Формирования заготовки при непрерывном литье цветных металлов в горизонтальный кристаллизатор
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Формирования заготовки при непрерывном литье цветных металлов в горизонтальный кристаллизатор

Бредихин В.Н., Донецкий государственный научно-исследовательский и проектный институт цветных металлов
Шутов И.В., ОАО «АЗОЦМ»
Кушнерова Е.Ю., ДонНТУ

Введение

Непрерывное литье цветных металлов в горизонтальный закрытый кристаллизатор имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с непрерывным литьем вниз или вверх.

Во-первых, установки горизонтального непрерывного литья цветных металлов (УГНЛЦМ) при равенстве литейных параметров (производительность, диаметр отливаемых заготовок) менее металлоемкие, компактные, не требуют сложных строительных решений, просты в эксплуатации.

Во-вторых, УГНЛЦМ наиболее целесообразно экономически и технически использовать при мелкосерийных производствах с большой гаммой номенклатуры, т.е. там, где предусмотрены частые переходы (технологические остановки).

Большинство УГНЛЦМ состоят из следующих основных узлов: печной агрегат; кристаллизатор; тянущая клеть; узел порезки и складирования (рис. 1).

Установка непрерывного горизонтального литья цветных металлов

Рис. 1. Установка непрерывного горизонтального литья цветных металлов: 1 - печь индукционная канальная; 2 - узел кристаллизатора; 3 - узел вторичного охлаждения и защиты наружной поверхности заготовки от окисления; 4 - клеть тянущая; 5 - емкость с водой для защиты внутренней поверхности заготовки (трубной) от окисления; 6 - стойки опорные регулируемые; 7 - каретка пилы; 8 - пила; 9 - емкость аварийного слива металла; 10- узел сушки заготовки; 11 - стеллаж накопления литых заготовок; 12 - заготовки; 13 - устройство извлечения отрезанной заготовки из узла сушки; 14, 15, 16 - аппаратура управления, соответственно, гидросистемой, КИП и А и электропотребителями.

Анализ особенностей теплосъема, макро-, микроструктуры и механических свойств формирования заготовки на установках горизонтального непрерывного литья (УГНЛ) приводит к следующей физической модели данного процесса. В установившемся режиме вытягивания основное влияние на формирование заготовки оказывают термоконвективные потоки в жидком ядре, жидко-твердой и твердо-жидкой зоне. Наиболее интенсивные термоконвективные потоки существуют в зоне жидкого-твердого ядра [1,2]. Когда от металла отведено 20% теплоты кристаллизации, термоконвективный поток практически исчезает. Большинство работ посвящены однофакторным исследованиям влияния технологических факторов на качественные характеристики отливаемой заготовки [3,4].

Задачей исследования является исследование влияния технологических факторов УГНЛ на характер формирования структуры заготовок медных сплавов. Экспериментально-статистическими методами исследована природа асимметрии процесса затвердевания заготовки в горизонтальном закрытом кристаллизаторе.

Основная часть исследований

Термоконвективные потоки в горизонтальном цилиндре рассматриваются в виде суперпозиции базисных движений, одним из которых является движение жидкости в вертикальной плоскости, проходящей через ось цилиндра. Эта составляющая и является определяющей в горизонтальном кристаллизаторе [4,5].

Экпериментальные исследования выполнены на установке горизонтального непрерывного литья при производстве бронзовых заготовок сплошного (круглого) сечения различного диаметра (рис. 2).

Установка    горизонтального непрерывного литья (УГНЛ)

Рис. 2. Установка горизонтального непрерывного литья (УГНЛ) - производство сплошной заготовки O = 70мм : 1 – печь индукционная; 2 – узел кристаллизатора; 3 – тянущее устройство; 4 – устройство зажима заготовки при отрезании; 5 – пила; 6 – узел клеймения заготовок; 7 – приемный рольганг; 8 – короб с готовой продукцией; 9 – пульт управления УГНЛ.

При экспериментальных разливках в качестве шихты использовалась сертифицированная чушковая бронза марки БрОЦС 5-5-5. Бронза данной марки относится к числу оловянистых (меднооловянистых) бронзовых литейных сплавов.

На рис. 3 приведен график распределения температуры поверхности по длине кристаллизатора (экспериментальные данные).

Тепловой поток в зоне формирования заготовки  в кристаллизаторе

Рис. 3. Тепловой поток в зоне формирования заготовки в кристаллизаторе

Распределение температуры по поверхности графитового формообразователя и заготовки

Рис. 4. Распределение температуры по поверхности графитового формообразователя и заготовки: 1 - графитовый формообразователь; 2 - заготовка.

Задача затвердевания расплава в цилиндрическом горизонтальном кристаллизаторе при полученных граничных условиях была решена в приближении параболического распределения температуры в затвердевшем слое методом исключения переменных (рис. 4) [6].

