Модель изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков

Полезная модель относится к металлургии, в частности к устройствам для исследования кристаллизации слитков. Техническим результатом является возможность изучения процессов, происходящих при затвердевании и структурообразовании модельных слитков в изложнице различной конфигурации в условиях интенсивного теплоотвода в головной и донной частях слитка и ускоренного затвердевания на всех горизонтах слитка и прогнозировать расположение и развитие усадочных дефектов в реальном слитке для полых поковок. Модель изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков, содержащее металлический каркас с водоохлаждаемыми полостями, по периметру которого закреплены прозрачные стекла, прибыльную надставку, штуцеры для подвода и отвода воды, при этом металлический каркас выполнен разъемным из донной части и боковых стенок, соединенных с донной частью шарнирно с возможностью наклона на угол от 42° до 116°, при этом донная часть выполнена вогнутой к прибыльной надставке, причем отношение высоты изложницы от плоскости вогнутой части до основания прибыльной надставки к среднему диаметру изложницы составляет: H_изл/D_ср=1,1÷1,5, где H_изл - высота изложницы от плоскости вогнутой части до основания прибыльной надставки, см; D_ср - средний диаметр изложницы, см., отличающееся тем, что прибыльная надставка выполнена водоохлаждаемой из материала с высокой теплопроводностью со штуцерами для подвода воды в прибыльную надставку и ее отвода в водоохлаждаемые полости металлического каркаса и выхода через донную часть, причем отношение высоты прибыльной надставки к высоте изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке донной части до основания прибыльной надставки составляет: h/H _изл=0,2÷0,4 где h - высота прибыльной надставки, см; H_изл - высота изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке донной части до основания прибыльной надставки, см.

Полезная модель относится к металлургии, в частности к устройствам для исследования кристаллизации слитков.

Известно устройство для исследования процесса кристаллизации металлов (Патент, СССР, 839665, B22D 11/00 - Опубл. 23.06.1981, Бюл. 23), которое обеспечивает возможность изучения начальных стадий кристаллизации металла. Это достигается тем, что устройство снабжено двумя барабанами с частично намотанной на них общей лентой, и диском, огибаемым упомянутой лентой, при этом, по крайней мере, один из указанных барабанов соединен с приводом. Кроме того, диск, огибаемый лентой, выполнен с наружной поверхностью в форме тора и составным из нескольких, по меньшей мере двух частей, установленных на общей оси с зазором относительно друг друга по торцевым поверхностям. Диск снабжен нажимным устройством, например винтовым, причем, с целью обеспечения натяжения ленты, один из барабанов снабжен тормозом, например ферропорошковым. Таким образом, применение предлагаемого устройства обеспечивает изучение начальных стадий кристаллизации при малых интервалах времени, составляющих 10^-3 с.

Однако предлагаемым устройством невозможно изучать процессы кристаллизации слитков, конструкция устройства не имитирует изложницу, в которой происходит затвердевание слитков.

Известна установка для моделирования затвердевания бесприбыльного слитка в прозрачной модели (Страхов, В.Г. Установка для моделирования затвердевания бесприбыльного слитка в прозрачной модели / В.Г. Страхов, Н.Ф. Сапелкин // Проблемы стального слитка: Сб. трудов V конференции по слитку. - М: Металлургия, 1974. - С. 139-141.). Отлитый из латуни холодильник толщиной 15 мм помещен между двух листов органического стекла, плотное прилегание которых к холодильнику обеспечивается струбцинами. Модели изготовлены в масштабе 1:10. В процессе затвердевания в полость холодильника принудительно подается охлаждающая вода.

Однако предлагаемая установка выполнена неразъемной (цельнолитой) и не позволяет менять конфигурацию модели изложницы.

