» » Охлаждение слитков в изложницах, сделанных из различных материалов
04.02.2017

Материал сплошных изложниц (не охлаждаемых водой) в значительной степени обусловливает скорость и последовательность охлаждения слитка в различных его частях.
Исследования процесса охлаждения слитка и процесса нагрева изложницы при этом проводились и для стали и для цветных металлов. Одновременно изучалось и поведение различных материалов изложниц.
Результаты, полученные разными авторами, дают возможность достаточно ясно представить влияние различных материалов изложницы на качества слитков.
Распространение температуры по материалу изложницы происходит в соответствии с температуропроводностью:
Охлаждение слитков в изложницах, сделанных из различных материалов

где λ— теплопроводность, кал*см-1*сек-1*°С-1;
с — удельная теплоемкость, кал*г-1*°С-1;
γ — плотность, г*см-3.
В случае, если материал изложницы имеет большую теплопроводность, температура распространяется по всему сечению изложницы более быстро. Распределение температуры по толщине оказывается более равномерным.
Слиток, отлитый в изложницу, сделанную из материала высокой теплопроводности, имеет меньший период затвердевания, чем при малой теплопроводности материала изложницы.
Схематически зависимость периода кристаллизации от теплопроводности материала изложницы показана на рис. 153, б. Вначале, по мере возрастания теплопроводности материала изложницы, период затвердевания довольно быстро падает, но после того как теплопроводность материала изложницы достигнет теплопроводности слитка, дальнейшее снижение периода кристаллизации замедляется, так как тогда уже лимитирующим фактором окажется теплопроводность слитка, а не изложницы.
Теплоемкость и плотность способствуют уменьшению скорости распространения температуры по сечению изложницы.
Величина термического коэффициента линейного расширения как слитка, так и изложницы оказывает большое влияние на скорость и равномерность охлаждения слитка.
Чем больше коэффициент линейного расширения как материала слитка, так и материала изложницы, тем большего размера зазор образуется во время кристаллизации слитка между ним и изложницей. Если изложница сконструирована таким образом, что не допускает произвольного изменения зазора между слитком и ею, то с увеличением зазора передача теплоты от слитка изложнице затрудняется, и период кристаллизации слитка возрастает. С другой стороны, чем больше термический коэффициент линейного расширения материала изложницы, тем больше деформируется изложница и тем большая неравномерность охлаждения слитка будет наблюдаться.
Таким образом, увеличение теплопроводности и уменьшение коэффициента линейного расширения способствуют уменьшению деформации изложницы, а следовательно, и большей равномерности охлаждения слитка.
Так как материалы, которые обладали бы одновременно и высокой теплопроводностью и малым коэффициентом расширения, неизвестны, то при выборе материала для изложниц приходится отдавать предпочтение или быстрее охлаждающему, или охлаждающему более равномерно.
Характер распределения температур по сечению изложниц, сделанных из различных материалов, при отливке слитков медных сплавов показывает, что внутренняя поверхность изложниц, изготовленных из материалов малой теплопроводности (чугун), в первые же моменты после заливки металла нагревается до высоких температур, тогда как большая часть материала по толщине остается еще при низкой температуре. В последующие моменты времени температура поверхности, обращенной к слитку, понижается вследствие образования зазора и постепенного перехода теплоты в остальную часть изложницы. Наконец, уже после того, как весь слиток полностью закристаллизовался, температура по сечению изложницы распределяется более разномерно.
Совершенно иначе выглядят кривые распределения температур по сечению медной изложницы. Как в первые моменты времени после заливки, так и в последующие температура распределяется довольно равномерно по изложнице. За весь период охлаждения слитка температура внутренней поверхности повышается; повышается она непрерывно и на наружной поверхности, так как теплота через все сечение изложницы проходит достаточно быстро.
Кривая температур поверхности изложницы, обращенной к слитку, имеет один резко выраженный максимум в начале периода охлаждения и второй — очень пологий — зависит от дальнейшего охлаждения изложницы воздухом. Такой вид кривые температур внутренней поверхности изложницы должны иметь до тех пор, пока температуропроводность изложницы ниже или немногим выше температуропроводности материала слитка. Если температуропроводность материала изложницы значительно выше температуропроводности материала слитка, то первого максимума наблюдаться не будет, так как температура быстро распространяется в глубь материала изложницы.
