заготовок показывают, что разработанные способы и устройства, зафиксированные в 30 патентах и решениях на их выдачу, позволяют получать более глубокие изменения качественных показателей литого металла по сравнению известными приемами внешних воздействий на жидкий и кристаллизирующийся расплав.

На основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований выполнена практическая разработка для промышленного предприятия - Серовского металлургического завода.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник/ Е.В.Ачетиегов. В.Л.Григорьев. Б.Т'.Емцсв и др.-М.: Энергоиздат, 1982. 512с.

2. Теплотехнический справочник. 1 )од общ.ред. B.I [.Юренева и П.Д.Лебедева. Т.2. Изд.2-е, перераб.М.:Энергия, 1916. 896с.

S. Роботнов IO.M. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979.

743с.

4. Одинокой В.И. Численный метод решения дифференциальных уравнений пластического течения //Прикладная механика.1973. Выи.9. №12. С.25-30,

5. Одшюкоп В.П. О конечно-разностном представлении дифференциальных соотношений теории пластичности//Прикладная механика. 1985. т.21.№1.С.97-102.

6. Одшюкоп В.И. Численное исследование процесса деформации материалов бескоордннатным методом. Владивосток: Далытука, 1995. 168с.

7. Одннокоп В.И., Хайкин Б.Е. Аналитическое описание упрочнения сталей в зависимости от скорости, степени и температуры деформации //Теория и технология прокатки. Свердловск: УГШ. №176. С.15-21.

8. Стулов В.В., Гонтарен 10.1С., Яковенко А.Г. и др. Исследование гидродинамики непересекающихся плоских струй в емкости кристаллизатора//Изв. ВУЗов.Черная металлургия. 19S9. №11. С.50-52.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ

1. Стулов В.В., Одинокое В.И. Теплообмен в кристаллизаторе при непрерывной разливке с деформацией металла // Изи.ВУЗов.Черная металлургия. 1995. №9. С.27-28.

2. Стулов В.В., Одииоков В.И. Исследование тепловых режимов кристаллизатора лнтейно-ковочного модуля //Прогрессивная технология обработки металлов. Сб.№З.Комсомольск-на-Амуре: КиАГТУ, 1995. С.69-74.

3. Сгулоа В.В., Одинокое В.И. Методика экспериментальных исследований при получении непрерывно.штых и порошковой заготовки па ЛКМ//Новые литеино-металлургические процессы и сплавы. Комсомольск-на-Амуре: КиАГТУ, 1995. С.26-29.

4. Стулов В.В., Одинокое В.И. Тепловой расчет теплообмена при кристаллизации алюминия на литейно-ковочиом модуле//Новые литенно-мег-аллургачесете процессы и сплавы. Комсомольск-на-Амуре: КиАГТУ, 1995. С.19-26.

5. Одииоков В.И., Песков A.B., Стулов В.В. Теоретическое исследование процесса деформации отливаемого металла на ЛКМ // Новые дитейно-металлур-гические процессы и сплавы. Комсомольсг<-на-Амуре: КнАГ'ГУ, 1995. С.30-43.

6. Одииоков В.И., Стулов В.В. Установка для получения непрерывнолитых кованых металлических заготовок //Тез.докл. Науч.-гехн.конф. по использованию результатов конверсии науки в ВУЗах Сибири для международного сотрудничества, «Сибконверс,95»(4-6 октября 1995г.)Томск:ТГУ, 1995. С.60-61.

7. Стулов В.В., Одинокое В.И. Исследование формирования неирсрывнолитой кованой алюминиевой заготовки в кристаллизаторе //Тез.докл.Науч.-техн,конф. по использованию результатов конверсии науки в ВУЗах Сибири для международного

сотрудничества, «Спбконверс,95»(4-6 октября 1995г. )Томск:ТГУ, 1995. С.63.

8. ОдпноковВ.И., Стулов В.В. Получение непрерывнолитой алюминиевой заготовки на литейно-ковочном модуле //Литейное производство. 1996. Ха1. С. 18-20.

