Влияние скорости и направления охлаждения на качества вертикальных слитков
» » Влияние скорости и направления охлаждения на качества вертикальных слитков

04.02.2017

Для вертикального слитка верхняя поверхность является второстепенной, так как при последующей обработке она отойдет в кромки или концы полуфабриката (листов, лент и полос), поэтому небольшая складчатость на ней может быть допущена. Это позволяет производить доливку слитка через верхнюю его поверхность.
При литье в вертикальные изложницы все время над кристаллизующимся металлом Может сохраняться слой расплавленного металла, который будет способствовать выходу из металла газа, шлака и других неметаллических включений, обладающих удельным весом, меньшим удельного веса расплавленного металла.
Как уже указывалось абсолютная скорость затвердевания играет большую роль для сплавов, имеющих в своей структуре хрупкие фазы. По приведенной классификации это сплавы второй-четвертой групп. Для сплавов, в которых хрупкие фазы отсутствуют, абсолютная скорость затвердевания имеет второстепенное значение.
Наибольшая скорость охлаждения слитка достигается при применении метода непрерывного литья с непосредственным охлаждением слитка водой. При такой скорости охлаждения хрупкие фазы в сплавах выделяются в виде мелкокристаллических включений, распределенных более или менее равномерно среди пластичной основной фазы. В особенности велика скорость затвердевания в тех местах, где поверхность кристаллизующегося металла наиболее близко располагается от поверхности слитка, охлаждаемой непосредственно водой. Небольшой толщины слой у поверхности слитка, а именно та его часть, которая кристаллизовалась внутри изложницы, охлаждалась, может быть, даже медленнее, чем расположенная под этим слоем часть слитка, кристаллизовавшаяся под влиянием быстрого отвода теплоты водой, соприкасающейся со слитком.
Центральная зона слитка, в особенности слитка большого поперечного сечения, охлаждается снова медленнее. Пo этой причине, например, механические свойства слитка дуралюмина, которые весьма сильно зависят от скорости охлаждения, оказываются наиболее высокими на некотором расстоянии от поверхности (рис. 165). У самой поверхности и в центральной зоне они оказываются более низкими. Наибольшая скорость охлаждения, обеспечивающая скорость затвердевания до 1000 мм/мин, получается в тонких сечениях при непосредственном охлаждении водой. Такая скорость затвердевания получается, например, при производстве дуралюминовой проволоки по методу В.Г. Головкина. Этот своеобразный способ непрерывного литья с непосредственным охлаждением «слитка» водой дает возможность получать исключительно большую скорость затвердевания сплава и потому высокие свойства в литом состоянии. Правда, механические свойства высокие значения имеют главным образом в продольном направлении. Для сплава Д1, например, приводится предел прочности после термической обработки 42,0 кг/мм2 и удлинение 17,7%. В поперечном направлении присутствуют междендритные скопления хрупких составляющих, которые представляют несколько коалесцированные химические соединения эвтектик, расположенные в большем количестве по границам волокнистых дендритов первичного твердого раствора, поэтому механические свойства должны быть пониженными.
Для устранения неоднородности в свойствах приходится прибегать к длительной гомогенизации сплава перед закалкой.
При литье дуралюмина с непосредственным охлаждением слитка водой скорости охлаждения таковы, что средняя скорость затвердевания слитка получается в пределах 80—200 мм мм/мин.
Влияние скорости и направления охлаждения на качества вертикальных слитков

При кристаллизации того же сплава в охлаждаемых водой изложницах скорость затвердевания лежит в пределах 60—100 мм/мин. Такая же скорость затвердевания получается при кристаллизации слитка в массивных медных изложницах.
Еще меньшая скорость затвердевания получается при кристаллизации слитков в чугунных изложницах, а именно, порядка 20—60 мм/мин.
Совсем малая скорость затвердевания имеет место при охлаждении слитков в песчаных формах, в сырых — в пределах 6—10 мм/мин, а в сухих — от 2 до 6 мм/мин.
Разумеется, приведенные скорости затвердевания даны лишь для того, чтобы можно было сопоставить скорости затвердевания слитков в различных условиях. При изменении условий охлаждения и размеров слитков, а также, несомненно и состава сплава скорости затвердевания могут изменяться в широких пределах при любом способе литья. Однако порядок расположения способов охлаждения по скорости затвердевания остается, в общем, таким же, как указано выше.
He меньшее значение, чем скорость охлаждения, для получения высокого качества слитка имеет направление охлаждения. При литье в массивные вертикальные изложницы оно достигается соответствующим распределением массы изложницы по высоте ее, применением теплых насадок и применением уменьшенной скорости литья при повышенной температуре металла.
Создать направленность кристаллизации вертикального слитка, применяя неодинаковую толщину стенок изложницы, возможно в том случае, если отношение массы изложницы к массе слитка не выходит за пределы такого, при котором слиток наиболее быстро охлаждается и затвердевает.
Если отношение это взято больше, чем требуется для максимальной скорости затвердевания слитка, то за время до окончания кристаллизации его теплота успеет распространиться по сечению изложницы не на всю ее толщину, поэтому утолщения стенки и всякого рода приливы не окажут влияния на скорость затвердевания слитка. Оки в этом случае лишь ускорят последующее охлаждение уже затвердевшего слитка. Только в том случае, если отношение M меньше предельно допустимого — максимального, наружная поверхность тонкостенной части изложницы прогреется до окончания затвердевания слитка, и в этом месте затвердевание металла замедлится. В местах уже утолщенных стенок изложницы теплота будет отниматься с максимальной возможной для этого материала изложницы скоростью, и слиток в этих местах будет кристаллизоваться быстрее. Таким образом, осуществится преимущественное направление кристаллизации снизу вверх.
При кристаллизации слитков в вертикальных изложницах следует верхнюю часть стремиться сохранять возможно длительное время в жидком состоянии, чтобы дать возможность выйти из металла газам, всплыть шлакам и другим неметаллическим включениям, а также обеспечить питание слитка во время его затвердевания.
Рационально сконструированные изложницы имеют толщину стенки в нижней части, равную максимальной толщине, при которой достигается наиболее быстрое охлаждение этой части слитка. Наоборот, верхняя часть изложницы должна иметь стенки даже тоньше, чем те, которые, получаются при расчете минимальной их толщины. В случае, если температура заливаемого металла выше температуры плавления материала изложницы, толщину стенки верхней части следует рассчитать такой, чтобы при заливке слитка температура изложницы поднималась не выше температуры, при которой материал изложницы еще сохраняет свою достаточную прочность.
Второй способ создания направленности охлаждения слитка снизу вверх — применение теплых насадок — широко распространен при отливке стали. В верхней части изложницы в этом случае устраивается насадка из малотеплопроводного материала. Когда металл поднимается в насадке, то стенки ее быстро прогреваются в слое, прилегающем к металлу слитка, и дальнейший отвод теплоты замедляется. Внизу слиток соприкасается с холодными стенками изложницы, поэтому кристаллизация идет значительно быстрее, чем в насадке. Жидкий металл, остающийся в насадке, служит для питания слитка, а также позволяет газам, шлакам и другим неметаллическим включениям всплывать на поверхность. Небольшие настыли по стенкам насадки успевают образоваться, пока еще насадка не прогрелась (рис. 166). В дальнейшем, охлаждение замедляется, и металл в насадке остается долго в расплавленном состоянии. По мере потребления жидкого металла на питание слитка, уровень его в насадке понижается. Объем насадки рассчитывается таким образом, чтобы к концу кристаллизации металла в ней осталось по возможности мало, но, с другой стороны, чтобы усадочная раковина не прошла в слиток, а оказалась полностью в насадке. Металл, заключенный в насадке, от слитка отрезается и идет в отход, а дальше на переплавку.
Влияние скорости и направления охлаждения на качества вертикальных слитков

