Масса изложницы
» » Масса изложницы

04.02.2017

1. Практические характеристики массы изложницы. Масса изложницы имеет большое значение в случае литья без применения водяного охлаждения. Масса изложницы, в которой применяется водяное охлаждение, имеет меньшее значение.
Когда хотят характеризовать массу изложницы, применяемой для литья определенного размера слитка, указывают отношение массы изложницы к массе слитка. В некоторых случаях это отношение заменяют другим, а именно, отношением площади поперечного сечения изложницы к площади поперечного сечения слитка, которое в случае близких удельных весов материала изложницы и слитка дает сходные величины, В практике наиболее распространены изложницы, имеющие указанное от ношение в пределах от 2 до 4. Наряду с этим встречаются изложницы, у которых это отношение (будем его обозначать буквой М) снижается до 0,5, а с другой стороны, известны случаи, когда применялись изложницы с отношением M до 13.
2. Процесс передачи теплоты от слитка изложнице. В практике большое отношение M не вызывается необходимостью. Большой толщины изложницы иногда применяют с целью обеспечения возможности их перестрожки в случае растрескивания поверхности. Однако практически это не оправдывается, так как приходится сострагивать очень толстый слой до полного удаления старых зачатков трещин, иначе по этим остаткам старых трещин изложница растрескивается очень быстро вновь.
Рассмотрим распределение температур по сечениям слитка и изложницы в последовательные моменты времени.
Для простоты предположим, что жидкий металл мгновенно пришел в соприкосновение с внутренней стенкой изложницы по всей поверхности. Кроме того, будем считать, что изложница имеет большую толщину; в пределе предположим ее бесконечно толстой. Схематически распределение температур можно представить следующим образом. За ось ординат возьмем линию, проходящую через средину слитка (рис. 152, а). По абсциссам будем откладывать расстояния от средины слитка; в этих координатах построим кривые распределения температур для последовательных моментов времени.
Масса изложницы

В первый момент температура слитка в центре только немного выше, чем у края, соприкасающегося с изложницей (кривая 1). При переходe от наружной поверхности слитка к внутренней поверхности изложницы температура резко изменяется. Температура по толщине изложницы мало отличается в разных точках (кривая 1). Вследствие охлаждения с поверхности во время подготовки изложницы к литью температура наружной поверхности изложницы может быть несколько ниже температуры внутренней ее поверхности.
В следующий момент, когда теплота из слитка начинает переходить, в изложницу, вследствие большой разности температур слитка и изложницы наружная поверхность слитка успеет охладиться на заметную величину, тогда как средина слитка будет еще сохранять почти прежнюю температуру. За это время внутренняя поверхность изложницы нагреется, а наружная поверхность останется без изменения (кривая 2) для слитка, и 2 для изложницы). Первая волна теплоты успевает за это время распространиться в глубь изложницы на некоторое небольшое расстояние.
В дальнейшем (третий момент времени) процесс охлаждения продолжает идти в том же направлении (кривые 31 и 3 для слитка и изложницы соответственно).
В следующий, четвертый, момент температура наружной поверхности слитка может несколько возрасти, так как вследствие образования зазора между слитком и изложницей из-за уменьшения размеров его твердой части при охлаждении, отдача теплоты от слитка к изложнице замедляется. При этом температура по сечению слитка несколько подравняется.
По той же причине — образования зазора — температура внутренней поверхности изложницы понизится. К этому времени произойдет заметное понижение температуры и в средней части слитка (кривая 41 для слитка и 4 для изложницы). За это время теплота распространится по сечению изложницы еще несколько дальше. В пятый момент, когда даже в средней части температура слитка упадет немного ниже температуры конца кристаллизации (солидуса), температура поверхности слитка понизится. Температура внутренней поверхности изложницы может еще несколько снизиться. Волна теплоты проникнет в глубь изложницы еще на некоторое расстояние (кривые 51 и 5) . Так как к этому моменту весь слиток уже закристаллизовался, то толщину изложницы, на которую теплота проникала вглубь, и нужно считать максимальной толщиной, необходимой для возможно быстрого охлаждения металла до полной кристаллизации. Часть изложницы справа от места, до которого проникла теплота, не оказывает влияния на скорость охлаждения слитка, поэтому она может быть без ущерба удалена, так как основное назначение изложницы — это перевод металла из жидкого состояния в твердое. Скорость дальнейшего охлаждения уже твердого слитка имеет меньшее значение, поэтому избыточного металла изложницы можно не оставлять.
Масса изложницы