Также известна установка для исследования кристаллизации слитков в изложнице при внешних динамических воздействиях на формирующийся слиток (Ульянов, В.А. Моделирование кристаллизации слитков в изложнице при внешних динамических воздействиях / В.А. Ульянов, В.Н. Гущин, М.А. Ларин, Е.В. Матвеева // Металлы. - 1991. - 2. - С. 51-54.). В комплект модельной оснастки макета изложницы входят: металлические оболочки, формирующие исследуемую часть слитка; водоохлаждаемые полости, прибыльная надставка с раздельными водоподводящими и отводящими штуцерами. Последние позволяют имитировать различную теплоаккумулирующую способность изложницы и прибыльной надставки. С противоположных сторон формирующаяся полость закрывается стеклами, обогреваемыми лампами (до температур ликвидуса изучаемого сплава), что позволяет проводить кино- и фотосъемку аппаратурой в процессе нарастания корки. Макет-изложница устанавливается на вибростенд.

Однако предлагаемая установка в донной части выполнена неразъемной, что не позволяет менять конфигурацию модели изложницы.

Известно устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице (Патент, Российская Федерация, 110667, B22D 07/08 - опубл. 27.11.2011). Данное устройство содержит металлический каркас с водоохлаждаемыми полостями, прозрачные стекла, прибыльную надставку, штуцеры для подвода и отвода воды, причем металлический каркас выполнен разъемным из донной части и боковых стенок, соединенных с донной частью шарнирно с возможностью наклона от 42° до 116°.

Однако в данной установке прибыльная надставка выполнена из теплоаккумулирующих вкладышей для максимально долгого поддержания моделирующего вещества в жидком состоянии, что не позволяет получить в моделируемом слитке заданные параметры усадочных дефектов и прогнозировать их развитие в реальном слитке для полых поковок.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице (Патент, Российская Федерация, 114281, B22D 07/06 - опубл. 20.03.2012), содержащее металлический каркас с водоохлаждаемыми полостям, по периметру которого закреплены прозрачные стекла, прибыльную надставку, штуцеры для подвода и отвода воды, причем металлический каркас выполнен разъемным из донной части и боковых стенок, соединенных с донной частью шарнирно с возможностью наклона на угол от 42° до 116°, при этом донная часть выполнена вогнутой к прибыльной надставке, причем отношение высоты изложницы от плоскости вогнутой части до основания прибыльной надставки к среднему диаметру изложницы составляет: H_изл/D_cp=1,1÷1,5, где H_изл - высота изложницы от плоскости вогнутой части до основания прибыльной надставки, см; D_ср - средний диаметр изложницы, см.

Однако в данной установке прибыльная надставка выполнена из теплоаккумулирующих вкладышей для максимально долгого поддержания моделирующего вещества в жидком состоянии, что не позволяет получить в моделируемом слитке заданные параметры усадочных дефектов и прогнозировать их развитие в реальном слитке для полых поковок.

В этой связи, важной задачей является разработка устройства для изучения процессов, происходящих при затвердевании и структурообразовании модельных слитков с различной конусностью тела слитка, объемом прибыльной части и отношением высоты к среднему диаметру тела слитка H/D в условиях интенсивного теплоотвода от прибыльной надставки и вогнутой к прибыльной надставке донной части, что значительно увеличивает скорость кристаллизации слитка на всех горизонтах, что позволяет контролировать расположение усадочных дефектов при производстве слитков для полых поковок.

Техническим результатом является возможность изучения процессов, происходящих при затвердевании и структурообразовании модельных слитков в изложнице различной конфигурации в условиях интенсивного теплоотвода в головной и донной частях слитка и ускоренного затвердевания на всех горизонтах слитка, и прогнозировать расположение и развитие усадочных дефектов в реальном слитке для полых поковок.

Технический результат достигается тем, что модель изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков, содержащая металлический каркас с водоохлаждаемыми полостями, по периметру которого закреплены прозрачные стекла, прибыльную надставку, штуцеры для подвода и отвода воды, при этом металлический каркас выполнен разъемным из донной части и боковых стенок, соединенных с донной частью шарнирно с возможностью наклона на угол от 42° до 116°, при этом донная часть выполнена вогнутой к прибыльной надставке, причем отношение высоты изложницы от плоскости вогнутой части до основания прибыльной надставки к среднему диаметру изложницы составляет: H_изл/D_ср=1,1÷1,5, где H_изл - высота изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке донной части до основания прибыльной надставки, см; D_ср - средний диаметр изложницы, см., причем прибыльная надставка выполнена водоохлаждаемой из материала с высокой теплопроводностью со штуцерами для подвода воды в прибыльную надставку и ее отвода в водоохлаждаемые полости металлического каркаса и выхода через донную часть, причем отношение высоты прибыльной надставки к высоте изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке донной части до основания прибыльной надставки составляет:

h/H_изл=0,2÷0,4

где h - высота прибыльной надставки, см;

H_изл - высота изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке донной части до основания прибыльной надставки, см.