Насадка изготовляется из формовочной или стержневой смеси. Часто наружная оболочка насадки устраивается в виде каркаса, в который набивается стержневая или специальная огнеупорная смесь. В некоторых случаях роль насадки выполняет полость в верхней части изложницы, заполненная формовочной смесью или другим рыхлым теплоизоляционным материалом (рис. 166, б).
Преимущество такой насадки состоит в том, что формовочный материал не может при такой конструкции попасть внутрь изложницы и вызвать засор в слитке, а недостатком является то, что па прогрев металлической стенки от металла слитка отбирается все же довольно значительное количество теплоты.
Применяемые иногда, так называемые «плавающие насадки», т. е. насадки, помещаемые внутрь изложницы, в верхней ее части, нельзя признать рациональными, так как от верхней части слитка в этом случае теплота уходит не только в стенку изложницы, которая располагается непосредственно в соприкосновении с верхней частью слитка, но также и в верхнюю часть изложницы, соприкасающуюся с плавающей насадкой (рис. 166, в). Таким образом, верхняя часть слитка, находящаяся непосредственно под насадкой, охлаждается значительно энергичнее, чем часть слитка, расположенная ниже этого места. В некоторый момент времени слиток оказывается отрезанным от насадки закристаллизовавшимся металлом ниже расположения насадки, вследствие чего насадка не выполняет своей роли полностью. Усадочная раковина располагается частично в насадке, а значительный ее объем оказывается также и в слитке.
При отливке слитков цветных металлов и сплавов применение теплых насадок тоже рационально. Если почему-либо в процессе литья не успевают подниматься на поверхность металла в изложнице газы или неметаллические включения, то сохранение верхней части слитка жидкой при использовании теплой насадки позволит им всплыть. Кроме того, применение теплых насадок ускорит разливку металла, так как доливку в этом случае выполняет теплая насадка. Если принять во внимание, что на доливку слитка тратится времени в 4—5 раз больше, чем на самый процесс заполнения изложницы, то применение теплых насадок часто оказывается выгодным, несмотря на необходимость обрезать верхнюю часть слитка, несмотря также на то, что количество отходов несколько увеличивается. С другой стороны, применение тепловых насадок уменьшит количество отходов из-за плохо долитой усадочной раковины.
Теплые насадки применимы также и при литье слитков в вертикальные водоохлаждаемые изложницы. В этом случае их полезное действие будет даже выше, чем при применении сплошных металлических изложниц без водяного охлаждения, так как продолжительность затвердевания слитка в таких изложницах меньше.
Третий способ создания направленности охлаждения состоит в уменьшении скорости литья при одновременном повышении температуры для компенсации потери теплоты при замедленном литье. В нижнюю часть изложницы металл попадает в первые моменты начала литья. Чем больше скорость литья, тем меньше разность температур металла, залитого в начале и в конце периода заливки. В этом случае кристаллизация будет идти относительно равномерно со всех сторон. Последний жидкий металл будет оставаться внутри слитка, а следовательно, и все дефекты в виде пузырей, посторонних включений и усадочных раковин тоже окажутся в средине слитка. При малой скорости литья, наоборот, в течение всего процесса литья верхняя часть объема металла, залитого в изложницу, будет сохраняться горячей, тогда как нижняя часть все время будет отдавать теплоту изложнице. К концу заполнения изложницы нижняя часть слитка уже окажется затвердевшей, тогда как верхняя будет заключать только что поступивший из ковша металл, нагретый до высокой температуры.
Наконец, наиболее эффективный способ создания направленности затвердевания слитка снизу вверх, это способ непрерывного литья с непосредственным охлаждением слитка водой. В этом случае, чем больше степень направленности охлаждения, тем меньше глубина лунки. В пределе, при очень малых скоростях литья лунку в процессе литья слитка можно получить настолько пологую, что дно ее по форме будет приближаться к плоскости. Это будет в том случае, если изложница отнимает от металла очень мало теплоты, а охлаждается слиток преимущественно при соприкосновении с водой нижней его части.
Основная формула для глубины лунки при отливке цилидрического слитка следующая:
Влияние скорости и направления охлаждения на качества вертикальных слитков

где h — глубина лунки, см;
I — разница в теплосодержании жидкого металла при температуре плавления и твердого металла при температуре, примерно равной tпл-tн/2, кал. г-1;
γ — плотность, г*см-3;
R — радиус слитка, см;
vл — скорость литья, см*сек-1;
λ — теплопроводность заливаемого сплава, кал*см-1*ceк-1 °С-1;
tпл — температура плавления, °C;
tн — температура поверхности слитка, °С.
Из этой формулы видно, что глубина лунки увеличивается прямо пропорционально скорости литья. Это подтверждается и опытными данными (рис. 167) в интервале скоростей литья от 0,1 до 0,3 мм/сек.
Влияние скорости и направления охлаждения на качества вертикальных слитков