9. Однноков В.И., Стулов В.В. Влияние конструкции кристаллизатора на качество непрерывнолитой заготовки // Литейное производство. 1996.Л'г4. С.24-26.

10. Одиноков В.И., Стулов В.В. Тепловые исследования кристаллизатора и формирование заготовки в нем при вертикальной непрерывной разливке с деформацией алюминия // Проблемы механики сплошной среды. Владивосток: ИАПУ ДВО РАН, 1995. С.188-195.

11. Стулов В.В., Одиноков В.И. Влияние параметров разливки металла на получение непрерывнолитой кованой заготовки // Изв.ВУЗов.Черная металлургия. 1997.Л'°1. С.24-26.

12. Стулов В.В., Одинокой В.И. Исследование получения пепрерывиолатых кованных армированных заготовок //'Изв.ВУЗов.Черная металлургия. 1997. №2. С.20-22.

13. Стулов В.В. Физическое моделирование процесса непрерывной разливки стали в кристаллизатор//Изв.ВУЗов.Черная металлургия. 1997.Л». С.55-59.

14. Одиноков В .И., Стулоз В.В. Влияние уровня заливки расплава на степень обжатия корочек в кристаллизаторе при получении заготовок из плохо-деформируемого сплава //Прикладные задачи механики деформируемого твердого тела. Сб.науч.тр.Владпвосгок: ИМлМ ДВО РАН, 1997. С.171-Ш.

15. Стулов В.В., Одиноков ВН. Физическое моделирование гидродинамики жидких металлов в кристаллизаторе //Прикладные задачи механики деформируемого твердого тела. Сб.науч.тр.Владивосток: ИМиМ ДВО РАК, 1997. С. 182-200.

16. Одиноков В.И., Стулов В.В. Влияние конструкции кристаллизатора на качество получаемой непрерывнолитой алюминиевой заготовки //Металлы. 1997. №5. С.40-42.

17. Стулов В.В. Исследование формирования непрерывнолитой кованой алюминиевой заготовки в кристаллизаторе //Металлы. 1997.Лй4. С.49-52.

18. Стулов В.В. Эффективность работы кристаллизатора при вертикальном непрерывном литье с деформацией мета.чла//Металды.1997., Л"'6. С.52-57.

19. Стулов В.В. Определение параметров непрерывного литья алюминия в кристаллизатор при получении поковок //Литейное производство. 1997. №12. С.22.

20. Стулов В.В. Исследование структуры непрерывных деформированных прутков из свиицово-сурьмяных сплавов //Проблемы механики сплошной среды.Ч.2: Материалы международной научно-технической конференции (Комсомольск-на-Амуре,15-19сентября 1997г.). Комсомольск-па-Амуре: Комсомольскнй-на-Амуре гос.техн.ун-т,1998. С. 18-20.

21. Стулов В.В. Экспериментальное исследование тепловой работы кристаллизатора при непрерывной разливке и деформации металла //Изв. ВУЗов. Черная металлургия.1997 №10. С.76-77.

22. Одинокое В.И., Стулов В.В., Воинов А.Р. Математическое моделирование кристаллизации и деформации металла на литейио-коьочном модуле //Тез. док. школы «Современные проблемы механики и прикладной математики». Воронеж: ВГУ, 1998. С.205.

23. Воинов А.Р., Стулов В.В. Модульная установка для получения непрсрывнолитых деформированных заготовок //Тез.докл. Региональной науч.-техн. конф. «Молодежь и научно-технический прогресс». Владивосток: ДГТУ, 199?.. С.16-17.

24. Воинов Л.Р., Стулов В.В. Исследование получения непрерывнолитых заготовок из труднодеформированных сплавов на опытно-промышленной установке //Тез.докл. Региональной науч.-техн.конф. «Молодежь и научно-технический прогресс». Владивосток: ДГТУ, 1998. С.17.

25. Стулов В.В. Исследование влияния режимов разливки алюминия на качество непрсрывнолитых деформированных заготовок //Металлы. 1998. №2. С.28-33.

26. Стулов В.В., Однноков В.И. Специальные виды литья. Получение заготовок на лнтейно-ковочном модуле: Учебное пособие. Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос.техн.уп-т. 1998. 68с.

