Файл: Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали.pdf

дрического слитка поверхность раздела ф аз

со к р ащ ае т ­

ся ,

и в результате удельной тепловой поток, приходящ ий ­

ся

на единицу площ ади ф ронта, изменяется

м ал о , а на

заклю чительной

стадии затвердевания он д а ж е увеличи ­

вается .

подтвердить

и

следую щ им при бли ж ен ­

Э то м ож но

ным ан али зом ,

проведенны м

в

предполож ении , что ск о ­

плоотводом (оно справедливо для

центральны х объемов

сл и тка , н аплавляем ого с

повыш енной

скоростью , а т а к ­

ж е

в усл ови ях

вращ ения

ж и дкой

ван н ы ). Тепловой

по­

ток

через цилиндрическую

стенку-корку

слитка, вы чи­

сленный для

1

см ее вы соты , составляет

(без учета

о се ­

вого теплоотвода, которым при бы стром

наплавлении

слитков относительно

небольш ого

ди ам етра м ож но

пре­

небречь) :

Q

ln

J ГL

іпов)

Д ж / см ,

(32)

где

= — ъ - (*и —

tH, tпов — тем пература

н ачал а

кристаллизации и

тем пература

поверхности

слитка

ниж е контактирую щ е­

го пояска;

слитка и ж идкой ванны

в данном

сечении;

Я ,г — ради ус

X — коэф ф ициент теплопроводности;

т — врем я .

площ ади фронта кристаллизации

за

еди ­

Н а единицу

ницу времени приходится тепловой поток

Q ' --=

= ----^тг- (Й, — Іпов) Дж/(см2•с).

(33)

2 itrc

ГІП -1 І

Л и н ей н ая

Г

определяется д е ­

скорость затвердевания

[с (йі — йс) X] уг In ^

’

(34)

R

где

с

— теплоемкость;

L

tu

— скры тая теплота кристаллизации ;

и /,<— тем пература

н ачал а

и

конца кристаллизации ;

у

— плотность.

что если принять

rIIOn =

Ф орм ула

(34)

показы вает,

= co n st, то

Ши

пропорциональна

п ар ам етр у

Ur\nR/r.

Е го изменение по сечению слитка

(рис.

41)

в ди ап азон е

г//? =

0 ,14 -0,7

невелико,

н

это

позволяет понять,

почемѵ

,

линейная

скорость

з а ­

твердевания

м еталла

по ­

стоянна

на

больш ей

ч а ­

сти

сечения

сли тка,

на-

Р и с .

41.

И з м е н е н и е

по

ссч сігш о е л н т -

к а п а р а м е т р а -----------------1

з у ю щ е г о

.

R

,

х а р а к т е р и ­

л и н е й н у ю

с к о р о с т ь

з а ­

т в е р д е в а н и я ц и л и н д р а б е з п о д в о д а

т е п л а к

ф р о н т у к р и с т а л л и з а ц и и

при

О

0,2

0,0

0,6

0,8

1,0

р а з н ы х

д и а м е т р а х

сл и т к о в :

плавленного

Парамет р г/О

когда

/ — 200

м м ;

2 - 320 м м ; 3 — 400 м м

в усл ови ях,

температурны й

градиент

в ж и дком м еталле незначителен.

усл ови я ,

приво ­

Р ассм отр и м теперь

более подробно

дящ ие

к зам едлению

и

полной

остановке

ф ронта

з а ­

посредственной близости

от

стенки

кристалли затора

обычно

соответствует

показан н ом у

па

рис.

38,

а,

т. е.

скорость затвердевания

по

мере

продвиж ения

фронта

здесь увеличивается . З атем

появляю тся

участки ,

отве­

чаю щ ие либо

зам едлению ,г)либо.

полной

остановке

кри ­

сталлизац ии

(рис. 38, в

и

В последнем сл учае

часть

ж идкой ванны приобретает

ф орм у цили ндра.

П о

вы соте

этой зоны м ож но судить о

продолж ительности о стан ов ­

ки затвердеван и я , которая

в

слитке

ди ам етром

320 мм

при силе тока 6,5 к А со ставл яетЭ

мни, а при

8

к А

14 мин.

Столь

длительная остановка

св я зан а ,

по -ви дим ом у, с

двум я

обстоятельствам и :

во -первы х,

вы сокой

силе

тока

ванны ,

не сним аем ы й полностью в зоне

н епосредствен ­

ного контакта с кр и сталли затором ;

во -вторы х, за м е д ­

ленный

отвод тепла через зазор ведет

к том у, что

для

отвода

этого избы тка тепла из ж и дкого

м етал л а ,

р а с ­

полож енного ниж е контактирую щ его

пояска,

требуется

значительное врем я.

приближ енно

оценить

значения

М о ж н о

попы таться

тем пературного градиента

у

фронта

затвердевания

при

р азн ы х

усл ови ях плавки ,

в том

числе

критическую

в е ­

личину

гр ад иента, вы зы ваю щ его

остановку. С

этой

целью

воспользуем ся

соотнош ением ,

полученны м

для

одномерной модели [7 2 ]:

т і- - 0" а * ,

(35)

а>л =

где

G I(

и

‘ Н--

градиенты

на

гр ани цах

G „ — тем пературны е

д в ухф азн ой области с твердой и ж идкой ф азам и ;

а* =

— ■— ■

------ —------- к аж ущ и й ся коэф фициент

темпе-

Y [ с + !/(/„ — /к)]

в двухф азн ой о б л а с т и '.