При расчете изложницы необходимо определить расстояние, на которое пройдет теплота в изложнице до момента полного затвердевания слитка. Это и будет максимальная толщина изложницы для данного размера слитка, которая обеспечит наиболее быстрое его охлаждение.
Если изложница изготовлена из более теплопроводного материала, та же скорость охлаждения слитка будет достигнута при меньшей ее толщине, но предельная толщина изложницы, которая обеспечит наиболее быстрое охлаждение слитка, будет больше, чем при менее теплопроводном материале изложницы, однако, максимальная скорость охлаждения в первом случае, разумеется, больше, чем во втором.
На практике педантично стремиться к наибольшей скорости охлаждения при сплошной металлической изложнице, пожалуй, и не следует, так как при большой ее толщине малое изменение скорости кристаллизации требует значительного изменения массы изложницы.
Время затвердевания слитка или период кристаллизации в зависимости от массы изложницы вначале медленно увеличивается (рис. 153, а), достигает максимума, а при дальнейшем увеличении массы изложницы резко начинает уменьшаться. При еще большем увеличений массы изложницы период кристаллизации достигает минимaльнoй величины, которая остается постоянной, как бы ни увеличивалась масса изложницы. Из приведенной зависимости уже ясно, что не всегда имеет смысл применять максимально большую массу изложницы, так как ничтожное уменьшение времени затвердевания слитка влечет значительное увеличение массы изложницы.
Таким образом, расчет изложницы, в основе которого лежит стремление к получению наименьшего времени затвердевания, не оправдывает себя, следовательно, и расчет такого рода имеет скорее теоретическое значение, поэтому он в подробностях не приводится.
Наоборот, пользоваться расчетом для установления минимальной толщины изложницы и для практики совершенно необходимо. Этот расчет ведется с некоторым запасом в предположении, что вся теплота, которую необходимо отнять от слитка, должна быть поглощена изложницей. Воздушное охлаждение при этом во внимание не принимается.
В таком случае количество теплоты, которое должна поглотить изложница, будет составляться из количества теплоты, необходимого для охлаждения металла от его начальной температуры, при которой он залит в изложницу, до температуры кристаллизации (при теплоемкости с1 жидкого металла в этом интервале), плюс теплота кристаллизации, плюс некоторое охлаждение затвердевшего слитка до температуры, при которой слиток становится уже достаточно прочным, чтобы его можно было без риска изъять из изложницы (соответствующая теплоемкость с2 твердого металла в принятом интервале температур).
Масса изложницы

это количество теплоты должно распределиться по изложнице:
Масса изложницы

В этих формулах:
q — количество теплоты, которое должна изложница получить от слитка, кал:
t0 — начальная температура изложницы, °С;
t1 —температура металла, залитого в изложницу, °С;
t2 — температура начала кристаллизации сплава, °С;
t3 — температура конца кристаллизации сплава, °С;
t4 — температура, до которой слиток охлаждается в изложнице, °C;
c1 — удельная теплоемкость жидкого металла в пределах от начальной температуры металла, залитого в изложницу, до температуры начала кристаллизации, кал*г-1*°С-1;
с2 — удельная теплоемкость твердого металла в пределах от температуры конца кристаллизации до температуры выемки слитка из изложницы, кал*г-1*°С-1;
с3 — удельная теплоемкость материала изложницы в указанных пределах температур, кал*г-1*°С-1;
Q — теплота кристаллизации сплава, куда входит и изменение теплосодержания сплава вследствие охлаждения в интервале температур кристаллизации, кал*г-1;
m1 — масса изложницы, г.
m2 — масса слитка г1.
При литье слитков цветных сплавов обычно для охлаждения слитка до полного затвердевания используется лишь теплоемкость изложницы. Охлаждение изложницы воздухом на этой стадии остывания слитка во внимание не принимается.
В зависимости от желательной скорости охлаждения слитка и должна выбираться масса изложницы в пределах полученных минимума и максимума.
Для получения желательной структуры сплава иногда требуется повышенная скорость охлаждения, тогда приходится не останавливаться на минимальной массе изложницы, а брать, если не максимальную, то все же близкую к ней.
Для получения наиболее плотного слитка, а во многих случаях и для создания благоприятной структуры сплава, необходимо добиваться возможно более быстрого затвердевания слитка, при условии, что охлаждение распространяется снизу вверх. В случае сплошных изложниц, чем больше масса изложницы сверх того, что необходимо как минимум, тем быстрее отнимается теплота от слитка и, следовательно, тем быстрее затвердевает слиток. После некоторого предела дальнейшее увеличение массы изложницы уже не вызывает увеличения скорости охлаждения слитка, поэтому оно является излишним. Теплота распространяется по твердому телу постепенно. Для прохождения теплоты по сечению изложницы требуется некоторое время. Если до полного затвердевания слитка теплота не успевает пройти до наружной поверхности изложницы, — это значит, что изложница обладает лишней массой, которая будет оказывать влияние лишь на скорость охлаждения уже затвердевшего слитка, что обычно He только не требуется, но часто даже оказывается прочным для качества слитка. Таким образом, максимальной массой для изложницы должна считаться такая, которая еще способствует увеличению скорости затвердевания слитка.
Если изложница охлаждается водой, то на скорость затвердевания слитка оказывает влияние толщина стенки, отделяющей слиток от воды, причем это влияние обратное: чем толще стенка, тем медленнее охлаждается слиток. В особенности это заметно при кристаллизации слитков малых размеров, а также в начальной стадии кристаллизации слитков большого веса. На скорость затвердевания центральной зоны слитка значительного размера толщина стенки, изготовленной из меди, не оказывает заметного влияния, так как значительно больше в этот период влияет толщина слоя закристаллизовавшейся части слитка. Заметное замедляющее охлаждение влияние даже на внутренние зоны слитка может оказать увеличение толщины стенки между слитком и водой лишь в том случае, если теплопроводность стенки меньше теплопроводности металла слитка.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: