научная статья по теме СВЯЗЬ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ С ЕГО ТЕПЛОВЫМИ РЕЖИМАМИ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «СВЯЗЬ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ С ЕГО ТЕПЛОВЫМИ РЕЖИМАМИ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

< 6, 2004

УДК 669.18.046:621.74.047

© 2004 г. Одиноков В.И., Черномас В.В., Соболев М.Б., Зайцев A.B.

СВЯЗЬ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ С ЕГО ТЕПЛОВЫМИ

РЕЖИМАМИ

В Институте машиноведения и металлургии ДВО РАН разработан и изготовлен литейно-ковочный модуль горизонтального типа, позволяющий получать из расплавленного металла в непрерывном режиме деформированный профиль заданного поперечного сечения. Приводятся данные экспериментального исследования тепловых режимов работы подвижного составного кристаллизатора на различных стадиях его прогрева. Установлена связь диаграмм состояния разливаемых сплавов с требуемыми тепловыми параметрами кристаллизатора.

Исходя из конструктивно-технологических особенностей горизонтального составного кристаллизатора [1] условно, разделим его на три основных участка, отличающихся различными условиями теплообмена затвердевающего металла со стенками кристаллизатора. На рис. 1 представлена схема расположения участков кристаллизатора. Каждый из представленных участков (зон) характеризуется определенными условиями теплообмена и месторасположения.

Участок I располагается в центральной части кристаллизатора. В этой зоне затвердевающий металл контактирует с участками парных боковых стенок и нижней горизонтальной стенкой, не находящимися под принудительным охлаждением. Следовательно, условия теплообмена определяются теплофизическими характеристиками материалов боковых парных стенок, нижней горизонтальной стенки и заливаемого металла. Участки II располагаются вблизи мест изменения направления парных боковых стенок с горизонтального на наклонное направление (в зоне деформации кристаллизующегося металла). В этих зонах затвердевающий металл контактирует с участками парных боковых стенок, не находящимися под принудительным охлаждением, и участками верхней и нижней горизонтальных стенок, находящимися под принудительным (водяным) охлаждением. Условия теплообмена этих участков определяются теплофизическими характеристиками материалов стенок кристаллизатора и затвердевающего металла, а также характеристиками системы охлаждения (номинальное давление в системе, температура воды и т.д.). Участки III располагаются в калибровочных зонах кристаллизатора. На этих участках затвердевающий металл контактирует с калибрующими бойками парных боковых стенок и участками верхней и нижней горизонтальных стенок, находящимися под принудительным (водяным) охлаждением. Условия теплообмена этих участков определяются теплофизическими характеристиками материалов бойков, верхней и нижней горизонтальных стенок, а также характеристиками системы охлаждения калибрующих бойков и горизонтальных стенок (номинальное давление в системе, температура воды и т.д.).

Для исследования процессов формирования непрерывнолитых деформированных заготовок необходимо определить тепловые режимы работы кристаллизатора на трех основных этапах: этап предварительного прогрева (распределение температур по участкам кристаллизатора перед заполнением его металлом); этап рабочего прогрева (распределение температур по участкам кристаллизатора с момента его за-

III II I II III

Рис. 1. I - участок пассивного охлаждения, II - участок активно-пассивного охлаждения, III - участок активного охлаждения; 1 - водоохлаждае-мые бойки парных боковых стенок, 2 - суппорты парных боковых стенок, 3 - водоохлаждаемые контуры верхней и нижней горизонтальных стенок

полнения металлом и до момента выхода кристаллизатора на установившийся режим при непрерывной разливке металла заданной температуры); этап установившегося прогрева (распределение температур по участкам кристаллизатора при установившемся режиме разливки металла заданной температуры и заданном цикле работы ли-тейно-ковочного модуля горизонтального типа).

В качестве источника тепла при предварительном прогреве кристаллизатора использовано пламя пропан-кислородной горелки [2] марки ГС-3 с мундштуком № 3, установленной в районе I участка кристаллизатора под нижней горизонтальной стенкой на расстоянии 100 мм от ее внешней поверхности. Режимы предварительного прогрева кристаллизатора приведены в таблице.

При исследовании режимов предварительного прогрева кристаллизатора контролировали температуру различных его участков (I, II, III) и продолжительность выхода температуры кристаллизатора на установившийся режим.

После аппроксимации экспериментальных данных логарифмическими зависимостями были получены неравенства, описывающие области распределения температур различных участков кристаллизатора в зависимости от продолжительности его предварительного прогрева. Полученные неравенства имеют следующий вид. Для участка I: 16,5lnт + 42 < T < 38,3lnт + 86,4. Для участка II: 71lnт + 15,8 < T < 26,6lnт + 42,6. Для участка III: 2 < T< lnт + 3,9. Здесь T- температура, °С; т - продолжительность прогрева кристаллизатора, мин; для всех участков 0,1 < т < 60, 0,05 < P < 0,45, P - номинальное давление в системе охлаждения, МПа. Используя эти неравенства, указанные системы охлаждения кристаллизатора и способы подвода тепла к нему в определенный момент времени, можно определить область достигнутых температур.

