54
НАУКА • ТЕХНИКА • ПРОИЗВОДСТВО
УДК 669-412:519.87
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИИ СЛИТКА НА ОСОБЕННОСТИ ЕГО ЗАТВЕРДЕВАНИЯ НА ОСНОВЕ ХОЛОДНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. Часть II*
© Ромашкин Александр Николаевич, канд. техн. наук; Толстых Дмитрий Сергеевич; Дуб Владимир Семенович, д-р техн. наук; Мальгинов Антон Николаевич; Иванов Иван Алексеевич, канд. физ.-мат. наук ОАО НПО «ЦНИИТМАШ». Россия, Москва. E-mail: an_romaskin@cniitmash.ru Статья поступила 27.01.2013 г.
Представлены результаты серии экспериментов по холодному моделированию затвердевания стального слитка массой 235 т различной конфигурации (в масштабе 1:25). Исследовано девять моделей слитка. В моделях изменяли параметры слитка Н/D в пределах от 1 до 2 и его конусности от 2 до 18% с шагом 0,5 и 8% соответственно. Подробное описание методики эксперимента приведено в части I*. Изучено влияние геометрии на динамику роста твердой фазы в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Ключевые слова: слиток; холодное моделирование; затвердевание.
Часть II. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ:
КИНЕТИКА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ СЛИТКА В ВЕРТИКАЛЬНОМ И ГОРИЗОНТАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИЯХ
Входе экспериментов определяли толщину з акристаллизовавшегося в горизонтальном направлении слоя в подприбыльном, среднем и придонном сечениях слитка, а также толщину закристаллизовавшегося в вертикальном направлении слоя в осевой части слитка.
На рис. 1 и рис. 2 представлены результаты замера толщины закристаллизовавшейся корочки в осевом и радиальном направлениях в зависимости от времени затвердевания слитка.
Представленные на рис. 1 и рис. 2 данные соответствуют имеющимся в литературе данным о характере затвердевания реальных стальных слитков (рис. 3 и рис. 4): скорость затвердевания слитка (угол наклона касательной к кривой зависимости толщины твердой фазы от времени) в вертикальном направлении сначала непрерывно уменьшается, затем резко возрастает, после чего некоторое время остается почти постоянной. К концу затвердевания слитка скорость роста твердой фазы в вертикальном направлении вновь 2 несколько уменьшается. Уменьшение скорости ™ затвердевания на первых этапах затвердевания ™ связано с увеличением теплового сопротивления твердой корочки. Увеличение скорости затвер-£ девания в вертикальном направлении связано, с
с; <
5 * Часть I - см. Металлург. 2014. № 2. С. 68-71.
одной стороны, с увеличением площади удельной поверхности теплоотвода от лунки расплава, с другой - со смыканием горизонтально направленных фронтов затвердевания. И, наконец, замедление темпа затвердевания на последних этапах связано с тепловым воздействием прибыли слитка.
Из анализа графиков рис. 1 следует, что абсолютное значение высоты слитка, на протяжении которой толщина корочки изменяется в соответствии с первым участком кинетической кривой затвердевания (см. рис. 4), составляет примерно 100 мм для каждой модели. Однако оно несколько повышается (примерно с 90 до 110 мм) при увеличении отношения Н/D от 1 до 2. При этом для слитка с отношением Н/D = 1,0 изменение кинетики затвердевания происходит примерно через 3,7-4,0 ч, для слитка с отношением Н/D = 1,5 - через 3,0-3,5 ч и для слитка с Н/D = 2,0 - через 2,5-3 ч, т.е. с увеличением отношения Н/D возрастает и скорость затвердевания в вертикальном направлении. После того, как высота твердой корочки достигает критического значения, происходит увеличение скорости затвердевания, причем степень этого увеличения уменьшается при уменьшении Н/D. Следует отметить, что в относительном выражении критическая высота слитка, при которой происходит перелом на кривой зависимости толщины корочки от времени, изменяется гораздо более существенно. Так, в слитке с Н/D = 1 это значение составляет почти 60% высоты слитка, а в слитке с отношением Н/D = 2 - лишь
НАУКА•ТЕХНИКА•ПРОИЗВОДСТВО
55
200-
S 1505
£ 10050 -
100
80 -
60 -
40 -
20 -
0:00
2:24 3:36 Время, ч
20 40 60 80 100 Время, %
Рис. 1. Кинетика затвердевания осевой части исследованных слитков по высоте в абсолютных (а) и относительных (б) координатах; сплошные линии - конусность 2%; пунктирные - 10%; точечные - 18%; синие линии - Н/D = 2; черные - Н/D = 1,5; красные - Н/D = 1
100 Ж 80-
I 60-
и я н
8 40-м 20-
0:00 0:14
0:28 0:43 Время, ч
0:57 1:12
20 40 60 80 100 Время, %
100
80-
20-
20
0:00 0:57
80 70605040302010-
1:55 2:52 Время, ч
3:50 4:48
40 60 Время, %
80
100
2:24 3:36 Время, ч
40 60 Время, %
100
Рис. 2. Кинетика затвердевания в сечениях слитка на различных уровнях по высоте в абсолютных (а - в) и относительных (г - е) координатах: а, г - придонное
сечение слитка; б, д - середина высоты тела слитка; в, е - подприбыльное сечение слитка; сплошные линии - конусность 2%; пунктирные - 10%; точечные - 18%; синие линии - Н/D = 2; черные - Н/D = 1,5; красные - Н/D = 1
35-40%. Это говорит о том, что резкое возрастание скорости затвердевания для вытянутых слитков начинается раньше, чем для укороченных.