Выполнение прибыльной надставки водоохлаждаемой из материала с высокой теплопроводностью, например из меди или алюминия, позволяет ускорить кристаллизацию в головной части слитка, что вызывает проникновение усадочной раковины в тело слитка на значительную глубину, что позволяет получить максимально протяженную и узкую усадочную раковину. При этом одновременное захолаживающее воздействие прибыльной надставки и донной части, выполненной как и прибыльная надставка из материала с высокой теплопроводностью, позволяет значительно ускорить процесс кристаллизации слитка на всех горизонтах слитка. Подвод воды к прибыльной надставке позволяет добиться сильного теплоотвода в головной части, что, наряду с донной частью, вогнутой к прибыльной надставке, создает условия для ускоренной кристаллизации моделирующего вещества на всех горизонтах слитка. Отношение высоты прибыльной надставки к высоте изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке донной части до основания прибыльной надставки, лежащие в пределах h/H_изл=0,2÷0,4, позволяет получить в модельном слитке усадочную раковину наиболее протяженной по длине с минимальным диаметром, благодаря чему можно прогнозировать ее развитие в реальном слитке для полых поковок.

Изменение отношения высоты прибыльной надставки к высоте изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке донной части до основания прибыльной надставки h/H _изл в заданном диапазоне 0,2-0,4 обусловлено особенностями развития и расположения усадочной раковины в теле слитка, т.к. именно при таких параметрах формируется усадочная раковина, характеризующаяся необходимыми значениями среднего диаметра и протяженностью, позволяющая контролировать и прогнозировать развитие усадочных дефектов в слитках для полых поковок.

Увеличение отношения высоты прибыльной надставки к высоте изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке донной части до основания прибыльной надставки h/H_изл более 0,4 приведет к значительному увеличению объема прибыльной надставки, что нецелесообразно при моделировании кристаллизации слитка для полых поковок. В свою очередь уменьшение отношения высоты прибыльной надставки к высоте изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке донной части до основания прибыльной надставки h/H_изл менее 0,2 не позволяет в достаточной степени обеспечить равномерное охлаждение и ускоренную кристаллизацию по всему объему слитка, что не позволяет прогнозировать расположение и развитие усадочных дефектов в реальных слитках для полых поковок.

На фиг. 1 изображен общий вид модели изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков, на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1. На фиг. 3 и 4 показан угол наклона боковых стенок на 42° и 116°, соответственно. На фиг. 5 показан закристаллизовавшийся модельный слиток, полученный в предлагаемой модели с водоохлаждаемой прибыльной надставкой и вогнутой к прибыльной надставке донной части, на фиг. 6 - закристаллизовавшийся модельный слиток, полученный в модели-прототипе.

