Современные огнеупоры и эффективность их применения при производстве и разливке стали
  Доклад №21

Формирование непрерывнолитой заготовки под воздействием вибрации

Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С., Ноговицын А.В., Таранов Е.Д.

На модельном сплаве камфена с трицикленом изучено влияние вибрации кристаллизатора на теплофизические условия формирования и структуру блюмовой непрерывнолитой заготовки. Установлено, что вибрация интенсифицирует теплообменные процессы в кристаллизаторе и оказывает существенное воздействие на формирование ее первичной кристаллической структуры.

Ключевые слова: блюмовая заготовка, вибрация, кристаллизация, теплообмен, структура.

Основной задачей современной непрерывной разливки металлов является совершенствование существующих технологических процессов с целью повышения конкурентоспособности конечной продукции [1, 2]. Решить эту задачу можно путем разработки и внедрения эффективных способов внешних воздействий на заготовку в процессе ее формирования в МНЛЗ. К числу таких способов относится вибрация металла на различных стадиях формирования непрерывнолитых заготовок [3, 4].

В данной работе методом физического моделирования изучено влияние вибрации кристаллизатора на теплофизические условия формирования и кристаллическую структуру блюмовой непрерывнолитой заготовки [5].

Для анализа тепло- массопереноса рассмотрим объем металла за время его прохождения от мениска до нижнего среза кристаллизатора. Отведенное от него в кристаллизаторе тепло можно приближенно определить по зависимости

где Qкр – тепло, отводимое охлаждающе водой в кристаллизаторе, кДж; Gв – расход воды на кристаллизатор, л/мин.; – перепад температуры воды на выходе и входе в кристаллизатор, °С; – время пребывания металла в кристаллизаторе при его прохождении от мениска до нижнего среза, мин.

С другой стороны отведенное в кристаллизаторе тепло Qкр расходуется на снятие тепла перегрева металла и формирование затвердевшей оболочки заготовки

где Сж и Ст – теплоемкости жидкого и твердого металлов, кДж/кг °С; tпк – температура разливаемого металла в промковше, °С; tл – температура ликвидуса разливаемого металла, °С; tоб – средняя температура затвердевшей оболочки, °С; mоб – масса затвердевшей оболочки металла, кг.

Учитывая вышеизложенное уравнение теплового баланса кристаллизатора может быть представлено в следующем виде

где q – удельная теплота плавления металла, кДж/кг; Qп – тепло перегрева металла, кДж; n = 0,25 коэффициент, учитывающий долю тепла перегрева.

Зная величину тепла, отводимого в кристаллизаторе, можно определить среднее значение коэффициента теплоотдачи от расплава к его стенкам.

Используя зависимости (1-3) были проведены расчеты отводимого в кристаллизаторе тепла, коэффициента теплоотдачи, массы затвердевшего сплава в зависимости от условий экспериментов. Результаты расчетов приведены в таблице 1 и на рис. 1.

Таблица 1 – Влияние вибрации кристаллизатора на параметры формирования блюмовой непрерывнолитой заготовки

кристаллизатор, теплоотвод, вибрация

Рисунок 1 – Влияние вибрации на теплоотвод в кристаллизаторе

Из таблицы 1 и рис. 1 видно, что максимальный темп роста тепловых параметров формирования заготовок мы наблюдаем при увеличении частоты вибрации с 0 до 47 Гц независимо от амплитуды. В этих пределах коэффициенты теплоотдачи от расплава к стенкам кристаллизатора возрастают до 2,3 раз при А = 0,2 мм и до 3,0 раз при А = 0,5 мм. Соответственно возрастает и количество тепла, отводимого в кристаллизаторе: на 25% и на 36%.

Проведенные расчеты свидетельствуют о том, что вибрация способствует увеличению интенсивности теплоотвода в кристаллизаторе при формировании непрерывнолитой блюмовой заготовки. Обусловлено это в том числе и тем, что вибрация приводит к интенсификации гидродинамических процессов в кристаллизаторе [5].

Интенсификация вибрацией гидродинамических и теплофизических процессов в кристаллизаторе приводит к изменению двухфазной зоны затвердевающей заготовки, что, в конечном итоге, оказывает воздействие на формирование ее кристаллической структуры (рис. 2).

В начальный период затвердевания заготовки под воздействием вибрации наблюдаем уменьшение толщины корки на выходе из кристаллизатора по сравнению с контрольным экспериментом (табл. 1). В дальнейшем характер затвердевания заготовки изменяется, возрастает объемная скорость кристаллизации, о чем свидетельствует увеличение массы затвердевшего сплава (табл. 1).

Анализ макроструктур заготовок показывает, что разница между ними заключается в изменении ширин и дисперсности соответствующих зон.

макроструктура, блюм, заготовка

Рисунок 2 – Макростуктура непрерывнолитых блюмовых заготовок: а – контрольная; б – опытная

При воздействии вибрации ширина зоны столбчатых кристаллов за счет обламывания ветвей дендритов уменьшается в 2,5 раза и происходит выравнивание фронта по высоте, исключая вероятность образования «мостиков», соответственно, расширяется зона равноосных кристаллов. Часть обломков дендритов становятся дополнительными центрами кристаллизации в объеме затвердевающего расплава, другая часть оседает в донную часть заготовки, уменьшая глубину жидкой лунки (табл. 1). При этом за счет разрушения растущих кристаллов их дисперсность в опытной заготовке значительно повышается (рис. 2 а), что приводит к уменьшению дендритной неоднородности по сечению. Об этом же свидетельствует, практически, одинаковая плотность металла по сечению заготовок, формирующихся под воздействием вибрации [6, 7].

На основании анализа полученных результатов исследований установлено положительное влияние вибрации на теплофизические условия формирования и первичную структуру блюмовой непрерывнолитой заготовки. Применение вибрации позволяет получать заготовки с мелкозернистой равномерно распределенной по всему сечению структурой, а также интенсифицировать тепло- массообменные процессы при ее формировании, что предопределяет перспективность промышленного использования этого метода физического воздействия на кристаллизующийся сплав.

Библиографический список

  • Ефимов В.А., Эльдарханов А.С. Технологии современной металлургии. -М.:Новые технологии, 2004, 784 с
  • Смирнов А.Н., Куберский С.В., Штепан Е.В. Непрерывная разливка стали - Донецк: Цифровая типография, 2011, 484 с.
  • Скворцов А.А., Акименко А.Д., Ульянов В.А. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и заготовок. - М.:Металлургия, 1991, 217 с.
  • Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Минаев А.А. и др. Процессы непрерывной разливки. - Донецк: Норд Компьютер, 2002, 536 с.
  • Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д., Аржиев С.Х. Методика изучения формирования блюмовой непрерывнолитой заготовки в условиях внешних воздействий // Сталь. – 2013. – №8. – С. 18-23.
  • Таранов Е.Д., Нурадинов А.С., Кондратюк С.Е., Бречко Е.Л. Кристаллизация и структурообразование стальных слитков в условиях вибрационного воздействия // Процессы литья. – 1998. – №3-4. – С. 84-90.
  • Ефимов В.А., Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С. Влияние вибрационной обработки на структуру и свойства слитка стали 60 // Сталь. –2002. – №12. – С. 15-17.
  Доклад №21
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