На рис. 5 представлена величина эффективного зазора между заготовкой и кристаллизатором при различных режимах литья.

Значение  воздушного зазора  между кристаллизатором (графитовым формообразователем) и заготовкой

Рис. 5. Значение воздушного зазора между кристаллизатором (графитовым формообразователем) и заготовкой

Адекватность построенной модели реальному процессу была проверена на сходимость расчетных значений температуры поверхности заготовки с экспериментальными данными. Расхождение экспериментальных и расчетных значений не превысило 5%.

На основании полученных экспериментальных данных (рис. 3, 4, 5) на рис. 6 смоделирован характер конвективных потоков при формировании заготовки в горизонтальном кристаллизаторе.

Горячий металл с температурой входит в кристаллизатор, омывает лунку по границе жидко-твердой зоны и выходит из кристаллизатора с температурой . Значение больше на величину перегрева жидкого металла.

В начале формирования заготовки на стенках графитовой вставки кристаллизатора (формообразователя) формируется корочка с очень малым значением .

На формирующуюся корочку в этот период действуют три силы: гравитационная, усадочная и металлостатического давления. Эффективный зазор между корочкой и графитовой вставкой кристаллизатора в этот период минимальный, но в нижней части несколько меньше, чем в верхней.

Характер термоконвективных потоков в зоне формирования заготовки на УГНЛ

Рис. 6. Характер термоконвективных потоков в зоне формирования заготовки на УГНЛ: 1 - заготовка; 2 - графитовый формообразователь; 3 - вода охлаждающая; 4 - медная рубашка кристаллизатора; Z - шаг вытягивания; , – температура поверхности заготовки cверху и снизу, соответственно; l1, l2 – зазор между заготовкой и графитовым формообразователем сверху и снизу, соответственно.

При исследовании макроструктуры, микроструктуры и механических свойств от непрерывнолитых заготовок отрезали образцы длиной около 150 мм. Затем из полученных образцов изготовлялись продольные и поперечные макрошлифы для изучения структуры заготовок.

Темплеты для исследования макроструктуры подвергались травлению 50% раствором НNO3 с последующей нейтрализацией в 30% NaOH и промывкой в проточной воде.

Следует отметить, что все исследованные темплеты не имели пористости, шаговых надрывов, неслитин, трещин или других видимых дефектов. Поверхность непрерывнолитых заготовок, полученных на установке горизонтального непрерывного литья, является чистой и гладкой. Инородных, шлаковых и неметаллических включений на поверхности заготовок обнаружено не было.

В результате исследований было отмечено, что характерной особенностью макроструктуры, которая наблюдалась в полученных образцах, являлось наличие трех основных зон кристаллизации:

  • корковая зона заготовки, которая характеризуется мелкозернистой структурой (зона мелких равноосных кристаллов);
  • промежуточная зона, характеризующаяся разноориентированной структурой (кристаллы разной ориентации, размеры которых в два раза превосходят кристаллы корковой зоны);
  • зона крупных ориентированных по тепловому потоку кристаллов.

Было отмечено, что абсолютные размеры кристаллов во всех зонах с увеличением сечения заготовки возрастают. Кроме того, протяженность зон, за исключением корковой, зависит от технологического режима горизонтального непрерывного литья.

Другой особенностью полученных непрерывнолитых заготовок является наличие асимметрии макроструктуры. При исследовании структуры образцов было отмечено, что смыкание фронтов отдельных дендритов всех теплетов совпадает с тепловым центром затвердевания заготовки, расположение которого по сечению зависит от технологических параметров режима непрерывного литья.

Анализ макроструктуры непрерывнолитых бронзовых заготовок диаметром 40 мм показывает, что снижение температуры жидкого металла способствует изменению протяженности структурных зон. При низкой температуре заливаемого металла (Тж.м.=1000°С) макроструктура по всему сечению исследуемого образца представлена довольно крупными кристаллитами, ориентированными по тепловому потоку. По мере увеличения температуры жидкого металла (Тж.м.=1100°С и Тж.м.=1150°С) кристаллиты в верхней части нерпрерывнолитой заготовки имеют мелкокристаллическую равноосную структуру, аналогичную структуре корковой зоны, при этом около 50% всей площади темплета занято мелкими кристаллами.

На рис. 7 представлена макроструктура непрерывнолитых медных заготовок. Таким образом, снижение температуры жидкого металла (Тж.м.) при литье бронзовых заготовок малых сечений способствует выравниванию асимметрии и структуры по сечению непрерывнолитого образца.

Аналогичное влияние данного технологического параметра непрерывного литья на характер изменения макроструктуры наблюдается также и на других диаметрах полученных бронзовых заготовок, в т.ч. и на полых заготовках.

Анализ макроструктур литых заготовок диаметром 70 мм, представленных на рис. 8, показал, что температура жидкого металла (при изменении от 1000 до 1100°С) оказывает существенное влияние на измельчение и асимметрию структуры.