В целом близость значений критической высоты изменения кинетики затвердевания связана с идентичностью применяемых в каждом эксперименте материалов, приводящей к одинаковой интенсивности отвода тепла при затвердевании моделирующего расплава (особенно его первых порций).
Для подтверждения предположения о том, что на начальных этапах образование твердой фазы происходит по закону квадратного корня (1), был построен график зависимости коэффициента затвердевания от времени (рис. 5)
л = kVt, (1)
где х - толщина слоя твердой фазы, мм; k - коэффициент затвердевания; t - время, ч.
По представленным на рис. 5 данным видно, что рост твердой фазы во времени происходит по закону квадратного корня лишь в течение примерно 15-30 мин. После этого значение коэффициента затвердевания увеличивается, причем степень увеличения явно зависит от значения Н/D.
Анализ представленных на рис. 2 данных также показывает, что геометрия слитка практически не оказывает значительного влияния на скорость кристаллизации в радиальном направлении в среднем и под-прибыльном сечениях. Однако в придонной части слитка кинетика затвердевания значительно различается при изменении его геометрии. Такое расхождение можно объяснить сложной формой донной части слитка, усиленным теплоотводом в местах перехода боковых стенок к донной части и слабой цирку-
0
0
0
0
0
56 НАУКА•ТЕХНИКА•ПРОИЗВОДСТВО
100
80-
60-
40-
20-
20 40 60 80 Время затвердевания, %
100
Рис. 3. Кинетика затвердевания по высоте стальных кузнечных слитков массой 10 т (1) [1], 18 т (2) [2], 50 т (3) [3] и 4 т (4) [4]
100
80-
60-
40-
20-
20 40 60 80 Время затвердевания, %
100
Рис. 4. Обобщенная кинетическая кривая затвердевания крупных стальных слитк ов по высоте [5]: 1 - нарастание твердой корочки в соответствии с законом квадратного корня; 2 - ускоренное затвердевание; 3 - зона влияния прибыли
ляцией затвердевающего расплава в кюм-пельной части слитка. Сочетание такого количества влияющих параметров вместе с различным размером нижнего диаметра слитка и вызывает столь значительный разброс результатов.
Для сравнения на рис. 6 представлены результаты работы [6], иллюстрирующие изменения толщины твердой корочки в
600
500-
Й 400-
х
300-
200-
100-
100
80-
>s
60-
S 40-
о 20-
<
100
80-
-е
>s
<
60-
40-
20-
0:00
2:24 3:36 Время, ч
20 40 60 80 Время затвердевания, %
100
20 40 60 80 Время затвердевания, %
100
Рис. 5. Изменение коэффициента затвердевания к во времени (1 - конусность 2%; 2 - 10 %; 3 - 18%; синие линии - И/Б = 2, черные - И/Б = 1,5, красные - И/Б = 1)
Рис. 7. Фотографии слитков в процессе кристаллизации: а - по данным работы [6]; б - неудачный (с выпадением осадка кристаллов) эксперимент в данной работе (20 мин после окончания заливки, не представлен в результатах); в - нормальное (без выпадения осадка кристаллов) развитие эксперимента (20 мин после окончания заливки)
Рис. 6. Кинетика затвердевания слитка из гипосульфита натрия в вертикальном направлении (а) и в среднем сечении (б) по результатам:
1 - этой работы и 2 - работы [6]
вертикальном (см. рис. 6, а) и горизонтальном (см. рис. 6, б) направлениях для слитка из гипосульфита натрия с отношением НИ) = 1,4 и K = 4%. Там же представлены соответствующие результаты для исследованного в этой работе слитка схожей геометрии с отношением Н/D = 1,5 и K = 2%. Эти результаты подтверждают сделанные выше выводы для затвердевания в радиальном направлении, в то же время затвердевание по высоте развивается более равномерно, без выраженных участков на кривой зависимости толщины слоя твердой фазы от времени. Вероятным объяснением такого расхождения является недостаточный нагрев модели-
0
0
0
0
0
НАУКА • ТЕХНИКА • ПРОИЗВОДСТВО 57
рующего расплава в работе [6], вследствие чего на ранних стадиях кристаллизации происходило обильное осаждение первичных кристаллов (явление, характерное именно для гипосульфита) (рис. 7). Это компенсировало замедление затвердевания в вертикальном направлении, происходящее вследствие увеличения теплового сопротивления твердой корочки, что и сгладило кривую. В настоящей работе было обнаружено, что это явление устраняется перегревом расплава до температуры порядка 65 °C (при температуре плавления 48,5 °С).
Таким образом, полученные результаты холодного моделирования слитка массой 235 т различной геометрии показали, что с ростом отношения Н/D (вытянутости) слитка увеличивается скорость его затвердевания. Учитывая это, а также факт тесной взаимосвязи степени развития ликвационных процессов со скоростью затвердевания, для изделий с необходимой минимальной химической неоднородностью можно рекомендовать удлиненные слитки. Однако при этом следует учитывать возможность и целесообразность кузнечного передела таких слитков, а также их увеличенную пораженность осевой рыхлостью, объем которой тесно связан с параметром Н/D слитка [7].
Выводы. На примере модели слитка массой 235 т проведен анализ влияния конусности слитка и отношения Н/D на особенности его затвердевания.
Рассмотрена кинетика затвердевания исследованных слитков в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Описаны за
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.