Исходя из конструктивных и технологических особенностей литейно-ковочного модуля горизонтального типа при исследовании динамики предварительного прогрева

Тип пламени горелки Начальная температура Номинальное давление

Номер режима (температура пламени охлаждающей воды, в системе охлаждения,

горелки, град) град МПа

1 0,05

2 3 4 Восстановительное (2200) 2 0,15 0,25 0,35

5 0,45

6 0,05

7 8 9 Окислительное (2800) 2 0,15 0,25 0,35

10 0,45

кристаллизатора, важными факторами, определяющими этот процесс, являются продолжительность выхода температуры различных участков кристаллизатора на установившийся режим и номинальное давление в системе охлаждения. При исследовании режимов предварительного прогрева кристаллизатора было установлено, что продолжительность выхода кристаллизатора на установившийся режим различно для исследуемых режимов предварительного прогрева и составляет туст = 40-60 мин. Меньшие значения туст соответствуют режимам 1, 2, 3, 6, 7, 8, большие туст - режимам 4, 5, 9, 10 (таблица). Исходя из полученных данных, можно выбрать режим предварительного прогрева кристаллизатора в зависимости от требуемых значений температур его различных участков при наименьших энергетических и временных затратах. Например, для того чтобы достигнуть температуры I-го участка равной 80° при режиме 5 необходимо время 10 мин, при режиме 6-2,5 мин, т.е. продолжительность процесса сокращается в четыре раза.

После аппроксимации экспериментальных данных экспоненциальными зависимостями были получены неравенства, описывающие распределение установившихся температур в зависимости от номинального давления в системе охлаждения кристаллизатора. Для участка I: 163,3е~°,08Р < Т < 267,7e-3,07P. Для участка II: 76,9e~0'09P < Т < < 163,6e~°,04P. Для участка III: 2 < T< 21,8e~0,17P. Здесь для всех участков 40 < туст < 60, 0,05 < P < 0,45. Используя эти неравенства, можно определить область установившихся температур при различных условиях охлаждения кристаллизатора.

Для определения взаимного влияния технологических параметров предварительного прогрева различных участков кристаллизатора на его температуру был реализован

полный факторный эксперимент типа 2х для двух независимых переменных, в качестве которых выбраны температура пламени горелки (Тг = Xj = 2200-2800°) и номинальное давление в системе охлаждения (P = х2 = 0,05-0,45 МПа). Откликом являлась температура участков кристаллизатора. После обработки результатов эксперимента, с учетом их нормального распределения, методом наименьших квадратов были получены уравнения регрессии, описывающие температуру при установившемся режиме на различных участках кристаллизатора: участок I: Т = -0,27 ■ 104 + 3,86 ■ 102 ln Тг - 1,03 ■ 102eP; участок II: Т = -0,3 ■ 104 + 4,03 ■ 102lnТг - 21,4eP; участок III: Т = -0,57 ■ 103 + 74,7lnТг -- 1,53 ■ 10-5eP.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлены математические зависимости изменения температуры различных участков кристаллизатора от основных технологических параметров процесса предварительного прогрева кристаллизатора. Полученные уравнения регрессии с большой достоверностью описывают процесс предварительного прогрева кристаллизатора, поскольку гипотеза об адекватности уравнений регрессии экспериментальным данным подтвердилась для всех уравнений (^расч < ^табл). Все коэффициенты уравнений регрессии статистически значимы (?расч < ?табл). Относительная ошибка аппроксимации не превышает 6% и множественный коэффициент корреляции не меньше 0,98 при доверительной вероятности равной 0,95. Полученные данные распределения температур являются начальными условиями при исследовании стадии рабочего прогрева кристаллизатора.

При исследовании теплового режима рабочего прогрева кристаллизатора была выдвинута гипотеза о взаимосвязи технологических режимов получения непрерывноли-тых деформированных заготовок с диаграммами состояния заливаемых металлов. Согласно выдвинутой гипотезе тепловой режим различных участков кристаллизатора должен обеспечить следующие условия (требуемые технологические параметры).

Участок I. Температура участка должна обеспечить в течение определенного технологического времени ттехн теплообмен с заливаемым металлом таким образом, чтобы его температура удовлетворяла условию

Т, град

Рис. 2

Т — т

Т5 + ь 5 < Т < Ть + АТ, (1)

где Т5 - температура солидуса, °С; Ть - температура ликвидуса, °С; АТ - величина перегрева заливаемого сплава над температурой ликвидуса, °С. При выполнении этого условия обеспечивается полная заполняемость кристаллизатора металлом.

Участок II. Температура участков должна обеспечить в течение ттехн теплообмен таким образом, чтобы

Ть - Т5

Тт < Т < Т8 + , (2)

где ТТ - технологическая температура, при которой исследуемый сплав деформируют в горячем состоянии при обработке металлов давлением [3]. Эта температура близка к реологической температуре пластической деформац

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком