» » Влияние скорости и направления охлаждения на качество горизонтальных слитков
04.02.2017

Первые опыты по выяснению влияния скорости и, направления охлаждения на качество горизонтальных медных слитков были проведены путем отливки сравнительно ,небольших (35 кг) слитков в чугунные квадратные изложницы в виде рамок, поставленных на медный поддон.
Они показали, что общее замедление охлаждения слитка не сказывается благоприятно на качестве слитка (рис. 160,а), тогда как направленное охлаждение с применением массивного медного поддона и теплоизоляционной крышки сверху дает возможность получить плотные слитки (рис. 160,б).
Влияние скорости и направления охлаждения на качество горизонтальных слитков

В настоящее время в массовом производстве этот способ применяется при отливке медных слитков в горизонтальные водоохлаждаемые изложницы. Крышка изготовляется в виде легкого металлического каркаса, с нижней стороны футерованного огнеупорной массой, в состав которой входит молотый асбест, для улучшения теплоизоляционных свойств.
При таком способе затвердевание начинается от медного листа изложницы, с нижней стороны которого протекает вода, и заканчивается у верхней поверхности, которая предохраняется от быстрого охлаждения упомянутой мало теплопроводной крышкой (рис. 161).
Влияние скорости и направления охлаждения на качество горизонтальных слитков

При старом методе литья на медный поддон без применения каких-либо крышек нередко имели место случаи получения пузыристых слитков, когда при обточке верхней поверхности на 5—10 мм обнаруживались или единичные большого размера пузыри (рис. 162, а), или большое количество пузырей меньшего размера (рис. 162, б).
Главная причина образования пузырей заключалась в реакции кусочков угля с закисью меди металла. Уголь попадал на поверхность металла при обугливании деревянного скребка, с помощью которого снимался шлак с поверхности залитого в изложницу металла. При сгребании шлака угольки прилипали к поверхности кристаллизующегося металла и образовывали пузыри уже после того, как поверхность металла в изложнице покрывалась затвердевшей коркой слитка.
Влияние скорости и направления охлаждения на качество горизонтальных слитков

При затвердевании металла под утепляющей крышкой, как это применяется в настоящее время, поверхностной корки на расплавленном металле не образуется, а у верхней поверхности заканчивается кристаллизация, начавшаяся у охлаждаемого водой поддона. По этой причине крышка, сохраняющая до конца металл у поверхности в расплавленном состоянии, способствует удалению газа и получению беспузыристого слитка (см. рис. 160, б).
В случае кристаллизации металла под утепляющей крышкой вследствие быстрого поглощения кислорода еще жидкой медью в пространстве между верхней поверхностью слитка и крышкой образовалась атмосфера, обогащенная азотом. Окисления поверхности металла во время кристаллизации не происходит, поэтому верхняя поверхность слитка оказывается ровной, тогда как слиток, кристаллизовавшийся на воздухе, имеет морщинистую поверхностную корку, которую в практике называют «рожей». Происхождение складок в этом случае объясняется увеличением объема меди при насыщении в процессе кристаллизации закисью меди (удельный вес окисленной меди меньше, чем меди, не содержащей закиси).
При исследовании процесса затвердевания горизонтального слитка меди применен известный метод «выливания».
Для этого металл, залитый в изложницу при совершенно определенных условиях, через известные промежутки времени выливали обратно. Оставшуюся в твердом состоянии настыль разрезали по вертикальной плоскости, разрез шлифовали, травили 50%-ным раствором азотной кислоты и сравнивали с такими же настылями, соответствующими иному времени нахождения металла в изложнице.
В этих опытах совершенно одинаково подготовленный металл заливался в изложницы одной и той же массы, материала и температуры, с одной и той же скоростью. Через определенные промежутки времени после окончания заливки вся жидкая часть металла выливалась из изложницы. Настыль, оставшаяся после 5 сек. охлаждения слитка в изложнице, представляла криволинейную поверхность, имеющую выпуклость там, где охлаждение происходило быстрее. Наибольшая масса затвердевшего металла располагается в углах изложницы, где охлаждение идет наиболее интенсивно вследствие отдачи теплоты и в поддон и в боковые стенки изложницы. Кроме того, отчетливо намечается выпуклость в средней части слитка (рис. 163, а). Причиной этой выпуклости является деформация поддона и потому более тесное соприкосновение средней части его со слитком. В средней части выпуклости имеется углубление, причиной возникновения которого является нагрев поддона в том месте, где струя металла ударяла в него во время литья. В последующие моменты времени после окончания заливки преобладает отдача теплоты в среднюю часть поддона, поэтому углубление в выпуклой части пропадает. Настыль, образовавшаяся через 30 сек. после заполнения изложницы, это и подтверждает (рис. 163, б). К этому времени уже с поверхности успевает образоваться тонкая корка твердого металла, но она еще настолько непрочна, что при опрокидывании изложницы выбрасывается наружу находящимся под ней жидким металлом без всяких дополнительных усилий. Такие настыли по аналогии с поверхностями одинаковых физических свойств можно называть «изосолидами» (но не «изосолидусами», как иногда называют). Старый термин «изотерма кристаллизации» в случае сплавов, затвердевающих в некотором температурном интервале, неприменим.
Влияние скорости и направления охлаждения на качество горизонтальных слитков