27. Патент № 2077765 1Ш. Способ получения непрерывнолитых полых заготовок н устройство для его реализации //Стулов В.В., Однноков В.И. О публ.20.04,97. Бюл.№11.

28. Свидетельство на полезную модель № 2525. Устройство для получения непрерывнолитых полых биметаллических заготовок/В.В.Стулов, В.И.Одиноков. Опубл. 16.08.96. Бюл№8.

29. Свидетельство на полезную модель №2526. Устройство для непрерывной разливки металла /В.В.Стулон. В.И.Одиноков. Опубл.16.08.96. Бюл.№8.

30. Патент № 2079390 Яи. Устройство для непрерывного литья заготовок / В.В.Стулов, В.И.Однноков. 0публ.20.05.97. Бюл.№14. Заявка № 94031252/02/ 031245. • .

31. Патент Ха 2101128 ГШ. Способ непрерывного литья заготовок и устройство для его осуществления /В.В.Стулов, В.И.Одиноков. 0публ.10.01.98. Бюл.№1. Заявка Кг 94041105/02/0404449.

32. Патент ЛГн 2077766 Яи. Способ непрерывной разливки металлов и установка для его осуществления /В.В.Стулов, В.И.Одиноков. 0публ.20.04.97. Бюл.№11.

33. Патент №2103 ¡071Ш. Устройство для резки слитка /В.В.Стулов, В.И.Одиноков. Опубл. 27.01.98. Бюл.ХаЗ. Заявка № 95117485/02/030298.

34. Патент № 2103105 ГШ. Способ получения непрерывнолитых полых заготовок и устройство для его реализации /В.В.Стулов, В.И.Одиноков. 0публ.27.01.98. Бюл.№3. Заявка№ 95117313/02/030245.

35. Патент № 2077409 ГШ. Устройство для непрерывной разливки заготовок-У В.В.Стулов, В.И.Одиноков. 0публ.20.04.97. Бгол.№11.

36. Патент РФ №2077772. Способ получения порошковой заготовки и

устройство для его реализации /Стулоа В.В., Однноков В.И. Опубл. 20.04.97. Бюл.ХаП.

37. Патент№ 20843! 11Ш. Сборный кристаллизатор для непрерывной разливки металла/В.В.Стулов, В.И.Одиноков. Опубл.20.07.97. Бюл.Х»20. Заявка Хг 94043921/ 02/044201.

38. Патент X» 2086347 ГШ. Установка для непрерывного литья заготовок / В.В.Стулов, В.И.Одиноков. Опубл. 10.08.97. Бюл.№22. Заявка № 94028995/02/ 029116*

39. Патент № 20843101Ш. Способ непрерывного литья заготовок и устройство для его осуществления /В.В.Стулов, В.И.Одиноков. 0публ.20.07.97. Бюл.№20. Заявка № 94042007/02/042127.

40. Патент X» 2086346 1Ш. Способ получения непрерыпнолитых биметаллических заготовок и устройство для его осуществления /В.В.Стулов. В.И.Одиноков. Опубл. 10.08.97.Бюл.Хй22.

41. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 95103322/02/006222 от 29.07.96. Способ получения непрсрывнолитых полых биметаллических заготовок /В.В.Стулов, В.И.Одиноков.

42. Патент №2105632 1Ш. Заявка № 95117310/02/030248. Кристаллизатор для непрерывной разливки и деформации металла /В.В.Стулов, В.И.Одиноков. Опубл.27.02.98. Бгол.№6.

43. Патент №2105635 1Ш. Заявка № 95117508/02/030283. Затравка для кристаллизатора установки непрерывной разливки и деформации металла / В.В.Стулов,В.И.Одиноков. 0публ.27.02.98. Бюл.Хаб.

44. Патент Х»21056341Ш. Заявка № 95117440/02/030301. Затравка для кристаллизатора установки непрерывной разливки и деформации металла / В.В.Стулов, В.И.Одиноков. 0публ.27.02.98. Бюл.Х?6.