ратуропроводности м еталла

ско ­

С л едовательн о , для данного

сп л ава

линейная

рость затвердевания прямо

пропорциональна

разности

тем пературны х градиентов G K— G „.

в периф е­

Р ассм от р и м с учетом этого

изменение аул

рийной

зоне

слитка

стали

4 0 Х Н 2 С М А

диам етром

320

мм

(см .

рис. 3 9).

П о сл е

резкого

уменьш ения

^ л,

связанного с

отходом

слитка от стенки кри сталли затора,

/V

— 6

см достигает

примерно

одинаковой

для

и зучав ­

ш ихся

вариантов технологии

(с вращ ением

и без

него)

величины .

Ум естно

предполож ить,

что

начиная

с

этой

точки

дальней ш ее

затвердевание идет при

нулевом

зн а ­

чении

градиента тем пературы

G H. Д о этой точки в

к р ае ­

вой зоне слитка па фронте затвердевания

сущ ествует

некоторы й температурны й градиент,

абсолю тны е

зн а ­

чения

которого м ож но определить

следую щ им образом .

П у ст ь

ш° — скорость

продвиж ения

ф ронта

при

G ri= 0 . Т о гд а ,

согласн о вы раж ению

(35):

<36>

а изменение

по сечению

слитка

приближ енно

описы ­

вается ф орм улой (34)2.

1 Остальные

обозначения см.

в пояснении к

формулам (32)

и (34).

2 Строго говоря, эта формула дает лишь горизонтальную состав­

ляющую скорости затвердевания,

но в краевой зоне быстро наплав­

Запи ш ем теперь

вы раж ения

для линейной скорости

затвердевания кул и

ву° в д в ух

сечен и ях, удален н ы х от

краяа

на расстояние

Хі

и

Х 2

(при этом введем обозн аче ­

ние

*/

(^„— 4 ) =

В

) :

--=

(Gki — G i.a) ■ ß ;

K

i - < a )

-

K i -

шл2) = (G.,i ~ G,ß)ß -

<37>

2Е сли

сечение

2

вы брать таким

о б р азо м ,

чтобы

G h =

0

*

(наприм ер,

для

кри сталли затора

диам етром

320 мм это условие вы полняется при А,

2

=

6

с м ),

то в ре­

В

с

.

(38)

этой ф орм уле н аряду

с Лэксперим ентально опреде­

ляем ы м и величинами шлі и со

2

ф игурирую т

скоростной",

и ш °,,

рассчиты ваем ы е по

уравнению (34).

О д н а к о , по ­

применение расчетны х

значений

не д о л ж н о ,

вероятно,

внести чрезм ерной погреш ности в

оценку величины-

G n.

Результаты

расчета

(табл . 23)

позволяю т

сравнить

тем пературны й

градиент у ф ронта затвердевания в пери ­

логии и с вращ ением ж и дкой ванны .

В и д н о , что по мере

удаления от края слитка тем пературны й

градиент бы ст­

ро ум еньш ается и что в усл ови ях

вращ ения он,

в соот ­

ветствии с

приведенны ми

ранее

эксперим ентальны м и

данны м и ,

значительно н и ж е, чем

при норм альном п ро ­

цессе. П ол н ой

остановке затвердеван и я

отвечает

тем п е­

ратурны й градиент на ф ронте порядка

85— 100° С/см .

Вы полненны й расчет

наглядно

п оказы вает

связь

м еж д у изменением тем пературного

градиента и

линей ­

ной скорости затвердеван и я по сечению

сл и тка .

Н а б л ю ­

д аем ое обычно

увеличение

скорости

по

м ере п р о д ви ж е ­

ния ф ронта в

глубь слитка м ож но

объяснить

только

уменьш ением

градиента на

границе ж идкой

ванны

и

д в ухф азн ой

зоны . В

отсутствие этого градиента ск о ­

рость затвердевания

до л ж н а

бы ла бы меняться проти­

вополож ны м

обр азом , что и

наблю дается в

обы чны х

Т а б л и ц а

23

П р и м е ч а й и е .

П р и в е д е н ы р е з у л ь т а т ы

р а с ч е т а

по ф о р м у л а м (34)

и (38).

* Т е м п е р а т у р н ы й

и н т ер в ал з а т в е р д е в а н и я

ст а л и

п р и н я т р а в н ы м

100° С .

ДВУХФАЗНАЯ ОБЛАСТЬ

могут

привести

М ат ер и ал ы преды дущ их

разделов

читателя к

заклю чению , что

по

скорости кр и сталл и за ­

ции

м еталла

вакуум н ая дуговая

плавка

не имеет каки х-

либо

преим ущ еств перед обычной разливкой

в и зл о ж ­

лож н и ц е, а линейная

скорость продвиж ения

ф ронта

затвердевания

в сл учае

В Д П

оказы вается

часто

д а ж е

более низкой

вследствие сдерж и ваю щ его

влияния по ­

вы ш енного тем пературного градиента

в ж и дкой

ванне.

И если

мы утвер ж д аем , что

условия

кристаллизации

в слитке

В Д П , так ж е

как и в других

сл и тках , н аплав -