RU135551U1 - Модель изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков - Google Patents

Abstract

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 α=42-116°, отличающаяся 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 угол наклона внутренней стенки прибыльной надставки к боковой стенке металлического каркаса составляет β=23-45°.

Description

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 - 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 не разъемной, что не позволяет менять конфигурацию модели изложницы.

Известно устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в изложнице (Патент, Российская Федерация, №114281, B22D 07/06 - опубл. 20.03.2012). Основное отличие данного устройства заключается в том, что 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: Н_изл/О_ср=1,1÷1,5, где Н_изл - высота изложницы от плоскости вогнутой части до основания прибыльной надставки, см; D_cp - средний диаметр изложницы, см.

Однако предлагаемое устройство не позволяет исследовать процесс кристаллизации слитка в условиях интенсивного теплоотвода в головной части.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для исследования процесса кристаллизации слитков в модели изложницы (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, отличающиеся тем, что металлический каркас выполнен разъемным из донной части и боковых стенок, соединенных с донной частью шарнирно с возможностью наклона от 42° до 116°.

Однако в предлагаемой 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 надставки и отношением высоты к среднему диаметру тела слитка H/D в условиях интенсивного теплоотвода от прибыльной надставки, который увеличивает скорость кристаллизации слитка в головной части, 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 и ускоренной кристаллизации в головной части 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 α=42°-116°, 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 угол наклона внутренней стенки прибыльной надставки к боковой стенке металлического каркаса β=23°-45°.

Выполнение прибыльной надставки водоохлаждаемой 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. Подвод воды к прибыльной надставке позволяет добиться максимального теплоотвода именно в головной части для обеспечения ускоренной кристаллизации моделирующего вещества от стенок прибыльной надставки. Изменение угла наклона внутренних стенок прибыльной надставки к боковой стенке металлического каркаса Р в заданных пределах позволяет изменять диаметр усадочной раковины и ее протяженность в теле слитка, что позволяет прогнозировать развитие усадочных дефектов в реальном слитке для полых поковок с изменением формы и размера прибыльной надставки.

Модель изложницы для исследования процесса кристаллизации слитков позволит задавать геометрические параметры слитков с различной конусностью тела слитка, объемом прибыльной надставки и отношением высоты к среднему диаметру тела слитка H/D в условиях интенсивного охлаждения и ускоренного затвердевания головной части.

Перемещение боковых стенок устройства на значение угла наклона равное 42° позволит задавать геометрические параметры модельного слитка с максимальной конусностью уширенного кверху, а при угле наклона равным 116° геометрические параметры модельного слитка уширенного книзу.

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 №1 с захоложенной головной частью. На фиг.6. показан закристаллизовавшийся модельный слиток №2 с захоложенной головной частью. На фиг.7 показан закристаллизовавшийся модельный слиток №3, полученный в модели-прототипе. Устройство представляет собой плоскую модель изложницы, содержащую металлический каркас с водоохлаждаемыми полостями 1, выполненный разъемным из трех частей, состоящий из донной части 2 и боковых стенок 3, 4, соединенных с ней с помощью шарниров 5, формирующие контур слитка; прибыльную надставку 6, выполненную из материала с высокой теплопроводностью (алюминия); штуцеры для подвода 7 и отвода 8 воды в полости боковых стенок металлического каркаса. С помощью шлангов 9, соединяются водоохлаждаемые полости 1 донной части 2 устройства с водоохлаждаемыми полостями 1 боковых стенок 3, 4. С помощью шлангов 10 вода подводится к штуцерам 11 из прибыльной надставки в водоохлаждаемые полости 1 боковых стенок 3 и 4. Крепеж боковых стенок 3, 4 к донной части 2, между которыми установлен шарнир 5, осуществляют с помощью хомутов 12 и контргаек 13, которые позволяют с помощью шарнира 5 задавать различную конусность тела слитка, как в положительную, так и отрицательную стороны, перемещая боковые стенки 3, 4. Стяжные болты 14 расположенные по периметру металлического каркаса и струбцины 15, расположенные на боковых стенках 3, 4, позволяют плотно прижимать прозрачные органические стекла 16 с обеих сторон устройства. Модель-изложница устанавливается на неподвижную опору 17. Отвод воды из устройства осуществляется через штуцер 18. 19 - внутренняя полость устройства с моделирующим веществом.

В таблице 1 показано соотношение объема тела и прибыльной надставки модельных слитков и значение углов наклона внутренней стенки прибыльной надставки к боковой стенке металлического каркаса. На модельных слитках (фиг.5, фиг.6, фиг.7) показаны структурные зоны: 20 - зона столбчатых кристаллов, 21 - нижняя конусообразная структурная зона, 22 - зона различноориентированных кристаллов, 23 - зона осевой рыхлости, 24 - усадочная раковина.

