Файл: Вяткин И.П. Рафинирование и литье первичного магния.pdf

а) аккумуляция части тепла магния изложницей; б) потери тепла изложницей и слитком.

Количество аккумулированного изложницей тепла подсчитываем по формуле

где і п — температура изложницы при выходе из II зоны.

При этом принимаем, что в зазоре между слитком и изложницей тепло не аккумулируется и теплоемкость ма­ териала изложницы при изменении температуры не ме­ няется.

Количество тепла, потерянного слитком, состоит из трех статей: аккумуляции изложницей, потерь лучеиспус­ канием и потерь соприкосновением:

Q c i = Qaic + < 2 л у ч + Qconp-

В конце II зоны слиток удаляется из изложницы, имея запас тепла

Д < 2 с л = < 3 сл — $ л -

Количество тепла, с которым изложница выходит из

IIи входит в III зону, составляет

Ош - 0 1 4 - О 11

Ѵаіс — Ѵак Г Ѵак-

Повторяемость процесса теплообмена будет достиг­ нута только в том случае, если к моменту входа в I зону от изложницы будет отнято то количество тепла, которое она аккумулировала во II зоне.

При малой скорости ленты конвейера и больших пе­ рерывах между разливкой плавок охлаждение изложни­ цы до исходного уровня может происходить и в условиях теплообмена на воздухе. По нашим расчетам для охлаж­ дения изложницы до исходной температуры входа в I зо­ ну необходимо времени в 2,75 раза больше, чем отводит­ ся на эту операцию при работе конвейера. Это возможно, если нижнюю ветвь выполнить петлеобразной, что, одна­ ко, усложнит ремонт и обслуживание агрегата.

Поэтому на определенном участке нижней ветви из­ ложницы охлаждают водой. В противном случае излож­ ница входит в I зону с высоким теплосодержанием и не может аккумулировать необходимого минимума тепла от магния для создания прочного остова слитка. При этом жидкий металл может выливаться из слитка в мо­ мент его удаления из изложницы.

I l l з о н а . В этой зоне изложница охлаждается на во духе II теряет количество тепла, определяемого формулой

° С; /ср— температура окружающей среды, ° С.

Малые протяженность зоны и коэффициент теплооб­ мена определяют и малое значение теплопотерь в зоне.

Аналогичным образом определяют теплопотери в IV и V зонах при соответствующих коэффициентах теплооб­ мена.

Таким образом, можно составить уравнение теплово­ го баланса изложницы:

Qan + Qai< — Q Ч ~ Q lV + Q 4 4 ‘ Q L -

Наличие в левой и правой частях уравнения величи­ ны Q’K свидетельствует о повторяемости процесса.

Уравнение теплового баланса слитка имеет следую­ щий вид:

Q C JI (О л уч I Q conp) Â Q C J I — Q а

В табл. 33 приведен тепловой баланс слитка и излож­ ницы.

Т а б л и ц а 33

Тепловой баланс слитка и изложницы

132

і

Уравнение теплового баланса системы следующее:

/в= 5° С.

Как видно из табл. 33, большая часть тепла металла аккумулируется изложницей.

З а т в е р д е в а н и е с л и т к а

Затвердевание слитка на конвейере можно характери­ зовать как процесс всестороннего охлаждения: залитый в изложницу объем жидкого металла соприкасается с пя­ ти сторон со стенками изложницы, а сверху — с окружа­ ющим воздухом или газом. Интенсивность теплообмена с различных сторон и определила скорость и направле­ ние роста кристаллов и скорость нарастания толщины ко­ рочки слитка.

Продолжительность затвердевания слитков цветных металлов малого объема по сравнению со стальными крупными слитками намного меньше. Поэтому для полу­ чения надежных результатов затвердевание изучали по изменению температуры вмораживаемыми термопарами, по изменению толщины корочки, замеряемой после выливки жидкого остатка, по моменту затвердевания «пос­ ледней капли» жидкого металла.

По изменению температуры в точках 1 и 2 (рис. 44) качественно смогли определить, что наибольший отвод тепла направлен вниз, поскольку продвижение фронта кристаллизации происходит последовательно через точки

2 и 1.