Модель изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице содержит металлический каркас с водоохлаждаемыми полостями 1, выполненный разъемным из донной части 2 и боковых стенок 3 и 4, соединенных с донной частью с помощью шарниров 5 и формирующих контур слитка, причем донная часть выполнена вогнутой к прибыльной надставке 6, выполненной из материала с высокой теплопроводностью (алюминий или медь); штуцеры для подвода 7 и отвода 8 воды в водоохлаждаемые полости боковых стенок 3 и 4 металлического каркаса. С помощью шлангов 9 соединяются водоохлаждаемая донная часть 2 вогнутая к прибыльной надставке 6 с водоохлаждаемыми полостями 1 боковых стенок 3 и 4. С помощью шлангов 10 вода подводится к штуцерам 11 из прибыльной надставки 6 в водоохлаждаемые полости 1 боковых стенок 3 и 4. Крепеж боковых стенок 3 и 4 к донной части 2, соединенных шарнирами 5, осуществляют с помощью хомутов 12 и контргаек 13, которые позволяют с помощью шарниров 5 задавать различную конусность тела слитка, как в положительную, так и отрицательную стороны, обеспечивая угол наклона от 42° до 116°, перемещая боковые стенки 3 и 4. Стяжные болты 14, расположенные по периметру металлического каркаса, и струбцины 15, расположенные на боковых стенках 3 и 4, позволяют плотно прижимать прозрачные органические стекла 16 с обеих сторон устройства. Модель изложницы устанавливается на неподвижную опору 17. Отвод воды из устройства осуществляется через штуцер 18. 19 - внутренняя полость устройства с моделирующим веществом. На модельных слитках (фиг. 5, фиг. 6) показаны структурные зоны: 20 - зона столбчатых кристаллов, 21 - нижняя конусообразная структурная зона, 22 - зона различноориентированных кристаллов, 23 - зона осевой рыхлости, 24 -усадочная раковина.

Для охлаждения модели изложницы вода подается через штуцеры 7 в прибыльную надставку 6, выполняющую функцию холодильника. Благодаря поступлению воды в прибыльную надставку, выполняется условие максимального охлаждения головной части слитка, т.к. первые порции воды, поступающие в модель, будут иметь минимальную температуру и обеспечивать максимальный теплоотвод в прибыльной надставке. Из штуцеров 8 с помощью шлангов 10, вода поступает в штуцеры 11, чтобы затем попасть в водоохлаждаемые полости 1 боковых стенок 3, 4. Для обеспечения герметичности соединений по периметру металлического каркаса проложены резиновые уплотнители.

Максимальный объем внутренней полости 19 модели изложницы составляет 9 л. Толщина плоской модели составляет 25 мм. Общая высота изложницы равна 500 мм. Ширина изложницы в донной части - 125 мм, в нижней части - 240 мм.

Работа заявляемой модели осуществляется следующим образом: Перед заливкой моделирующего вещества модели изложницы задают геометрические параметры. По формуле 1 рассчитывается отношение высоты изложницы от плоскости вогнутой части до основания прибыльной надставки 6 к среднему диаметру изложницы:

где H_изл. - высота изложницы от плоскости вогнутой части до основания прибыльной надставки 6, см;

где D_верх, D_низ - диаметр верхнего и нижнего основания изложницы, соответственно, см.

Задается отношение высоты прибыльной надставки 6 к высоте изложницы от плоскости вогнутой части до основания прибыльной надставки 6 по формуле 3:

где h - высота прибыльной надставки 6, см;

Р_изл - высота изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке 6 донной части 2 до основания прибыльной надставки 6, см.

После того как модели изложницы заданы все параметры моделируемого слитка, к ней с помощью штуцеров 7, расположенных в прибыльной надставке 6, подводится охлаждающая жидкость - вода, - которая поступает из штуцеров 8 через шланги 10 и штуцеры 11 в водоохлаждаемые полости 1 боковых стенок 3 и 4, после чего через шланги 9 поступает в вогнутую к прибыльной надставке 6 донную часть 2 для последующего удаления в слив через штуцер 18.

После этого осуществляют процесс заливки моделирующего вещества, например натрий серноватистокислый (кристаллический гипосульфит) - Na₂S₂O3×5H ₂O, в модель изложницы. Разливку расплава гипосульфита проводят сверху. По окончанию заливки через произвольно заданный исследователем промежуток времени проводят замеры протяженности твердой и твердожидкой фазы, закристаллизовавшейся на четырех различных горизонтах моделируемого слитка. После полного затвердевания моделируемого слитка в модели изложницы ее разбирают, извлекают закристаллизовавшейся слиток и проводят замер размеров структурных зон.