Таблица 1.
Тип слитка	Слиток №1	Слиток №2	Слиток№3
Объем тела слитка, %	81,3	71	63,3
Объем прибыльной надставки, %	18,7	29	36,7
Угол наклона стенки прибыльной надставки к боковой стенке металлического каркаса β	45°	23°	5°

Устройство работает следующим образом:

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 устройства 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.

Перед заливкой моделирующего вещества, устройству задаются его геометрические параметры.

Конусность тела слитка рассчитываются по формуле 1,

где H_т.сл. - высота тела слитка, см;

D_вepx, D_низ - диаметр верхнего и нижнего основания тела слитка, см.

По формуле 2 рассчитывается отношение высоты к среднему диаметру тела слитка H/D:

где Н_т.сл. - высота тела слитка, см;

D_вepx, D_низ - диаметр верхнего и нижнего основания тела слитка, см.

После того как заданы геометрические параметры слитка, задаются геометрические параметры прибыльной надставки: угол наклона стенки прибыльной надставки к боковой стенке металлического каркаса и относительный объем.

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

После этого осуществляют процесс заливки моделирующего вещества, например натрий серноватистокислый (кристаллический гипосульфит) - Na₂S₂O₃×5H₂O, 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.

На фигурах 5, 6, 7 показано развитие и расположение усадочных дефектов, в таблице 2 показаны характеристики расположения и протяженности усадочных раковин в теле модельных слитков.

Таблица 2.
Тип слитка	Протяженность усадочной раковины, мм	Диаметр усадочной раковины на середине длины, мм	Диаметр усадочной раковины на верхнем горизонте слитка, мм	Относительная протяженность усадочной раковины в теле слитка, %
Слиток №1	209	88	102	40,8
Слиток №2	168	118	139	35,5
Слиток №3	72	143	238	0

Сравнивая между собой модельный слиток №3, полученный в модели-прототипе, и опытные модельные слитки №1 и №2, установлено, что протяженность усадочной раковины в опытных слитках значительно больше, но сама усадочная раковина имеет меньший диаметр, что вызвано ускоренным нарастанием твердой фазы от стенок прибыльной надставки, благодаря выполнению прибыльной надставки водоохлаждаемой. Такая ускоренная кристаллизация моделирующего вещества в прибыльной надставке приводит к тому, что слиток в осевой зоне оказывается обедненным расплавом и, как следствие, вызывает проникновение усадочной раковины в тело слитка на значительную глубину. Изменение угла наклона (внутренней стенки прибыльной надставки к боковой стенке металлического каркаса в заданном диапазоне 23°-45° обусловлено особенностями развития и расположения усадочной раковины в теле слитка, т.к. именно при таких параметрах формируется усадочная раковина, характеризующаяся необходимыми значениями диаметра на середине длины и протяженностью, позволяющая контролировать и прогнозировать развитие усадочных дефектов в слитках для полых поковок.

Увеличение угла наклона (внутренней стенки прибыльной надставки к боковой стенке прибыльной надставки более 45(не позволяет в достаточной степени обеспечить захолаживание и ускоренную кристаллизацию в головной части слитка, что не позволяет прогнозировать расположение и развитие усадочных дефектов в реальных слитках для полых поковок. В свою очередь уменьшение угла β менее 23° приведет к тому, что усадочная раковина станет менее протяженной по высоте и большей в диаметре, что нецелесообразно при моделировании кристаллизации слитка для полых поковок.

Таким образом, моделирование позволяет определить наиболее рациональный относительный объем прибыльной надставки и угол наклона прибыльной надставки к боковой поверхности металлического каркаса, позволяющие получить модельный слиток с максимально протяженной и узкой усадочной раковиной. В дальнейшем наиболее рациональная конструкция модели изложницы может быть применима при конструировании изложницы для отливки реальных слитков для полых поковок, с целью получения минимального количества отходов.

Предлагаемое устройство позволяет изучать процессы, происходящие при затвердевании и структурообразовании модельных слитков с различной конусностью тела слитка, объемом прибыльной надставки и отношением высоты к среднему диаметру тела слитка Н_изл/D_ср в условиях интенсивного охлаждения и ускоренного затвердевания головной части, что позволит исследовать влияние ускоренного затвердевания головной части на процессы кристаллизации и структурообразования и прогнозировать расположение и развитие усадочных дефектов при производстве слитков для полых поковок.

Claims (1)

1. 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 α=42-116°, отличающаяся 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 угол наклона внутренней стенки прибыльной надставки к боковой стенке металлического каркаса составляет β=23-45°.

   

Images