Настыли для момента времени 50 сек. после окончания заливки дает ту же картину, но толщина настыли как в местах соприкосновения с поддоном и стенками изложницы, так и сверху, уже значительно больше. Для того чтобы вылить оставшийся жидкий металл, верхнюю корку пришлось пробить. Полученная настыль показывает, что в средней части все еще продолжало идти интенсивное охлаждение снизу. Настыль в этом месте продолжала оставаться выпуклой (рис. 163, в), так как и поддон продолжал оставаться выпуклым вследствие деформации под влиянием разогрева от слитка. Охлаждение сверху происходило, наоборот, несколько более интенсивно по краям, поэтому верхняя корка имела средину несколько тоньше. Через 70 сек. после окончания заливки слиток оказался полностью затвердевшим (рис. 163, г). Из сравнения его с предыдущим видно, что там, где металл затвердевал последним, получилась наиболее крупнокристаллическая область.
Проведенный опыт дает возможность составить представление о продвижении фронта затвердевания при кристаллизации слитка меди в горизонтальной изложнице.
Графически последовательность образования настылей для рассмотренного случая показана на рис. 164, а.
Влияние скорости и направления охлаждения на качество горизонтальных слитков

При увеличении толщины поддона, места расположения оставшихся объемов расплавленного металла, кристаллизующегося последним, смещаются кверху (рис. 164, б).
При предохранении верхней поверхности слитка от охлаждения настыль распространяется снизу до самого верха (рис. 164, в). При уменьшении скорости литья характер продвижения настылей будет тот же, что и в случае затвердевания слитка на утолщенном поддоне (рис. 165, б). Это произойдет потому, что нижние части слитка будут более продолжительное время находиться в соприкосновении с холодным поддонам, a в верхнюю часть все время будет поступать горячий металл.
При применении поддона меньшей толщины настыли с нижней стороны за тот же промежуток времени образуются менее толстые, а область, где затвердевает последний металл, сместится книзу (рис. 164, г).
Аналогично предыдущему распределятся последовательные настыли в случае увеличения скорости литья. Так как время литья при этом будет небольшое, то металл начнет затвердевать почти одновременно со всех сторон. Вниз теплота, правда, будет уходить несколько быстрее, чем вверх, поэтому зона кристаллизации последнего металла расположится несколько выше средины высоты слитка (рис. 164, д).
При затвердевании горизонтального слитка без тепловой изоляции верха при отношении массы поддона к массе слитка, равном единице, большая часть теплоты уходит вниз, в поддон. Несколько меньшая, но все же значительная часть, уходит вверх через свободную поверхность слитка путем излучения и конвекции струй омывающего слиток воздуха. Только небольшая часть теплоты передается от слитка боковым стенкам изложницы.
Te зоны слитка, которые затвердевали снизу вверх, содержат меньшее количество пузырей газа, включений нерастворимых веществ и шлака, так как все они, как имеющие меньший удельный вес по сравнению с удельным весом металла, стремятся всплыть вверх (в случае тяжелых сплавов). Над кристаллизующимся снизу металлом остается его расплавленная часть, поэтому более легкие частицы, а также пузырьки беспрепятственно проходят вверх. Внизу остаются лишь мельчайшие частички и пузырьки газов, которые запутываются между отдельными кристаллами и остаются внизу.
Части слитка, затвердевающие сверху, содержат и газовых, и всякого рода других включений большее количество, так как при кристаллизации в верхнем слое не только остаются пузырьки и включения, которые выделились из этих же частей металла, но в них остаются и включения, которые поднимаются из нижних частей слитка.
Чем более развиты зоны слитка, которые затвердевали снизу вверх, тем больший объем будет иметь здоровая часть слитка и, наоборот, увеличение толщины частей слитка, закристаллизовавшихся сверху вниз, характеризует и большую зону пористого и загрязненного неметаллическими включениями металла.
He для всех металлов и сплавов рационально допускать затвердевание последних порций металла у верхней поверхности. Te сплавы, которые обладают большой усадкой кристаллизации и легко образуют длинные кристаллы, дают большую усадочную раковину. Доливать усадочную раковину горизонтального слитка сколько-нибудь удовлетворительно не удается, так как верхняя (а она является главной) поверхность слитка в этом случае получается со складками, наплывами и другими дефектами. Другие же металлы и сплавы дают возможность подбирать такие условия, что слиток начинает кристаллизоваться снизу, и заканчивается его кристаллизация по верхней поверхности. Решить, какие сплавы можно отливать с тепловой изоляцией верхней поверхности и какие этого не допускают, следует опытным путем.
В настоящее время тепловая изоляция верхней поверхности при горизонтальном литье с успехом применяется при литье медных слитков. При литье латуни и алюминиевой бронзы этот способ оказывается уже менее удачным, так как на верхней поверхности слитка получается довольно глубокая усадочная раковина, хотя и в этих случаях он иногда применяется.