45. Патент№2106929 ГШ. Заявка № 95117439/02/030297. Устройство для резки пепрерывнолитого деформированного слитка/В.В.Стулов, В.И.Одиноков. Опубл. 20.03.98. Бюл.№8.

46. Решение о выдаче свидетельства на полезную модель по заявке Ха 95107745/ 20/013232 от 09.01.96. Установка для непрерывной разливки металла /В.В.Стулов, В.И.Одиноков.

47. ПатентХ»2108890 ГШ. Заявка № 95120838/02/036323 от 18.07.97. Установки для непрерывной разливки металла/В.В.Стулов, В.И.Одиноков.

48. Патент №2108891 1Ш. Заявка № 95120840/02/036326 от 26.06.97. Устройство для получения непрсрывнолитых полых биметаллических заготовок / В.В.Стулов, В.И.Одиноков. 0публ.20.04.98. Бюл.№11.

49. Патент Ха2108198 1Ш. Заявка № 95120873/02/036335 от 26.06.97. Устройство для непрерывной разливки металла /В.В.Стулов, В.И.Однноков. Опубл. 10.04.98. Б юл .№10.

50. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 96111896/02/017905 от 13.11.97. Сборный кристаллизатор для непрерывной разливки металла /

В.В.Стулов, В.И.Одиноков.

51. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 96113980/02/021379 от 28.10.97. Способ получения непрерывнолитых полых заготовок и устройство для его осуществления /В.В.Стулов, В.И.Одиноков.

52. Решение о выдаче патента на Изобретение по заявке № 96111893/02/017904 от 28.10.97. Способ получения непрерывнолитых заготовок и устройство для его осуществления /В.В.Стулов, В.И.Одиноков.

53. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 96111892/02/017903 от 29.10.97. Устройство для получения непрерывнолитых заготовок /В.В.Стулов, В.И.Одиноков.

54. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 96111894/02/017907 от 16.12.97. Устройство для получения непрерывнолитых деформированных заготовок /В.В.Стулов, В.И.Одиноков.

5 5. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 98102760/02/003127 от 05.08.98. Устройство для получения непрерывнолитых деформированных заготовок/В.В.Стулов, В.И.Одшюков.

56. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 98103917/02/004179 от 14.08.98. Устройство для получения непрерывнолитых деформированных заготовок/В.В.Стулов, В.И.Одиноков.

ц/ , V/ V

4

О % РОСбЙйСКА^^ХкАДЕМИЯ НАУК

Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН ■'С

На правах рукописи

СТУЛОВ Вячеслав Викторович

УДК 532.516.5:621.746.047

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ДЕФОРМИРОВАННЫХ

ЗАГОТОВОК

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

г.Комсомольск-на-Амуре

1998год

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ $

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ НОВОГО НАПРАВЛЕНИЯ В ПРОЕКТИРОВАНИИ УСТАНОВОК НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛА

Способы получения непрерывнолитых заготовок....................... 11

Устройства для непрерывной разливки металлов........................ 21

Применение внешних воздействий на кристаллизирующийся металл.......31

Физическое и математическое моделирование процессов гидродинамики

расплава и затвердевания заготовки.......................................37

Результаты исследований кристаллизации заготовок и работы кристаллизаторов.............................................................57

Постановка задачи исследования. Обоснование нового направления в

проектировании установок непрерывной разливки металлов..................69

Перечень условных обозначений, символов, единиц и терминов...........72

ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТАНОВКИ ЛИТЕЙНО-КОВОЧНОГО МОДУЛЯ (ЖМ), УСТРОЙСТВ ЛКМ И СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ЗАГОТОВОК.............................75

1.1. Описание работы установки ЛКМ и кристаллизатора.................75

1.2. Разработка способов и устройств установки ЛКМ....................81

1.3. Основные расчетные формулы, используемые при исследовании тепловых режимов кристаллизатора......................................... 110

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛА НА ЛКМ...............112

2.1. Инженерная постановка задачи. ................................ 112

2.2. Определение толщины корочки в кристаллизаторе переменного сечения. Механизм формирования заготовки.................................114

