Материал: Теория литейных процессов.

Таким образом, заполняемость зависит от жидкотекуччести, конструкции формы, ее размеров, расположения отдельных элементов, способа подвода металла и условий литья и др.

6.11. Охлаждение металла при разливке

Важнейшим фактором, определяющим охлаждение металла при разливке, является температура печи перед выпуском.

При выпуске металла из печи в ковш его теплота теряется за счет охлаждения потока в желобе и струе. Основное количество теплоты отводится с поверхности потока излучением, интенсивность которого по закону СтефанаБольцмана пропорциональна разности температур тела и окружающей среды в

четвертых степенях г1Ш= (/,„-О* При выпуске стали из мартеновских или электрических печей емкостью

15-35 т среднее снижение температуры для стали при выпуске в ковш составляет 30-60 °С, для чугуна - 10-30 °С.

Потери температуры при выпуске из печи цветных сплавов сравнительно невелики.

Охлаждение сплава в ковше происходит за счет нагревания его стенок и излучения с поверхности жидкого сплава. Интенсивность охлаждения, прежде всего, зависит от массы металла (табл. 6.13).

Таблица 6.13

Зависимость интенсивности охлаясдения расплава от емкости ковша (время выдержки -15 мин)

Чем выше температура предварительного нагрева ковша, тем медленнее охлаждается металл (табл. 6.14).

Таблица 6.14

Влияние времени разогрева ковша коксом на скорость охлаждения стали

_________ (4,5 т стали в ковше за первые 15 мин после выпуска)____________

оказать слой шлака, выпускаемого из печи на поверхность металла (табл. 6.15).

Таблица 6.15

Влияние толщины слоя ишака в ковше на скорость охлаждения

________ (6 т стали в ковше за 20 мин после выпуска)______________

Для оценки падения температуры стали в ковше В. Г. Грузин предложил следующую полуэмпирическую формулу:

где АГ - падение температуры за время г, Г,,,.,,, и ГКов - температуры металла соответственно при выпуске и внутренней поверхности ковша перед выпуском; G - масса металла в ковше, т.

Вопросы для самоконтроля знаний

1.Охарактеризовать законы гидростатики (Закон Паскаля и Архимеда) и их применение

влитейном производстве.

2.Охарактеризовать законы гидродинамики (Законы постоянного расхода и Бернулли) и их применение в литейном производстве.

3.Классификация способов заливки форм.

4.Элементы литниковой системы и их назначение.

5.Способы подвода литников в полость формы в зависимости от массы, высоты, толщины стенки и вида заливаемого металла.

6.Основные принципы расчета литниковых систем для стального и чугунного литья и литья цветных металлов (медных, алюминиевых, магниевых и др.).

7.Виды местных сопротивлений и соответствующих потерь гидростатического напора.

8.Физика течения и структура потоков жидких металлов.

9.Расчет течения металла из ковша и заполнения формы.

10.Движение неметаллических частиц в потоке расплава и их задержание.

11.Схемы специальных шлакоуловителей.

12.Конструкция литниковой системы для создания условий задержания неметаллических частиц.

13.Жидкотекучесть металла и заполняемость форм. Пробы для определения жидкотекучести.

14.Какие факторы влияют на жидкотекучесть металлических сплавов?

15.Какие факторы влияют на охлаждение металла при разливке?

ГЛАВА 7. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ С ГАЗАМИ, МАТЕРИАЛАМИ ТИГЛЕЙ И ФУТЕРОВКОЙ ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

7.1.Происхождение, основные закономерности растворения газов и взаимодействия металлических расплавов с газами

Газовой средой, в которой осуществляется плавка, могут быть воздух, продукты сгорания органического топлива, содержащие оксиды углерода, пары воды, оксиды серы, несгоревшие углеводороды, а также искусственно создаваемая атмосфера различных газов. Газовой фазой при плавке может быть вакуум-среда с очень малым содержанием газа, характеризуемая так называемым остаточным давлением, доводимым до Ю^-КГ* Па. В любом случае в газовой среде над расплавом имеются пары самого металла, парциальное давление которых определяется температурой расплава.