Как видно из представленных макроструктур, при увеличении температуры жидкого металла наблюдается измельчение структуры по всему сечению заготовок. Температура жидкого металла также оказывает значительное влияние на макростроение и особенно асимметрию получаемой структуры при литье заготовок больших сечений (O = 100 мм).

Как и в случае непрерывного литья заготовок малых сечений, температуру жидкого металла при отливке заготовок больших сечений с экономической и технологической точки зрения наиболее целесообразно поддерживать в диапазоне от 1000 до 1050°С.

Влияние температуры жидкого металла на макроструктуру заготовок (O = 40 мм), поперечные темплеты

Рис. 7. Влияние температуры жидкого металла на макроструктуру заготовок (O = 40 мм), поперечные темплеты, *1

Влияние температуры жидкого металла на структурную асимметрию   непрерывно литых   заготовок  (O = 70  мм),  поперечные  темплеты

Рис. 8. Влияние температуры жидкого металла на структурную асимметрию непрерывно литых заготовок (O = 70 мм), поперечные темплеты, *1

Повышение температуры выше 1050°С кроме усиленной эрозии огнеупоров и графитового формообразователя, перерасхода электроэнергии и частичного снижения производительности процесса литья также способствует увеличению асимметрии заготовки и укрупнению макроструктуры.

Макроструктура бронзовой заготовки большого сечения, полученной при оптимальном технологическом режиме горизонтального непрерывного литья, представлена на рис. 9. Готовая продукция отлитая при оптимальном режиме показана на рис. 10.

Кроме того, на макроструктуре продольных образцов бронзовых заготовок большого сечения (O = 100 мм) было отмечено, что при увеличении температуры жидкого металла кристаллиты в нижней части удлиняются, становятся более тонкими, тем самым увеличивается асимметрия структуры непрерывнолитой заготовки. Как показали исследования, при увеличении температуры заливаемого металла увеличиваются конвективные потоки в зоне формирования заготовки. Увеличение термоконвективного потока металла в верхней части заготовки при этом способствует измельчению макроструктуры и ее разориентированию.

Макроструктура бронзовой заготовки при оптимальном режиме непрерывного литья заготовки

Рис. 9. Макроструктура бронзовой заготовки при оптимальном режиме непрерывного литья заготовки (O = 100 мм, шаг вытягивания 30 мм, Тж.м.=1050°С), *1

Готовая продукция  изготовленная  на УГНЛЦМ

Рис.10. Готовая продукция изготовленная на УГНЛЦМ

В зоне теплового центра заготовки наблюдается максимальная турбулизация за счет изменения вектора потока жидкого металла более чем на 90°. Вследствие чего в этой области наблюдается зона резкого измельчения отдельных кристаллитов, которые по своей величине и форме напоминают кристаллы корковой зоны.

Выводы

Характер затвердевания заготовки в горизонтальном закрытом кристаллизаторе определяются в основном термоконвективными потоками, которые являются функцией температуры расплава на входе в кристаллизатор и параметров вытягивания.

Асимметрия аккумулированного тепла в заготовке, при повышении температуры заливаемого металла приводит к увеличению усадки в нижней части кристаллизатора. При повышении температуры выше 1100°С увеличивается структурная асимметрия.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать вывод, что температура жидкого металла оказывает значительное влияние на строение и особенно асимметрию получаемых макроструктур непрерывнолитых бронзовых заготовок различных сечений. Увеличение температуры жидкого металла способствует измельчению структуры по сечению бронзовых заготовок, полученных способом горизонтального непрерывного литья.

Библиографический список:

1. Сладкоштеев В.Т., Шатагин О.А. Непрерывная разливка металлов. Киев, УкрНИИНТИ,1962, -58 с.

2. Бахтиаров Р.А., Воробьев Л.А. Производство слитков тяжелых цветных металлов методами полунепрерывного и непрерывного литья. М.: «Цветметинформация», 1984, -97 с.

3. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.; «Наука», 1972, -158 с.

4. Бредихин В.Н., Кушнерова Е.Ю. Исследование тепловых потоков в горизонтальном кристаллизаторе при литье медных сплавов. Збiрник наукових праць ЗДIА, «Металургiя», - Запорiжжя. Вип.11, 2005р.

5. Михайлов И.Г., Изюмский Ф.П., Бредихин В.Н. и др. Ультразвуковая локация фронта кристаллизации при непрерывном литье металлов, «Цветные металлы», 1976, №5, -с. 52-53.

6. Бредихин В.Н., Кушнерова Е.Ю. К вопросу теплопередачи в кристаллизаторе при непрерывном литье цветных металлов. // Металл и литье Украины. - 2006, № 1. -с. 90-93.

© Бредихин В.Н., Шутов И.В., Кушнерова Е.Ю., 2010