По затвердеванию «последней капли» визуально оп­ ределяли продолжительность затвердевания слитка. Для этого через несколько секунд после заливки и образова­ ния поверхностной корочки ее пробивали. После выхода на поверхность жидкого металла по корочке слитка на­

133

носили легкие частые удары, под действием которых жид­ кость перемещалась на поверхность слитка и обратно. Момент прекращения выхода жидко'го металла на по­ верхность фиксировался по времени. В результате мно­ гочисленных опытов нашли, что продолжительность пол­ ного затвердевания слитка в изложнице составляет в среднем 225 с. Сопоставляя это время с продолжительно­ стью II зоны, видно, что после полного затвердевания слиток находится в изложнице не более 16 с. Это свиде-

Рис. 44. Изотермы затвердевания слитка магния в изложнице. Цифры на кривых обозначают время затвердевания, с

тельствует об ограниченных возможностях конвейера по увеличению скорости движения изложниц.

Для определения скорости затвердевания жидкий ме­ талл, залитый в изложницу, через определенные проме­ жутки времени выливали. Выливку осуществляли обыч­ нымопрокидыванием и вакуумным отсасыванием.

Поскольку отсасывание производили в одной точке, то верхняя корочка, образующаяся в результате тепло­ отвода в воздух, по мере удаления жидкого остатка опу­ скалась вниз и соединялась с корочкой, растущей снизу. Замер обеих корочек производили после травления макротемплетов.

На рис. 44 показано, как с течением времени изменя­ лась толщина корочки металла. Температура металла и изложницы, а также условия заливки были неизменными. Штриховыми линиями показана верхняя граница верх­ ней корочки. В момент, соответствующий 180 с, верхняя корочка оказалась достаточно прочной, чтобы при уда­ лении из-под нее жидкого остатка под собственной мас­ сой не опуститься вниз;

134

Замеры толщины корочки производили в четырех ме­ стах каждого темплета: толщину верхней, нижней и бо­ ковых корочек замеряли в направлении, перпендикуляр-

В ремя, с

Рис. 46. Изменение скорости кристаллизации в процессе затвердевания:

1, 2, 3, 4 — см. рис. 45

135

жается — до 0,1—0,15 мм/с, а к концу затвердевания увеличивается вновь в связи с уменьшением отношения объема жидкости к поверхности охлаждения.

Некоторое различие в характере роста корочки от боковой стенки и от днища можно объяснить изменени­ ем профиля слитка при его затвердевании. Большая ско­ рость роста корочки в углах, обусловленная отводом теп­ ла по двум направлениям, вызывает и меньшую же­ сткость корочки в центре поперечного сечения. В резуль­ тате этого корочка при охлаждении и сокращении разме­ ров изгибается и между нею и изложницей в середине сечения образуется зазор, как и между боковой стенкой и корочкой слитка. Однако нижняя корочка слитка, бу­ дучи толще в связи с более толстой нижней стенкой из­ ложницы, под собственной массой и массой лежащего выше металла прижимается к нижней стенке. Боковая же корочка меньше подвержена давлению металла. Это и приводит к меньшей скорости ее роста в начале процесса. В дальнейшем превышение скорости кристаллизации ко­ рочки сбоку объясняется тем, что при замере толщины корочки от боковой поверхности замеряется зона, в кото­ рой преобладает вертикальный рост кристаллов снизу.

Следует отметить, что усилия, возникающие при усад­ ке и изменяющие профиль слитка, разрывают порой тон­ кую верхнюю корочку , и вызывают усадочные трещины. Эти усилия возникают поперек и вдоль слитка. Послед­ ние нередко ведут к заклиниванию слитка в изложнице.

Рост верхней корочки можно характеризовать прямой линией, а скорость ее кристаллизации составляет не более 0,03 мм/с.

Под верхней корочкой иногда наблюдаются раковины усадочного происхождения, о чем свидетельствует их гладкая поверхность. При высокой температуре окружаю­ щего воздуха верхняя корочка к моменту вырастания нижней корочки и использования всей жидкости для за­ полнения усадочных пустот не имеет прочности, достаточ­ ной для сопротивления атмосферному давлению, и про­ гибается, соединяясь с нижней корочкой. При низкой же температуре воздуха верхняя корочка образуется быст­ рее и к моменту подхода фронта кристаллизации снизу противостоит атмосферному давлению и внутри слитка образуется полость. Горячая изложница также способст­ вует образованию усадочной раковины.

137