Кривые температур поверхности слитка в последовательные моменты времени после заливки также различны для случая, когда температуропроводность материала изложницы выше или немногим ниже температуропроводности материала слитка, и для случая, когда температуропроводность материала изложницы значительно ниже температуропроводности материала слитка. В первом случае кривые температур наружной поверхности слитка должны иметь минимум, который обусловлен резким охлаждением слитка изложницей в первый момент времени, пока еще нет зазора между поверхностями слитка и изложницы. Как только начинает образовываться зазор, так наружная поверхность слитка за счет теплоты внутренних его слоев и уменьшения отдачи изложницы вновь разогревается. Этого не происходит в том случае, если температуропроводность материала изложницы значительно меньше температуропроводности материала слитка. При этом температура поверхности слитка понижается постепенно от температуры расплавленного металла до комнатной.
Приведенные закономерности не предусматривают распределения температур в случае деформации изложницы. В последнем случае в местах плотного соприкосновения изложницы со слитком даже в случае значительного превышения температуропроводности изложницы над температуропроводностью материала слитка, все же минимума температуры наружной поверхности слитка не наблюдается. Наоборот, в местах значительного отхода изложницы от слитка, вследствие деформации первой, минимум температуры поверхности слитка и его последующее разогревание выражены более отчетливо.
Если не принимать во внимание деформацию изложницы или рассматривать только малый участок ее, то влияние коэффициента линейного расширения материала изложницы и слитка на скорость затвердевания последнего будет направлено в одну сторону. Так как по мере увеличения коэффициента расширения как слитка, так и изложницы зазор между ними в процессе охлаждения слитка и разогревания изложницы будет больше, то передача теплоты будет замедляться в большей степени. Иначе говоря, чем больше температурный коэффициент линейного расширения слитка и изложницы, или того и другой вместе, тем период кристаллизации слитка больше. Схематически эта зависимость представлена на рис. 153, в. Аналогично этому влияет на период кристаллизации слитка наличие и количество остатка от перегонки смазки на стенках изложницы (рис. 153, г).
Распределение материала в отдельных частях изложницы, а также самая форма изложницы должны обеспечить, во-первых, охлаждение слитка преимущественно в направлении снизу вверх и, во-вторых, по возможности полное отсутствие деформации изложницы при отливке слитка. Первое требование выполняется тем, что массивные приливы устраивают преимущественно в нижних частях изложниц.
Если отношение массы изложницы к массе слитка меньше, чем требуется для максимальной скорости затвердевания слитка, то все приливы и скопления металла изложницы будут вызывать более быструю кристаллизацию металла слитка в этих местах. Если приливы расположены в верхних участках изложницы, то они способствуют более быстрому затвердеванию верха слитка и обусловливают возможность образования в слитке большего или меньшего количества дополнительных дефектов в виде газовых пузырей, включений шлаков и нерастворимых окислов, а также усадочных раковин, распределенных на большой длине слитка.
Кроме того, при конструировании изложниц должно быть обращено особое внимание на устранение или возможное уменьшение изгиба стенок вследствие неравномерности распределения температур по их. сечению. Деформация изложницы часто вызывает непоправимые дефекты слитков — включения газовых пузырей, взвешенных окислов и шлаков, а также иногда появление трещин в слитках.
Для устранения деформации изложниц прежде всего должны быть использованы естественные свойства материалов, из которых они изготовляются, — теплопроводность и коэффициент линейного расширения.
Изложницы для отливки плоских слитков, кроме того, следует конструировать так, чтобы их плиты нагревались с обеих сторон равномерно. В этом случае изгиба наблюдаться не будет, но будут возникать лишь внутренние напряжения в материале изложницы, что на затвердевании слитка не скажется отрицательно. Наконец, устройство усиливающих ребер, которые увеличивают сопротивление изложницы деформации, также способствует уменьшению изгиба изложницы и получению более правильной и постепенной кристаллизации слитка в направлении снизу вверх.
Влияние материала в случае охлаждаемых водой изложниц качественно такое же, как и в случае сплошных изложниц без водяного охлаждения. Наиболее быстро отводится теплота через медную стенку (из числа доступных технических металлов), причем наибольшее влияние материал стенки оказывает в первые моменты кристаллизации слитка, когда еще не образовался зазор между слитком и изложницей и не образовалась настыль металла в слитке. Точно так же материал стенки оказывает более сильное влияние на скорость кристаллизации малых слитков. Чем больше слиток, тем в меньшей степени увеличивается скорость кристаллизации центральных зон слитка, так как чем больше слиток, тем больше зазор между ним и изложницей и тем больше влияние слоя затвердевшего металла слитка, вследствие чего ускорение охлаждения в результате повышения теплопроводности материала стенки скрадывается отрицательным влиянием упомянутых других двух факторов.
Деформация охлаждающей стенки в изложницах с водяным охлаждением несколько меньше, чем в сплошных массивных изложницах, по все же она наблюдается, причем и в стенках, сделанных из меди, и в стенках, изготовленных из инвара.