3 (72), 2013 / 121 УДК 621 .791: 658 .562 Поступила 12.08.2013 е. и. МАРукоВич, А. М. БРАНоВицкий, ю. А. леБеДиНский, В. А. ХАРькоВ, ю. В. сАчеНко, итМ НАН Беларуси НепрерывНое гориЗоНталЬНое литЬе труБНоЙ БроНЗовоЙ Заготовки Проведен экспериментальный и расчетный тепловой анализ работы установки непрерывного литья бронзовых трубных заготовок. Рассчитаны допустимые тепловые режимы вытяжки. An experimental and calculated thermal analysis of the continuous casting of bronze tube billets is developed. Calculated allowable thermal conditions of drawing for stable casting. Актуальность исследований процесса получе- ния непрерывнолитой полой заготовки обусловле- на необходимостью повышения эффективности производства машиностроительных деталей типа втулка . Традиционный способ подразумевает изго- товление втулок из сплошной заготовки, что вле- чет за собой образование большого количества от- ходов (60–80 % от массы заготовки) . Разработка технологических режимов и специальной оснаст- ки для процесса получения полых заготовок мето- дом непрерывного литья позволит значительно со- кратить объемы отходов, образующихся в процес- се изготовления деталей типа втулка, и снизить их себестоимость . Для создания работоспособной технологии на- ряду с качественными характеристиками необхо- димы и количественные оценки, которые могут быть получены в результате анализа процесса ли- тья на основе математического моделирования и проведения экспериментальных исследований . Технологическая оснастка для процесса не- прерывного литья трубных заготовок. Основ- ной конструктивной особенностью кристаллизато- ра для получения полых заготовок является нали- чие графитовой втулки и дорна, формирующих наружную и внутреннюю поверхности заготовки . На основании предварительных исследований и оценки существующего опыта авторами разра- ботана и изготовлена специальная технологиче- ская оснастка для непрерывного литья (рис . 1) . От- личительной особенностью данной конструкции является наличие питающих каналов повышенно- го поперечного сечения, которые расположены вдоль оси вытягивания заготовки и обеспечивают свободную подачу жидкого металла в полость формы . Кроме того, для исключения затвердева- ния металла в питающих каналах в начальный мо- мент процесса литья, когда форма еще холодная, предусмотрено наличие питающих каналов лишь в верхней части дорна . В процессе проведения экспериментов уровень жидкого металла в миксере предварительно под- нимался до середины дорна . При этом жидкий ме- талл еще не поступает в форму, но, находясь с ней в контакте, обеспечивает ее предварительный ра- зогрев . Далее из плавильного агрегата доставляет- ся новая порция расплава, которую заливают в миксер . Расплав полностью заполняет кристалли- затор и через питающие каналы подается в полость формы, откуда тянущим устройством извлекается затвердевшая заготовка . Кристаллизатор состоит из графитовой втулки с дорном, помещенной в стальной водоохлаждае- мый корпус (рис . 1) . Рис . 1 . Трехмерная модель кристаллизатора для непрерыв- ного литья трубных заготовок 3 (72), 2013 122 / В качестве затравки использовали стальную трубу, изготовленную в соответствии с размерами отливки и свободно заходящую в полость кристал- лизатора . Для надежного соединения затвердевше- го расплава с затравкой в передней части послед- ней, в зоне ее контакта с расплавом, сделаны тра- пециевидные вырезы . Короткая часть вырезов на- правлена в сторону расплава . Таким образом, металл, попав в эти вырезы и затвердев, обеспечи- вал надежное соединение с затравкой . Сама же за- травка при помощи резьбового соединения крепи- лась к затравочной штанге . Экспериментальное исследование процесса литья трубных заготовок. Исследовали процесс литья трубной заготовки с наружным диаметром 109 мм и внутренним диаметром 80 мм . В качестве материала для производства трубной заготовки ис- пользовали бронзу марки ОЦС5–5-5 . Плавку брон- зы осуществляли в индукционной тигельной печи марки ИСТ-0,16 в шамотно-графитовом тигле . В качестве шихтовых материалов применяли брон- зовую чушку . Металл плавили и разогревали до температуры 1200 ºС, затем его переливали в тран- спортный ковш и доставляли на участок разливки . Из транспортного ковша расплав переливали в ин- дукционный канальный миксер . Температура рас- плава металла в миксере в процессе литья состав- ляла 1140 °С . После поднятия уровня металла в разливочной шахте миксера до средней линии кристаллизатора осуществляли выдержку в тече- ние 20 мин для прогрева формообразующих эле- ментов кристаллизатора . После выдержки при по- мощи транспортного ковша доставляли новую порцию расплава и уровень металла в шахте под- нимали на 200 мм выше верхней точки кристалли- затора . После этого отливку циклически (движе- ние – остановка) извлекали из кристаллизатора . Длина шага извлечения отливки составляла 10 мм, скорость литья – 0,1 м/мин . Температура воды на входе в кристаллизатор составляла 21ºС, на выхо- де – 50ºС, расход – около 10 л/мин . Вид установки для непрерывного литья трубных заготовок пока- зан на рис . 2 . В результате экспериментов получе- на трубная заготовка длиной более 3 м (рис . 3) . К конструктивным параметрам формирующего узла предъявляются определенные требования с позиций обеспечения качества отливки, стабиль- ности процесса литья и долговечности формообра- зующих элементов . При анализе условий теплообмена между от- ливкой и формообразующими элементами кри- сталлизатора при непрерывном литье полой заго- товки было выявлено существенное различие тем- ператур по периметру рабочих поверхностей кри- сталлизатора в одном и том же сечении, которое достигает 170 °С . Это связано с тем, что нижняя часть кристаллизатора находится в относительно плотном контакте с отливкой, которая скользит по ней, обеспечивая более интенсивную теплоотдачу, чем в верхней части, где между отливкой и поверх- ностью кристаллизатора образуется воздушный зазор в результате усадки отливки . Зазор увеличи- вается по направлению к выходу из кристаллизато- ра, значительно уменьшая интенсивность теплооб- мена . Результатом указанного явления служит раз- ная толщина стенки полой трубной заготовки: 14,2 мм в верхней части и 16 мм в нижней час- ти . Организация воздушного зазора толщиной от 0,1 мм до 0 на длине 30 мм в нижней части кри- сталлизатора позволила существенно уменьшить структурную неоднородность и обеспечить прием- лемую равномерность толщины стенки полой ци- линдрической отливки . Проведено исследование влияния конусности дорна на качество отливки, конусность образую- Рис . 2 . Установка для непрерывного литья трубных заготовок Рис . 3 . Образец непрерывнолитой трубной заготовки 3 (72), 2013 / 123 щей дорна составляла 1°, 30’, 15’ . В результате наилучшее качество отливки и стабильность про- цесса литья были достигнуты при применении дорна с конусностью 30’ . Температуру поверхности отливки на выходе из кристаллизатора измеряли контактной термопа- рой . При длине рывка 10 мм и скорости литья 0,1 м/мин температура составляла 80–100 °С . Моделирование тепловых полей отливки и кристаллизатора в процессе литья. Для моде- лирования распределения температурного поля в отливке и кристаллизаторе использовали матема- тическую модель [1, 2] . Конструкция кристаллиза- тора в данном случае была аналогична конструк- ции в [3], температура воды в рубашке охлаждения кристаллизатора тоже была близкой . Поэтому для определения эффективного коэффициента тепло- отдачи на границе «графитовая вставка – вода» ис- пользованы аналогичные значения . Также анало- гичные значения использованы для определения коэффициента теплоотдачи в начале кристаллиза- тора на границе «расплав бронзы – графит» . Коэф- фициент теплоотдачи в конце кристаллизатора определяли из показаний контактной термопары методом деления отрезка пополам, аналогичным в [4] . При данной конструкции кристаллизатора коэффициент теплоотдачи на выходе из кристал- лизатора уменьшается сильнее по сравнению с процессом литья сплошной заготовки . Для про- ведения расчетов использованы теплофизические данные, приведенные в [5, 6] . На рис . 4, а, б показаны изотермы в отливке и графитовой вставке кристаллизатора при различ- ных скоростях литья . Как видно из рис . 4, а, при скорости литья менее 0,1 м/мин формирование от- ливки начинается в неохлаждаемой зоне кристал- Рис . 4 . Изотермы в отливке и графитовой вставке кристаллизатора при скорости литья 0,1 м/мин (а) и 0,2 м/мин (б) 3 (72), 2013 124 / лизатора (линиям солидус, ликвидус соответству- ют изотермы 1100, 1260 К), при этом может прои- зойти перемерзание питающего канала кристалли- затора и коробление отливки, что может нарушить стабильность процесса литья . В случае скорости литья большей 0,2 м/мин (рис . 4, б) формирование отливки выходит за пределы дорна (длина дорна 180 мм), что может привести к плохому качеству внутренней поверхности трубной отливки и пре- кращению процесса литья вследствие проплавле- ния корки отливки . На рис . 5 показаны температуры наружной по- верхности отливки и кристаллизатора при различ- ных скоростях литья . При максимально возможной скорости литья даже на выходе из кристаллизатора имеет место существенный перепад температур между отливкой и графитовой вставкой . На рис . 6 (вверху) приведено цветовое отображение тем- пературного поля в отливке и кристаллизаторе в установившемся режиме литья и аппроксимация скорости убывания температуры в отливке ярко- стью (внизу) . Проведен экспериментальный и расчетный те- пловой анализ работы установки непрерывного литья бронзовых трубных заготовок . Показано, что стабильный процесс литья трубных заготовок с на- ружным диаметром 109 мм и внутренним диаме- тром 80 мм протекает при скоростях литья 0,1– 0,2 м/мин при шаге вытяжки отливки 10–20 мм и температуре расплава в миксере 1140 °С . Рис . 5 . Температура поверхности соответственно отливки и графитовой вставки кристаллизатора: 1, 2 при скорости литья 0,1 м/мин; 3, 4 – 0,15; 5, 6 – 0,2 м/мин Рис . 6 . Цветовое отображение температурного поля в от- ливке и кристаллизаторе в установившемся режиме литья (верх); аппроксимация скорости убывания температуры в отливке (низ), яркость пропорциональна скорости Литература 1 . М а р у к о в и ч Е . И ., Б р а н о в и ц к и й А . М ., Х а р ь к о в В . А . Двухмерная математическая модель для расчета затвердевания цилиндрической непрерывной отливки // Литье и металлургия . 2002 . № 1 . С . 27–30 . 2 . М а р у к о в и ч Е . И ., Б р а н о в и ц к и й А . М ., Л е б е д и н с к и й Ю . А ., Ч е ш к о Л . В . Оценка тепловых потоков в осевом направлении при непрерывном литье трубной заготовки // Литье и металлургия . 2003 . № 1 . С . 81–85 . 3 . М а р у к о в и ч Е . И ., Б р а н о в и ц к и й А . М ., Л е б е д и н с к и й Ю . А ., Д е м е н т ь е в В . А . Численное модели- рование затвердевания непрерывнолитой бронзовой отливки // Литье и металлургия . 2009 . № 3 . С . 57–60 . 4 . Б р а н о в и ц к и й А . М ., С т а н ю л е н и с Ю . Л ., Л е б е д и н с к и й Ю . А Уточнение коэффициентов теплопере- дачи для решения задачи затвердевания цилиндрических непрерывнолитых заготовок с использованием экспериментальных температурных данных кристаллизатора в установившемся режиме литья // Литье и металлургия . 2005 . № 1 . С . 91–93 . 5 . Ч и р к и н В . С . Теплофизические свойства материалов ядерной техники . М .: Атомиздат, 1968 . 6 . ASM ready reference . Thermal properties of metals / prepared under the direction of the ASM International Materials Properties Database Committee; Fran Cverna, technical editor . Materials Park, Ohio: ASM International, 2002 .