РАЗДЕЛ 2
ФОРМИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЛЕНТЫ ПРИ РАЗЛИВКЕ РАСПЛАВА НА БАРАБАН
2.1. Анализ процесса формирования ленты по критериям подобия
Поскольку метод CBMS или PFC является основным способом производства аморфных и микрокристаллических лент, проведен его анализ, используя расчет гидродинамических и теплофизических критериев подобия.
Целесообразность такого анализа обусловлена быстротечностью процесса, сложностью экспериментального определения некоторых его характеристик, отсутствием единой точки зрения на механизм формирования ленты и необходимостью прогнозировать поведение расплава при различных технологических схемах разливки. К настоящему времени весь комплекс факторов и параметров, влияющих на формирование ленты, рассматривался в ограниченном числе исследований [21, 22, 32, 35, 83, 84, 86, 96, 176, 177].
Использовали известную [177] общую схему одновалковой разливки расплава с ее условным разделением на этапы. В соответствии с ней формирование ленты выглядит следующим образом (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Схема одновалковой разливки расплава (обозначения в тексте).
Расплав 1 из тигля 2 вытекает сплошным потоком через сопло 3 в нижней части тигля и попадает на поверхность вращающегося барабана - кристаллизатора 4. На этой поверхности образуется лужица - ванна расплава 5 [32, 35, 83, 177], из которой вытягивается жидкий слой определенной толщины, который затвердевает на барабане в виде ленты 6. Лента сначала находиться в тесном контакте с поверхностью барабана, а затем отделяется от нее (самопроизвольно или принудительно). В результате есть четыре четко выраженные стадии процесса.
Первая стадия объединяет расплав в тигле, его течение в канале сопла, формирование струи 7 или плоского потока. Её "границей" является жидкая ванна (CBMS) или нижняя плоскость сопла (PFC) (рис. 2.2).
а) б)
Рис. 2.2. Схемы разливки расплава методом CBMS (а) и PFC (б).
При CBMS (рис. 2.2 а) есть четко выраженная струя расплава между соплом и поверхностью барабана. Разливка идет через круглые отверстия, и получаются узкие (0,5 - 2 мм) ленты. При PFC (рис 2.2 б) - щелевое сопло максимально близко к барабану, его нижняя плоскость ("прижимает") верхнюю (свободную) поверхность жидкой ванны и ленты имеют ширину более 5 мм. Плоская струя существует только в пределах канала сопла и провести процесс по схеме (рис. 2.2 а) невозможно из-за её деформации вследствие поверхностного натяжения [83, 178].
Вторая стадия - ванна расплава на поверхности барабана, которая начинается в точке О и завершается в некоторой условной точке А, где
находится уже полностью затвердевший слой металла, т.е. лента (рис. 2.1, 2.2).
Третья стадия - контакт ленты с поверхностью барабана до точки отрыва
(на рис. 2.1 и 2.2 между точками А и В).
Четвертая стадия - поведение ленты и процессы, протекающие в ней после отрыва от охлаждающей поверхности (на рис. 2.1 и 2.2 правее точки В).
Для процессов и явлений каждой из обозначенных стадий можно выделить ведущие гидродинамические или теплофизические факторы, которые существенно влияют на формирование ленты в целом.
Очевидно, что первая стадия характеризуется только гидродинамическими критериями подобия и имеют значение лишь условия течения расплава через сопло, а его поведение в тигле при плавлении менее важно по сравнению с ними. Основной параметр этой стадии - скорость расплава в канале сопла или в струе, т.к. она определяет расход расплава.
Вторая стадия (ванна расплава - отрезок ОА на рис. 2.1 и 2.2) характеризуется одновременным протеканием гидродинамических и теплофизических явлений и наиболее сложна для анализа. С одной стороны, "жидкая ванна - лужица" - это своеобразный резервуар на поверхности барабана, куда из сопла заданной геометрии постоянно подводится с определенной скоростью расплав, резко меняющий направление течения, и справедливы оценки гидродинамических критериев. С другой стороны, расплав с определенной температурой (как правило, выше 10000С) вытягивается из ванны в виде слоя, который при постоянном контакте с поверхностью барабана - кристаллизатора интенсивно охлаждается, превращаясь в ленту, и правомерно изучение теплофизических критериев подобия.
Третья и четвертая стадия - охлаждение сформировавшейся ленты на барабане или в окружающей этот барабан среде (как правило, газовой), движущейся относительно ленты с высокими скоростями (~ 10 - 40 м/с). Поэтому справедлив анализ только теплофизических критериев.
Для оценки числовых значений критериев подобия на всех стадиях процесса использовали теплофизические константы, характеристики материалов и технологические параметры, представленные в таблицах 2.1 и 2.2.
Таблица 2.1
Физические константы и технологические параметры
Наименование параметраОбозна-чениеДиапазон значенийРазмер-ностьИсточник информа-цииТеплопроводность воздуха0,026Вт/м·град. [179]Температуропроводность воздуха2·10-5м2/с [179]Кинематическая вязкость воздуха1.45·10-5м2/с[179]Скорость звука в воздухе340 м/с [180]Скорость звука в расплаве2000м/с[181]Гравитационная постоянная981м/с2[180]Перепад температур от
Трасплава до Тбарабана(0,9?1,5)·103°C[96]Теплопроводность барабана (подложки) *16?400Вт/м·град.[182]Линейная скорость барабана10?40м/с[35]Диаметр или ширина сопла0,5?2мм[35]Рабочий зазор0,05?1мм[37]Избыточное давление0,05?1атм.[35, 64, 176]Толщина ленты10?80мкм[64]Скорость струи расплава 0,5?5м/с[35, 64, 176, 177] Примечание. "*" От нержавеющей стали до меди.
Таблица 2.2
Характеристики расплава и ленты
Наименование параметраОбо-зна-че-ниеДиапазон значенийЕдиницы измеренияИсточник инфор-мацииПримечание
(состав)123456Плотность расплава5?8г/см3[177] Кинематическая вязкость расплава(0,5?1,75)·10-2см2/с[177,
183 - 185]Fe-P, Fe-C, Ni-Al, Ni-Si (1,3?1,5) 10-2см2/с[160, 177]Аморфизующиеся сплавы ~0,2·10-