2.3. Математическая модель процесса деформации металла...............124

2.4. Анализ результатов исследования деформации металла в кристаллизаторе............................................................... 132

ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗОГРЕВА КРИСТАЛЛИЗАТОРА ЛКМ, ГИДРОДИНАМИКИ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА И ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК............137

3.1. Исследование разогрева кристаллизатора ЛКМ..................... 137

3.2. Физическое моделирование процессов гидродинамики жидкого металла в кристаллизаторе................................................ 140

3.2.1. Описание экспериментальной установки и условия проведения экспериментов по исследованию гидродинамики жидкости......................140

3.2.2. Результаты моделирования гидродинамики жидких металлов в кристаллизаторах ЛКМ.....................................................145

3.3. Физическое моделирование процесса получения непрерывнолитых стальных заготовок.................................................... 155

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ПЛАСТИЧНОГО МЕТАЛЛА....... 162

4.1. Исследование влияния колебаний уровня расплава на получение непрерывнолитых свинцовых заготовок.....................................162

4.2. Исследование получения профильных свинцовых заготовок.......... 163

4.3. Исследование получения полых свинцовых заготовок............... 176

4.4. Исследование получения армированных свинцовых заготовок........ 183

4.5. Металлографические исследования непрерывнолитых деформированных свинцовых заготовок............................................... 190

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ......195

5.1. Исследование получения плоских заготовок из сплавов свинца с

оловом...............................................................195

5.2. Исследование получения плоских оловянных заготовок...............207

5.3. Исследование получения профильных заготовок из промышленных свинцово-сурьмяных сплавов............................................219

5.4. Металлографические исследования непрерывнолитых деформированных заготовок из свинцовых сплавов......................................227

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ДЕФОРМИРОВАННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ ЗАГОТОВОК.....................238

6.1. Исследование тепловой работы кристаллизатора при различном положении точки срастания фронтов кристаллизации.........................238

6.2. Исследование разливки алюминия в кристаллизатор с различной конструкцией наклонных стенок.........................................241

6.3. Влияние условий разливки алюминия на макро- и микроструктуру непрерывнолитых деформированных алюминиевых заготовок..................252

6.4. Металлографические исследования непрерывнолитой деформированной заготовки из сплава алюминия со свинцом.............................257

ГЛАВА 7. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ЗАГОТОВОК..........262

7.1. Получение непрерывнолитых деформированных заготовок из свинцово-сурьмяных сплавов..................................................262

7.2. Исследование разогрева кристаллизатора..........................281

7.3. Исследование разливки алюминиевых сплавов в кристаллизатор при различном положении точки срастания фронтов кристаллизации..............282

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................290

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................292

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................311

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время важнейшей проблемой в машиностроении является разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий, создание малоотходных технологий в литейном производстве при получении профильных и полых заготовок с обеспечением требуемых служебных свойств изделий на основании использования достижений науки и техники в области активных воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл.

В нашей стране и за рубежом получение профильных заготовок осуществляется путем прокатки предварительно полученных непрерывнолитых слитков или слитков отлитых в изложницы. При этом металл подвергают дополнительному нагреву и обжиму в толстолистовом цехе с последующим нагревом и прокаткой профилей во втором цехе. Из существующей последовательности технологических операций возникает необходимость наличия нескольких цехов с соответствующим оборудованием, на которые полуфабрикаты необходимо доставлять и складировать, выполнять дополнительные операции погрузки-разгрузки. Кроме этого, получение непрерывнолитых слитков осуществляется на установках вертикальных, радиальных или криволинейного типа, которые имеют ограничения по скорости разливки и производительности за счет наличия зоны вторичного охлаждения, достигающей в длину при разливке стали десятки метров.

Дополнительно к этому, получение полых заготовок из сплошных осуществляется на автоматических станках в результате их прошивки. При этом отлитые слитки подвергаются дополнительным трудоемким операциям - обжиму, ковке, сверлению отверстий и прошивке. В результате расходы по переделу металла составляют более 20%.