В тех случаях, когда увеличивается влияние охлаждения слитка в изложнице (при увеличении высоты последней), зависимость глубины лунки от скорости литья перестает быть прямолинейной.
Глубина лунки возрастает прямо пропорционально квадрату радиуса слитка и обратно пропорционально интенсивности охлаждения слитка.
Сопоставление схематически представленных последовательных настылей при кристаллизации металла в вертикальных изложницах (рис. 168) показывает:
A. Направленность кристаллизации снизу вверх возрастает в случае утолщения нижней части изложницы, замедленной скорости литья при повышенной температуре, при применении теплой насадки (рис. 168, а).
Б. Направленность кристаллизации в указанном порядке уменьшается в случае увеличенной скорости литья, расположения приливов изложницы в верхних частях при отсутствии теплой насадки (рис. 168, б).
B. Направленность кристаллизации снизу вверх резко снижается при сифонном литье (рис. 168, в).
Г. Образование перехвата в средней части при кристаллизации слитка в случае литья в разъемную изложницу, подверженную деформации при значительной массе изложницы (рис. 168, г).
При литье в разъемные изложницы в особенности сильно проявляется их деформация, в результате чего средина слитка будет охлаждаться быстрее, что отразится на форме и расположении последовательных настылей при кристаллизации слитка. Уже в первые моменты после заливки металла в изложницу настыль будет иметь выпуклость внутрь в средней части по высоте слитка. В последующие моменты времени выпуклости с обеих сторон будут увеличиваться до тех пор, пока в средней части они не образуют перехват затвердевшего и металла. Выше и ниже перехвата будет оставаться еще жидкий металл. Последующая настыль не будет представлять одну поверхность: она разделится на две самостоятельные поверхности. Одна из них, расположенная внизу, будет иметь замкнутый контур, а верхняя может оставаться открытой. При кристаллизации слитка металл будет пополняться новыми порциями при доливке.
Влияние скорости и направления охлаждения на качества вертикальных слитков

Вследствие образования перехвата в средней части, жидкий металл, оставшийся внизу, не будет получать питания сверху, В этих случаях пузыри, усадочные поры и посторонние включения часто обнаруживаются в нижней части слитка (см. рис. 170, а). Вследствие деформации изложницы и в горизонтальном направлении, например, в сечении AA (см. рис. 168, д), большая часть дефектов располагается не в средине нижней части слитка, а по кольцу, по местам расположения последнего затвердевающего металла. На разрезе слитка алюминиевой бронзы А5 (см. рис. 170, б) это отчетливо видно. Аналогичное расположение последнего оставшегося жидкого металла при отливке алюминиевых плит в наклонные изложницы наблюдается косвенным путем по расположению выделений обратной ликвации.
Д. Образование перехвата в средней части вначале и интенсивное охлаждение верхней поверхности слитка в дальнейшем, в случае применения малой толщины разъемной изложницы, подверженной деформации изгиба вначале выпуклостью внутрь, а в дальнейшем — в обратном направлении (рис. 168, е). Такой случай расположения настылей наблюдается редко, так как обычно явление деформации изложницы в обратном направлении происходит уже после того, как слиток затвердел полностью, и на форме настылей не отражается.
Аналогично рассмотренному сопоставление схем образования последовательных настылей при непрерывном литье показывает, что:
а) глубина лунки при непрерывном литье слитков с применением кристаллизации в изложнице без непосредственного охлаждения водой достаточно велика (рис. 169, а);
б) при применении непосредственного охлаждения слитка водой (рис. 169, б) глубина лунки уменьшается, что указывает на увеличение направленности затвердевания;
в) глубина лунки при непрерывном литье с охлаждением слитка водой увеличивается в случае большой скорости литья, большого диаметра слитка, большого удельного веса металла слитка, высокой температуры литья (рис. 169, в);
г) глубина лунки при непрерывном литье с непосредственным охлаждением слитка водой (при превалирующем значении этого охлаждения) уменьшается при малой скорости литья, при большой теплопроводности заливаемого сплава, при низкой температуре литья, малом диаметре слитка (рис. 169, г).
Изучение последовательных настылей путем применения метода выливания или путем определения температур в большом числе точек объема слитка в последовательные моменты времени, или, наконец, путем построения изосолид, полученных расчетным путем, дает возможность определять, в каких случаях можно ожидать получения доброкачественных слитков и в каких могут оказаться в них те или иные дефекты (рис. 170).
Влияние скорости и направления охлаждения на качества вертикальных слитков

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: