Теорія і технологія розливки електросталі та спеціальних сплавів (стр. 1 из 6)
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
НІКОПОЛЬСЬКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2
З ДИСЦИПЛІНИ «ТЕОРІЯ І ТЕХНОЛОГІЯ РОЗЛИВКИ ЕЛЕКТРОСТАЛІ ТА СПЕЦІАЛЬНИХ СПЛАВІВ»
Викладач: кандидат технічних наук,
доцент О.В. Жаданос
Виконав:ст.гр. ЕМН-07 Стрібіжев Артур
Нікополь 2010р.
Лабораторна робота №1 (Модуль 1): Моделювання структуроутворення зон злитку спокійної сталі (2 години)
1. Мета роботи
· Вивчити і описати процес утворення зон структурної неоднорідності сталевого злитку;
· Визначити швидкість твердіння різних шарів злитку, що кристалізується, її вплив на розвиток структурної неоднорідності;
· Оцінити вплив технологічних факторів на швидкість кристалізації і структурну неоднорідність;
· Скласти звіт по роботі.
2. Стислі теоретичні відомості
2.1 Загальні положення
Перехід сплаву з рідкого стану в твердий супроводжується двома наступними процесами кристалізацією та твердінням.
Кристалізацією називається утворення з розплаву окремих кристалів і кристалічних зон злитку.
Твердінням називається процес, що пов’язаний з динамікою збільшення кількості твердої фази і зменшення об’єму рідкої фази в різних частинах злитку.
Первинна кристалізація для злитків визначає їх механічні та спеціальні властивості, а дефекти, що виникають при кристалізації сплавів, практично невиправні.
Незважаючи на те, що розповсюджена думка про те, що дефекти литої структури усуваються в процесі наступної обробки тиском, такі види їх, як тріщини, усадкові раковини, макроліквація та ін., переносяться на готові вироби і багато в чому визначають його властивості.
Однією з основних задач, що стоять перед металургами є пошук способів управління розмірами та формою литого зерна з метою отримання однорідної мілкозернистої литої структури.
Оскільки спостерігання картини затвердіння металу безпосередньо у виливниці вельми ускладнено, використовується низка непрямих методів вивчення процесу кристалізації.
Найголовнішими з них є:
- Дослідження структури і хімічного складу металу злитків;
- Використання радіоактивних ізотопів;
- Математичне моделювання;
- Вивчення процесів кристалізації і затвердіння на холодних моделях.
Жоден з цих методів не є універсальним, кожен з них описує одну або декілька сторін складної фізико-хімічної, гідродинамічної і теплотехнічної обстановки процесів, що досліджуються і розширює наші уяви щодо загальної картини кристалізації сталевого злитку.
Спостерігання за ходом цього процесу на прозорих моделях дозволяє уточнити низку положень, що стосуються формування різних кристалічних зон у злитках спокійної сталі, механізму утворення усадкової раковини і дефектів усадкового походження, визначення низки кількісних характеристик швидкості процесу кристалізації та ін.
сталь розливка установка
2.2 Будова злитку спокійної сталі
Структура злитку спокійної сталі характеризується наявністю наступних зон:
1 – поверхневий шар мілких кристалів; 2 – зона стовбчастих кристалів; 3 - внутрішня зона кристалів, що різно орієнтовані; 4 – конус мілких неорієнтованих кристалів знизу злитка, так званий “конус осадження”; 5 – “міст” щільного металу в верхній частині злитку з гарно деформованих крупних неорієнтованих кристалів; 6 – зона усадкової раковини і зона усадкової пористості.
Одним з основних факторів, що визначають утворення литої структури злитку, є швидкість кристалізації.
Злиток, що відливається у виливницю, характеризується тим, що основна частина його тіла кристалізується при раціональному відведенні тепла до стінок виливниці. Вертикальна складова швидкості кристалізації на відміну від кристалізації заготівки МБЛЗ при цьому практично відсутня. Точка на фронті кристалізації рухається нормально до поверхні охолодження і вектор її швидкості по одиниці та напряму співпадає з вектором швидкості стовщення твердої корочки в даному перерізі злитку.
Кристалізація сталі при відливанні злитків відбувається в умовах інтенсивного теплообміну між металом, що твердіє і корпусом виливниці. Під час наповнення виливниці рідкою сталлю на межі контакту розплаву з металевою поверхнею утворюється кірка, через яку передається основна кількість тепла масивній формі від злитка, що формується. Тепловий потік, що визначає умови і швидкість охолодження злитка, залежить від різниці температур кірки, що утворилася, і стінки виливниці, а також від коефіцієнта тепловіддачі в зазорі між злитком і виливницею, причому теплопередача через вказаний зазор може відбуватися за допомогою випромінювання і теплопровідності. Опісля декількох хвилин після початку кристалізації металу цей зазор різко збільшується, що пов'язане з одночасним розширенням виливниці, що нагрівається, і деяким зменшенням лінійних розмірів злитка, що охолоджується. Після усадки і відходу злитка від внутрішньої поверхні стінок виливниць основна доля тепла передається їй випромінюванням. Первинно це тепло поглинається масивним корпусом виливниці. Процес нагріву її стінок на всю товщину залежно від маси і розмірів злитка, що відливається триває від 2 до 7 хвилин. У міру прогрівання корпусу виливниці із зовнішньої її поверхні в навколишній простір починається відведення тепла із зростаючою інтенсивністю. З цієї миті процес передачі тепла від рідкої фази в центральній частині злитка, що формується, в навколишнє середовище є багатоступінчастим.
Питомий тепловий потік в цьому випадку в спрощеному вигляді може бути описаний залежністю
де
– температура рідкого металу, К; 
– температура навколишнього середовища, До; 
– коефіцієнт тепловіддачі від рідкої фази до твердої скориночки, Вт/(мІ·К); 
– товщина скориночки, що утворилася, м; 
– теплопровідність скориночки, Вт/(м·К); 
– термічний опір газового зазору, мІ·К/Вт; 
– висота стінки виливниці, м; 
– теплопровідність стінки виливниці, Вт/(м·К); 
– коефіцієнт тепловіддачі від стінки виливниці в навколишнє середовище, Вт/(мІ·К).Диференціальні рівняння:
1. Рідка сталь
де
, 
і 
– відповідно теплоємність, густина і теплопровідність розплаву; 
, 
, 
– швидкості переміщення розплаву по напряму координат.2. Межі двофазної зони (додатково враховується теплота фазового переходу при кристалізації розплаву):
де
– густина рідкої фази; 
– частка твердої фази в двофазній зоні; 
– теплота фазового переходу.3. В межах затверділої частини злитка і виливниці має місце рівняння
Якщо розглядати стінку виливниці і метал, що застигає, як напівбезкінечні тіла, на поверхні яких підтримується постійна температура, а теплофізичні властивості матеріалів залишаються постійними на всьому температурному інтервалі при відсутності переохолодження, після інтегрування обох частин рівняння (1.4), відповідно, від 0 до ф та від 0 до x, отримуємо відоме рівняння квадратного кореня
де К – коефіцієнт пропорційності, що отриманий в результаті об’єднання всіх постійних параметрів, м/c0,5.
Зв’язок між швидкістю кристалізації а товщиною шару, що твердіє, може бути отримана шляхом диференціювання рівняння (1.5).
де f – швидкість переміщення фронту кристалізації.
Враховуючи, що
, вираз (1.6) запишеться так 
Так як злитки та оливки твердіють не в результаті простого переміщення границі кристалізації, а крізь зону твердо – рідкого стану сплаву, то під сплаву, то під товщиною кірочки х розуміється відстань від зовнішнього краю кірочки злитку до межі зони твердо-рідкого стану, що звернена у внутрішню частину злитку.