Применение на практике способов непосредственного получения сплошных профильных и полых заготовок связано с необходимостью разработки специальной установки, способов и устройств для непрерывной разливки металлов.

Отличительной особенностью решения Правительственной комиссии по научно-

технической политике [1] является решительная ориентация на разработку и практическое использование совокупности критических технологий, что приведет к появлению в народном хозяйстве принципиально новых поколений материалов, машин, оборудования и за счет этого повышение конкурентоспособности национальной промышленности, развитие экономики страны, обеспечение роста качества жизни народа. В решениях к производственных технологиям относятся модульные технологии производства массовой металлопродукции с новым уровнем свойств.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом выполнены крупные работы в области непрерывной разливки металлов. Однако вопросы влияния пластических деформаций при одновременном непрерывном разрушении фронта кристаллизации на затвердевание и качество заготовки не изучены. Поэтому изучение закономерностей процесса формирования заготовки при непрерывной разливке с деформацией металла в кристаллизаторе является крупной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Для разработки новой конструкции установки и технологии непрерывной разливки металлов и сплавов необходим детальный анализ всех предшествующих работ в этой области. Поэтому во введении рассматривается имеющиеся конструкции установок, устройств и способов получения непрерывнолитых заготовок, результаты экспериментальных и теоретических исследований процессов формирования заготовок. Практика показывает, что температура расплава в формирующейся заготовке и градиенты температур по сечению корочки определяют качество получаемого металла. Поэтому исследование механизма формирования заготовки и напряженно-деформированного состояния металла на границе раздела фаз представляет повышенный интерес. Для управления процессом затвердевания металла необходимо изучить условия его протекания. При известных условиях внешнего теплоотвода, теплофизических свойствах расплава и параметрах рабочей зоны кристаллизатора возможно описание кристаллизации всей заготовки.

Известно, что при достижении практически безградиентного профиля температуры в центральной части слитка создаются равные возможности зарождения и роста кристаллов по всему его сечению. Формирование различных типов кристаллической структуры при затвердевании металла определяется режимом охлаждения кристаллизатора и температурной воды.

Известно также, что за счет разрушения фронта кристаллизации и интенсификации теплообмена поверхности заготовки со стенками кристаллизатора можно добиться уменьшения размеров зерен, химической и физической неоднородности литого металла.

Применение на практике непрерывной разливки расплавов при одновременном разрушении фронта затвердевания связано с необходимостью конструктивной разработки специальной установки, способов разливки металлов и исследования режимов работы кристаллизатора для формирования заготовки. Поэтому в первой главе работы приведено описание разработанной конструкции установки для получения деформированных заготовок и наиболее заслуживающего внимания устройств и способов заливки металлов.

Во-второй главе диссертации для установленной схемы процесса получения заготовок выполнено математическое моделирование затвердевания и деформации металла на установке. Полученные во-второй главе формулы и результаты расчета деформации корочки использовались для изготовления экспериментальной и опытно-промышленной установок.

В третьей главе работы на основании результатов экспериментальных исследований на модельных жидкостях установлены закономерности формирования непрерывнолитой деформированной заготовки.

В диссертации представлены новые и важные результаты. В четвертой главе приведены исследования получения профильных и полых заготовок из пластичного металла, а также результаты получения армированных заготовок.

В пятой главе на примере труднодеформируемых металлов и сплавов с низкой

температурой плавления показана возможность получения заготовок из высокотемпературных сплавов.

В шестой главе исследуется получение алюминиевых заготовок в кристаллизаторе с различной конструкцией наклонных стенок. Выполненные металлографические исследования полученных заготовок позволяют установить влияние параметров разливки на качество металла.

В седьмой заключительной главе работы приведены результаты опытно-промышленных исследований получения деформированных профильных и плоских заготовок из свинцово-сурьмяных сплавов и алюминия, подтверждающие правомерность основных выводов, полученных при разливке металлов на лабораторной экспериментальной установке.