Протяженность усадочной раковины 24 в опытных слитках, полученных в предлагаемой модели изложницы (фиг. 5), значительно больше, чем в слитках, полученных в модели-прототипе (фиг. 6), но сама усадочная раковина 24 имеет меньший диаметр, что вызвано ускоренным нарастанием твердой фазы от стенок прибыльной надставки 6, благодаря выполнению прибыльной надставки 6 водоохлаждаемой с заданным соотношением высоты прибыльной надставки 6 и высоты изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке 6 донной части 2 до основания прибыльной надставки 6 h/H_изл . Такая ускоренная кристаллизация моделирующего вещества в прибыльной надставке 6 приводит к тому, что слиток в центральной части оказывается обедненным расплавом и, как следствие, вызывает проникновение усадочной раковины 24 в тело слитка на значительную глубину. Этого не наблюдается в слитке, полученном в модели-прототипе (фиг. 6) с теплоаккумулирующей прибыльной надставкой, которая удерживает расплав в жидком состоянии в головной части максимально долгое время, благодаря чему осевая зона слитка "подпитывается" расплавом, поэтому усадочная раковина 24 не проникает в тело слитка. В свою очередь выполнение донной части 2 вогнутой к прибыльной надставке 6, позволяет значительно ускорить вертикальную кристаллизацию моделирующего вещества и, как следствие, высокую плотность в нижней части слитка. Совместное охлаждающее действие водоохлаждаемой прибыльной надставки 6 и донной части 2, вогнутой к прибыльной надставке 6, значительно ускоряет процесс кристаллизации на всех горизонтах слитка и вызывает снижение размеров зоны осевой рыхлости 23.

Таким образом, моделирование позволяет определить наиболее рациональные размеры прибыльной надставки 6 и донной части 2 и отношение высоты прибыльной надставки 6 к высоте изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставки 6 донной части 2 до основания прибыльной надставки 6, позволяющие получить протяженную и узкую усадочную раковину 24, а также ускорить процесс кристаллизации слитка. В дальнейшем, выбрав наиболее рациональные геометрические размеры прибыльной надставки 6 и донной части 2, можно сконструировать реальную изложницу для отливки слитков для полых поковок с целью получения минимального количества отходов и уменьшения времени кристаллизации такого слитка.

Предлагаемая модель изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков позволяет изучать процессы, происходящие при затвердевании и структурообразовании модельных слитков с различной конусностью тела слитка, отношением высоты прибыльной надставки 6 к высоте изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке 6 донной части 2 до основания прибыльной надставки 6 h/H_изл и отношением высоты к среднему диаметру тела слитка H_изл/D_ср в условиях интенсивного охлаждения и ускоренного затвердевания в прибыльной надставке 6 и донной части 2, что позволит исследовать влияние ускоренного затвердевания в прибыльной надставке 6 и донной части 2 на процессы кристаллизации и структурообразования и прогнозировать расположение и развитие усадочных дефектов при производстве слитков для полых поковок.

Модель изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков, содержащая металлический каркас с водоохлаждаемыми полостями, по периметру которого закреплены прозрачные стекла, прибыльную надставку, штуцеры для подвода и отвода воды, при этом металлический каркас выполнен разъемным из донной части и боковых стенок, соединенных с донной частью шарнирно с возможностью наклона на угол от 42° до 116°, при этом донная часть выполнена вогнутой к прибыльной надставке, а отношение высоты изложницы от плоскости вогнутой части до основания прибыльной надставки к среднему диаметру изложницы составляет Н_изл/D_cp=1,1÷1,5, где Н _изл - высота изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке донной части до основания прибыльной надставки, см; D_cp - средний диаметр изложницы, см, отличающаяся тем, что прибыльная надставка выполнена водоохлаждаемой из материала с высокой теплопроводностью и снабжена штуцерами для подвода воды в прибыльную надставку и ее отвода в водоохлаждаемые полости металлического каркаса и выхода через донную часть, причём отношение высоты прибыльной надставки к высоте изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке донной части до основания прибыльной надставки составляет

h/Н_изл=0,2÷0,4,

где h - высота прибыльной надставки, см;

Н_изл - высота изложницы от плоскости вогнутой к прибыльной надставке донной части до основания прибыльной надставки, см.