глава 2), позволяющую прогнозировать развитие кристаллизации слитка при наличии ВХ, можно поставить задачу определения рациональных параметров внутреннего холодильника.
При этом сформулируем некоторые условия кристаллизации слитка, которые должны быть обеспечены в результате применения макрохолодильников [6,61]:
- элементы внутреннего холодильника не должны расплавляться в процессе заполнения изложницы расплавом стали;
- средняя скорость продвижения изотерм солидуса и ликвидуса в затвердевающем расплаве, в значительной мере регулирующая дисперстность дендритного строения, должна находиться в определенных пределах;
- полная длительность затвердевания слитка при наличии ВХ должна составлять определенную долю (например, 0,6-08) длительности затвердевания слитка в обычных условиях, т.е. без ВХ.
Кроме улучшения ряда механических свойств стали в литом металле, армирование стальных слитков заметно снижает головную обрезь вследствие уменьшения усадочной раковины. Обычно рекомендуют принимать массу внутреннего каркаса 2-5% от массы слитка, в некоторых случаях (для массивных слитков) - до 10 % и выше [112-116].
Правильный выбор размеров и массы внутренних холодильников имеет большое значение, так как если масса их будет недостаточна, то усадочная раковина останется большой. Если же масса их слишком велика, то будет иметь место неполное расплавление холодильника или неполное сваривание поверхности холодильника с основным металлом. Хорошая свариваемость внутреннего холодильника с разливаемой сталью также связана с окисленностью их поверхности, а также с правильностью их расположения в слитке, гарантирующей равномерный прогрев холодильника до подплавления и не мешающей удалению газов. Все это предопределяет применение внутренних холодильников, главным образом, для крупных и массивных отливок
[112-116].
Расчет внутренних холодильников для плоских и цилиндрических стальных слитков проводили на основании теплового баланса между холодильником и частью жидкого металла, затвердевающего за счет отдачи теплоты холодильнику [6, 61]. При этом толщину холодильника можно найти из условия, что за время затвердевания металл внутреннего холодильника нагревается до температуры плавления, что обеспечит хорошее сцепление поверхности ВХ с материалом слитка.
Для плоских холодильников и слитков половина толщины внутреннего холодильника:
, (5.1)
где - толщина слоя металла, затвердевшего со стороны ВХ; - начальная температура холодильника; ; - теплота кристаллизации ВХ; - температура расплава стали; - температура кристаллизации стали; - температура солидуса стали; - температура кристаллизации стали; - коэффициент пропорциональности.
Если то величину можно выразить через полную толщину слитка , эквивалентную толщине слоя, затвердевшего со стороны стенки изложницы , и радиуса холодильника уравнением [6,61]
. (5.2)
Таким образом, для плоского слитка получим отношение диаметра внутреннего холодильника к размеру слитка:
, (5.3)
где - толщина слоя металла, затвердевшего со стороны изложницы.
Применение плоских холодильников при затвердевании слябовых, тем более, квадратных и круглых слитков с точки зрения свариваемости менее эффективно, чем в виде круглой арматуры [6,61].
Для круглого внутреннего холодильника уравнение теплового баланса имеет вид:
. (5.4)
При тех же условиях, что и для плоского, после простых преобразований из соотношения (5.4) получим для круглого слитка отношение диаметра внутреннего холодильника к размеру слитка
, (5.5)
где - диаметр внутренней части квадратного или круглого слитка.
Основываясь на зависимостях (5.2) и (5.5), получим, что размер холодильника, согласно тепловому балансу затвердевания армированного слитка, имеет следующее ограничение:
. (5.6)
При этом из соотношений (5.2) и (5.5) получим, что толщина корочки стали намораживается на ВХ согласно следующей зависимости:
(5.7)
Подставляя теплофизические параметры задачи в (5.6), получим, что диаметр холодильника, при предварительной оценке, необходимо брать в пределах . Точность такой оценки размера внутреннего холодильника недостаточна, и поэтому необходимо корректировать размер ВХ в ходе решения задачи затвердевания армированного слитка.
Основываясь на предварительных тепловых балансовых расчетах, которые приведены выше, выполнены вычислительные эксперименты по определению рациональных параметров армирования слитков с применением ВХ.
При этом анализ полученных расчетов, показал, что ВХ с диаметром менее 40мм почти полностью расплавляется при заливке расплава сверху и поэтому не может применяться для получения армированного слитка в виду принятых выше допущений при формировании слитка.
5.2. Конвективный теплообмен при заливке расплава в изложницу
Разливка металла сверху приводит к возникновению, как естественной тепловой конвекции - вследствие теплоотвода с внешних границ изложницы, так и вынужденной - воздействие струи расплава (рис. 5.1).
При формировании слитка с ВХ большое значение имеет влияние гидродинамических процессов на ход затвердевания (рис. 5.1а). Распространение заливочной струи (5) в расплаве (6) вызывает конвекцию во всем объеме расплава и, прежде всего, способствует нагреву холодильника (4) и изложницы (1). При этом вследствие теплоотвода через стенку изложницы (1) затвердевает расплав (2), а у фронта затвердевания образуется двухфазная зона (9). Происходит перераспределение температуры в объеме слитка за счет восходящих (более горячих) потоков расплава (7) и нисходящих (более холодных) потоков расплава (8) у стенки изложницы (1) и затвердевающей корочки слитка (2). Это основные аспекты формирования армированного слитка.
Представим сравнительный анализ формирования армированного и обычного слитка при влиянии конвекции и при ее отсутствии (рис. 5.1).
а)
б)
в)