Объектом исследования является процесс формирования и затвердевания непрерывнолитых деформированных заготовок, связанный с условиями заливки жидкого металла в кристаллизатор.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка процессов и устройств при производстве непрерывнолитых заготовок в условиях наложения непрерывной деформации на жидкий и кристаллизующийся металл. Поиск управления качеством, выходом годного и размерно-геометрической точности непрерывного литья. Для решения этой проблемы поставлена задача исследования тепловых режимов работы кристаллизатора.

Автор защищает:

1. Математическую модель процессов кристаллизации и деформации металла на установке.

2. Экспериментальные результаты исследования влияния способа подвода металла в кристаллизатор на гидродинамику расплава.

3. Экспериментальные данные затвердевания и формирования непрерывнолитой заготовки.

4. Экспериментальные результаты получения деформированных профильных,

армированных и полых свинцовых заготовок.

5. Экспериментальные данные получения непрерывнолитых заготовок из труднодеформируемых свинцовых сплавов.

6. Результаты тепловой работы кристаллизатора с различной конструкцией наклонных стенок при разливке алюминия. Механизм формирования заготовки.

7. Результаты металлографических исследований непрерывнолитых деформированных заготовок.

8. Результаты опытно-промышленных исследований получения сплошных и профильных заготовок из свинцово-сурьмяных сплавов и алюминия.

9. Конструкцию установки литейно-ковочного модуля (ЛКМ) и способы получения на ней сплошных и полых деформированных заготовок.

На основании экспериментальных исследований должны быть разработаны: режимы разливки металлов и сплавов в кристаллизатор; конструкции устройств для разливки с деформацией металла; способы получения деформированных заготовок.

Научная новизна работы. Экспериментально изучены процессы формирования непрерывнолитой деформированной заготовки.

Разработаны способы получения непрерывнолитых деформированных сплошных и полых заготовок с различным профилем поверхностей.

Разработана математическая модель процессов кристаллизации и деформации металла в кристаллизаторе, позволяющая для заданной толщины заготовки при изменении частоты вращения приводных валов и угла поворота определять напряжения в корочке и давления на рабочие поверхности стенок.

Экспериментально изучена гидродинамика расплава в кристаллизаторе с наклонными и вертикальными поверхностями стенок.

Исследованы пути управления качеством непрерывных заготовок через расширение пределов регулирования тепловыми режимами.

Обоснованы и предложены конструктивные разновидности устройств, используемых при получении деформированных заготовок.

Установлены оптимальные параметры разливки металлов и сплавов, обеспечивающие получение качественной поверхности и внутренней структуры заготовок.

Экспериментально изучен теплообмен в кристаллизаторе при непрерывной разливке с деформацией металлов и сплавов.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований непрерывной разливки металлов и сплавов с деформацией корочки в кристаллизаторе позволили разработать опытно-промышленную установку и предложить к промышленному освоению технологически и конструктивно обоснованные способы получения полых, армированных заготовок, а также заготовок из распыливаемого расплава.

Разработаны и предложены рациональные технологические и конструктивные параметры кристаллизатора и установки литейно-ковочного модуля (ЛКМ).

Приведены расчетные зависимости для определения степени деформации заготовки от конструктивных параметров кристаллизатора и параметров режимов разливки.

Достоверность основных научных положений и выводов по работе. Основные научные положения и выводы хорошо согласуются с современными представлениями о процессах теплообмена и затвердевания заготовок и полученными результатами разливки металлов.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции "Сибконверс" (Томск, 1995,2 доклада), на научно-технических конференциях Института машиноведения и металлургии ДВО РАН (Комсомольск-на-Амуре, 1994-1997), на Международной научно-технической конференции "Проблемы механики сплошной среды" (Комсомольск-на-Амуре, 1997, 2 доклада), в докладах "Современные проблемы механики и прикладной математики"(Воронеж, 1998), на научно-технической конференции "Молодежь и

и

научно-технический прогресс (Владивосток, 1998, 2 доклада). Результаты диссертационной работы опубликованы в печати [140,142-191,203-206].

Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка использованных источников из 206 наименований. Общий объем работы 310 страниц, в т.ч. 238 страниц машинописного текста. Работа содержит 149 рисунков, 25 фотографий, 20 таблиц.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ НОВОГО НАПРАВ