Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Если посмотреть на плоский слиток какого-нибудь сравнительно тугоплавкого сплава при раскрытии разъемной вертикальной изложницы, например конструкции, приведенной на рис. 105, б, можно легко заметить, что наиболее сильно охлажденными являются углы и кромки слитка, затем средина поверхности слитка (рис. 154, а). Значительно более нагрет участок, расположенный на некотором расстоянии от средины и от нижнего конца слитка, и наиболее разогретым, естественно, оказывается верхний конец слитка. куда расплавленный металл поступал последним.
Явление более быстрого охлаждения углов и кромок слитка объясняется тем, что теплота от них уходит также и в боковые стенки изложницы.
Долгое время преимущественное охлаждение средины слитка вызывало недоумение и целый ряд неправильных и даже фантастических объяснений. В действительности явление объясняется чрезвычайно просто.
При заливке металла, например, в вертикальную изложницу теплота переходит от нагретого до высокой температуры слитка (в случае отливки меди 1100—1200°) к слегка подогретой изложнице, имеющей температуру, скажем, 100° Для передачи теплоты требуется некоторое время, следовательно, в процессе охлаждения слитка слои изложницы, соприкасающиеся со слитком, нагреваются сравнительно быстро до каких-то промежуточных температур, в нашем случае, допустим, до 600—700°, в то время как наружные слои изложницы сохраняют свою первоначальную температуру или нагреваются слегка. Известно, что тела при нагревании расширяются, следовательно, слои изложницы, нагретые слитком, тоже увеличат свои размеры. Мы знаем, что если одни волокна бруска по тем или иным причинам удлиняются, то весь брусок изгибается. То же происходит и с изложницей. Она деформируется так, что ее средина оказывается в более тесном соприкосновении со слитком, а концы отходят от него (рис. 154, в). Поэтому теплота в большей степени пойдет в части изложницы, сильнее прижатые к слитку, а концы слитка, изолированные от холодных мест изложницы прослойкой воздуха, будут охлаждаться медленнее.
Иногда высказывают обратное мнение, что через щели слиток будет охлаждаться быстрее. Совершенно очевидно, что это мнение ошибочное. Воздух является хорошим тепловым изолятором в том случае, если поставлен в условия, при которых он не в состоянии достаточно быстро двигаться. В узких щелях конвекция воздуха пли другого газа (если отливка слитка производилась с применением смазки) почти отсутствует, поэтому теплота через воздушный или газовый зазор будет передаваться очень медленно. Следовательно, средина слитка охладится быстрее, чем его участки, расположенные несколько ниже средины.
Такого рода явление наблюдается не только в случае, когда применяются сплошные изложницы, но также и тогда, когда применяются изложницы, охлаждаемые водой. Медный лист, отделяющий слиток от воды, также с одной стороны охлаждается проточной водой и потому остается холодным, тогда как со стороны слитка — разогревается, разумеется, не до такой степени, как у сплошных чугунных изложниц, но все же достаточно для того, чтобы вызвать у него деформацию изгиба. И в этом случае охлаждающий лист будет более плотно прижиматься к слитку в средней части, тогда как концы его от слитка отойдут.
Если сплошная изложница скреплена только посредине, то зазор между слитком и каждой из половин ее будет больше, чем в том случае, когда изложница скреплена в двух местах — вверху и внизу. В последнем случае за счет упругой деформации изложницы зазор по концам будет несколько уменьшен (рис. 154, г).
Когда волокна створок изложницы, обращенные к слитку, под влиянием нагрева удлиняются, то, будучи связанными с более холодной частью изложницы (наружной), они не смогут принять такую длину, какую они получили бы при свободном расширении во время нагрева до той же температуры. В слое изложницы, обращенном к слитку, вследствие расширения под влиянием нагрева произойдет сначала упругая, а затем и пластическая деформация сжатия.
При дальнейшем охлаждении слитка вследствие приближения к состоянию равновесия передача теплоты от слитка к изложнице замедляется, и теплота начинает более равномерно распределяться по изложнице. Если бы температура изложницы во всех точках стала одинаковой, то в предположении только упругой деформации в результате предыдущего неравномерного прогрева она приняла бы первоначальную плоскую форму. В действительности же деформация поверхностных слоев изложницы при разогревании переходит за предел упругости (если его существование вообще признать реальным). По этой причине, после выравнивания температуры изложницы вследствие прошедшей деформации сжатия, волокна внутренней поверхности изложницы окажутся короче наружных, и изложница снова деформируется, но уже в обратном направлении. Концы изложницы приблизятся к слитку, а средина от него отойдет (рис. 154, д). Однако обычно эта обратная деформация изложницы происходит уже при сравнительно низких ее температурах, когда слиток из нее удален. Такая же деформация будет иметь место и в случае охлаждения изложницы до первоначальной (например комнатной) температуры.
Аналогичная картина наблюдается и при отливке слитков в открытые горизонтальные изложницы (рис. 155). Верхние слои поддона нагреваются от слитка и при этом расширяются. В результате расширения происходит грибообразное выпучивание поддона, так что слиток плотно соприкасаться с поддоном будет только посредине. По краям поддон окажется отошедшим от слитка, почему охлаждение в этих местах замедлится вследствие наличия воздушной прослойки между поддоном и слитком. У самых краев слиток будет отдавать больше теплоты, так как, помимо охлаждения слитка через поддон, происходит охлаждение его через боковые стенки изложницы. Появление темного, более сильно охлажденного пятна посредине является, так же как и в случае литья плит в вертикальные изложницы, результатом более плотного соприкосновения слитка с деформированным поддоном (рис. 155, в). Вследствие расширения верхних волокон поддона, его слой, соприкасающийся со слитком, испытает деформацию сжатия, благодаря большому сопротивлению остальной части поддона. Деформация быстро перейдет в пластическую, так как предел упругости меди, из которой сделан поддон, да притом в нагретом состоянии, весьма низок.
При охлаждении всего поддона до комнатной температуры, если бы не было пластической деформации верхнего слоя, он снова принял бы вид плоскопараллельной плиты. Так как верхний слой испытал пластическое сжатие, то после охлаждения он оказался меньшего размера, чем до применения поддона при отливке. Верхний слой теперь будет испытывать растягивающие напряжения, которые могут повести к образованию трещин. Кроме того, поддон примет форму не плоской плиты, а вогнутой, причем размер стрелы прогиба верхней поверхности достигает иногда 15—20 мм. Это отчетливо наблюдается на практике.
Пример. Пусть поддон имеет форму квадратной плиты, сторона которой равна 1 м*L = 1000 мм при начальной температуре 100°. Коэффициент линейного расширения α = 0,00002. Температура слоя поддона, соприкасающегося со слитком, в некоторый момент времени достигла 600°, тогда как наружная поверхность осталась еще при начальной температуре 100°.
Если бы слой, соприкасающийся со слитком, не был связан с остальной массой поддона, то при нагревании до 600° он расширился бы до длины:
Так как свободному расширению поддона препятствует остальная масса его, имеющая низкою температуру, то расширившийся слой будет испытывать напряжение сжатия, причем действительная длина разогретых слоев, допустим, стала L2 = 1004 мм вместо 1010 мм.
Предел упругости для меди (поддона) при этой температуре будет ничтожно низким, поэтому можно предположить, что уменьшение длины вследствие пластической деформации сжатия разогретых слоев составляет целиком 6 мм.
После охлаждения поддона до прежней температуры 100° длина стороны квадратного поддона CO стороны слоя, соприкасавшегося со слитком, будет уже не 1000 мм, а
где Δt — пластическое сжатие разогретых слоев поддона.
Однако, так как верхний слой поддона остается связанным с остальной его частью, то может и в этом случае произойти в верхнем слое деформация, на этот раз уже растяжения. Допустим, что она составила 2 мм.
Тогда действительная длина верхнего слоя поддона после одного раза заливки на него металла будет:
Так как внешний слой поддона остался прежней длины 1000 мм, то ясно, что поддон изогнется в обратную сторону, т, е. станет вогнутым, а слон, соприкасавшиеся со слитком, окажутся растянутыми.
При повторении циклов заливки слитков на поддон и охлаждения до первоначальной температуры деформация постепенно увеличивается, вследствие чего в верхнем слое поддона могут появиться трещины. Практически на верхней поверхности поддона, на который было залито значительное число слитков, наблюдаются трещины, что именно указывает на напряжения растяжения, которые поддон испытывал в процессе его охлаждения.