Таким образом, в обычных условиях выплавки невозможно получить расплавы (стали, чугуны, цветные сплавы), не содержащие газы (азот, водород, кислород). Это связано с тем:

что, во-первых, любой шихтовой материал, применяемый для плавки, содержит газы;

во-вторых, по ходу обычной открытой плавки неизбежен контакт расплава с газовой фазой, содержащей N, Н, О или водяные пары, и газы могут растворяться в жидком металле.

Соприкосновение металлического расплава с газовой средой вызывает различные процессы, направленные в сторону достижения равновесия между соприкасающимися средами. Результатами этих процессов чаще всего являются загрязнение металлического расплава различными растворимыми и нерастворимыми примесями (включениями) или очищение расплава от загрязнений вследствие перехода их в газовую среду.

Содержание газов в металлах принято выражать в процентах по массе, мольных процентах или долях, а также объемом газа в 1 см , приходящимся на 100 г металла. В последнем случае весь содержащийся в металле газ считают выделенным в свободном состоянии и приведенным к нормальным условиям (температура 20 °С и давление 1,0МО5 Па).

Если чистый жидкий металл достаточно долго соприкасается с газовой средой и развиваются процессы, направленные к достижению равновесия, то возможны следующие три типа изменения в составе и состоянии жидкой фазы:

1. Газовая фаза инертна по отношению к жидкому металлу, поэтому н происходит ни растворения газа в расплаве, ни образования каких-либо соединений. Сюда относится случай с достаточно малой растворимостью, не имеющей значения для процесса плавки металлов. Так, отсутствует взаимодействие между любым металлом и любым инертным газом нулевой

группы периодической системы Д. И. Менделеева, а также в некоторых системах металл (Sn, Pb и др.)-водород, металл (Си, Ag, Zn и др.)-азот.

2. Газы проявляют значительную растворимость в расплаве и определяют технологию плавки. В расплаве образуются насыщенный газами жидкий раствор и газовая фаза. По достижении в расплаве предельного содержания газа начнется образование химического соединения между газом и металлом. Для процесса плавки определяющим обстоятельством является именно образование раствора газа в жидком металле. Данный тип взаимодействия наблюдается во многих системах металл-водород.

3. Взаимодействие жидкого металла с газом выражается в образовании устойчивых химических соединений металл-газ из-за малой растворимости его в жидкой фазе, что наблюдается во многих системах металл - кислород (А1-0:, M g-02 и др.).

Тип взаимодействия жидкого металла с газом определяется природой металла и газа, температурой и давлением газа над расплавом.

Процесс взаимодействия жидкого металла с газами состоит из нескольких стадий. Поступление молекул газа к поверхности жидкого металла обеспечивается путем молекулярной диффузии и конвективного массопереноса в нем. При давлении 104 Па и более массоперенос осуществляется в основном конвекцией.

Следующая стадия - переход молекул газа на поверхность расплава. Этот процесс называется адсорбцией. При высоких температурах основная роль принадлежит активированной адсорбции или хемосорбции, которая выражается не только в осаждении молекул газа на поверхность расплава, но и в частичной их диссоциации на атомы. Об этом свидетельствует большая величина теплоты хемосорбции, близкая к теплоте диссоциации двухатомных газов.

Адсорбированные на поверхности расплава атомы газа либо диффундируют в глубь расплава, либо образуют химические соединения с металлом (пленка окислов). В последнем случае из-за нерастворимости образующегося окисла в расплаве нарастает слой окисла.

Скорость взаимодействия определяется, кроме прочих обстоятельств (например, пассивирующая способность металла), сплошностью (плотностью) этого слоя, которую можно оценить коэффициентом объема <р, равным отношению объемов моля оксида к грамм-атому металла. Если (р = 1,0-2,5, то образуется слой оксида плотный который и обладает защитными свойствами для проникновения атомов в глубь расплава. Если q> < 1, оксидный слой рыхлый (для MgO ср = 0,79), то доступ кислорода к расплаву остается свободным, и происходит дальнейшее окисление. При отношении ç > 2,5 (для W30 (р = 3,36) под влиянием большой разницы объемов оксида и металла возникают большие внутренние напряжения в оксидной пленке, приводящие к растрескиванию и свободному проникновению кислорода в расплав. Поскольку толщина слоя оксида непрерывно увеличивается, скорость взаимодействия будет уменьшаться. Так происходит, например, взаимодействие жидкого