Схематически последовательная деформация поддона представлена па рис. 155, в, г.
Деформация поддона при отливке медных слитков в горизонтальные наложницы легко наблюдается, если рамка не скреплена с поддоном накрепко и уклон дан таким образом, что слиток имеет внизу больший размер, чем вверху.
Через 2—3 мин. после заливки слитка весом 2 т можно заметить отчетливое образование зазора между рамкой, которая остается висеть на слитке, и поддоном. Размер зазора достигает в рассматриваемом случае 10—12 мм. Это и есть, главным образом, результат выпучивания поддона из-за одностороннего разогревания его от слитка. На величину зазора влияет также и деформация слитка, которая сначала уменьшает величину зазора, а затем увеличивает.
Процессы разогревания, деформации, выпучивания средней части и обратной деформации, образования вогнутой формы происходят и в вертикальных изложницах. В этом случае деформация изложницы вызывает неравномерную и очень неблагоприятную кристаллизацию отдельных частей слитка, который при этом может получиться со включениями газовых пузырей, шлаков, нерастворимых окислов и с усадочными раковинами, расположенными как в верхней, так и в нижней частях слитка. Кроме того, при последующей обратной деформации вследствие выравнивания температур по сечению изложницы уже частично или полностью закристаллизовавшийся слиток может быть по концам захвачен изложницей, изогнувшейся в обратную сторону (см. рис. 154, д), и зажат. Так как при дальнейшем охлаждении слиток будет продолжать сокращаться в размерах, то, будучи захвачен изложницей по концам, он может дать трещины, если при этих температурах будет иметь недостаточную прочность или пластичность. Такие трещины часто можно наблюдать при отливке слитков латуни, содержащей свинец, в особенности если содержание меди в ней выше 63%.
При применении сдвоенных изложниц, в которых слитки обращены друг к другу широкими плоскостями, явления деформации изложницы в значительной мере уменьшаются. Если «стояк» применен сплошной, он не будет изгибаться, потому что при одновременной заливке двух слитков обе его стороны будут нагреваться, а следовательно, расширяться, одинаково. В результате возникнут растягивающие напряжения внутри стояка, а изгиба его наблюдаться не будет. Если стояк состоит из двух половин, последние делаются с ребрами и скрепляются с боков пластинками на болтах. И ребра и скрепления способствуют уменьшению деформации стояка. Боковые створки таких изложниц снабжены приливами в виде ширенгельных усилений, вследствие чего сопротивляемость изложницы деформации изгиба значительно возрастает. При выемке слитков из таких изложниц более охлажденным оказывается нижний конец с постепенным переходом к наиболее горячей, верхней части слитка. Это происходит потому, что вниз металл поступает первым, поэтому к моменту выемки слитка он в течение более продолжительного времени находится в соприкосновении с изложницей, и охлаждается больше, чем металл, поступающий в выше расположенные части изложницы.
В случае расположения слитков в сдвоенной изложнице узкими сторонами друг к другу вследствие деформации изложницы при литье при жестком скреплении створок наблюдалось разрушение скрепляющих болтов или самой изложницы. Такие изложницы могут работать лишь в том случае, если створки скрепляются упругими захватами и снабжены усиливающими ребрами, препятствующими изгибу их при одностороннем нагреве.
Изложницы, в которых осуществляется водяное охлаждение, также подвержены деформации, хотя и в несколько меньшей степени, чем сплошные. В этом случае деформация может быть уменьшена путем устройства с противоположной стороны ребер жесткости. Кроме того, явление преимущественного охлаждения средней части слитка удается в значительной степени ослабить, применяя литье металла с малой скоростью. В этом случае только необходимо несколько повышать температуру металла при литье для компенсации потерь теплоты и понижения температуры при длительной заливке металла. Вследствие того, что к моменту достижения уровнем металла средины изложницы металл в нижней ее части успеет в значительной степени охладиться, направленность охлаждения снизу вверх еще сохранится, поэтому перехвата при кристаллизации слитка в средней части не будет.
He свободны от деформации и изложницы для отливки круглых цилиндрических слитков, даже неразъемные. В этом случае цилиндрическая поверхность изложницы, обращенная к слитку, принимает форму гиперболоида вращения, который и в этом случае приходит в более тесное соприкосновение со слитком в средней части.