автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Исследование теплообмена при получении плакированных листовых заготок линейным методом и разработка установки

На правах рукописи "Для служебного пользования"

Лепехин Александр Альбертович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ПЛАКИРОВАННЫХ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК ЛИТЕЙНЫМ МЕТОДОМ И РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ

Специальность: 05.14.04 - промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец, 1998 г.

- г -

Работа выполнена на кафедре металлургических технологий Череповецкого государственного университета и в ОАО "СеверСталь"

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, академик Нью-йоркской академии наук Шестаков Н.И.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор, засл.

деятель науки и техники РФ Гарбер Э.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Аншелес В. Р.

кандидат технических наук Иванов Ю. И. Ведущее предприятие - ОАО "ЧСПЗ"

Защита диссертации состоится марта 1998 г. в 14.00 ч. на заседании диссертационного совета К 064.79.01 при Череповецком государственном университете

Ваш отзыв, заверенный гербовой печатью, просим направить по адресу: 162602, г. Череповец Вологодской обл., Советский пр., 8, Череповецкий государственный университет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан '>42" февраля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук.

профессор, член-корр. РАЕ _ -—а.К.Кабаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

г

Актуальность работы Развитие металлопотребляющих отраслей промышленности предопределило значительный рост требований к качеству продукции, улучшению свойств металла, созданию металлов и сплавов с уникальными служебными свойствами. Получение многослойных заготовок позволяет использовать главное"преимущество плакированного металла - возможность создания композиций, обладающих такими эксплуатационными характеристиками, которые невозможно получить на отдельно взятых металлах или сплавах. Одним из наиболее распространенных сочетаний при получении плакированных металлов являются композиции углеродистых и коррозионностойких марок стали, что позволяет, одновременно, защитить металл от воздействия агрессивных сред и придать ему необходимую конструкционную прочность.

В этой связи решение практической проблемы получения плакированных листовых заготовок (приближенных к конечным размерам сортамента выпускаемой продукции) связано с изучением возможностей получения неразьемного соединения разнородных сталей при осуществлении технологий, связанных с непрерывными методами литья. Такой подход к процессу плакирования позволяет снизить предоперационные издержки, упростить конструкции установок, сократить технологический цикл процессов получения заготовок.

Целью работы является исследование теоретических и практических аспектов операции намораживания расплава на твердую подложку, изучение теплообмена на границе твердое-жидкое в зоне свариваемости разнородных сталей и разработка установки для получения листовых заготовок литейным методом.

Методы исследования. Работа выполнена на основе комплексных натурных, лабораторных и теоретических исследований процесса получения плакированных листовых заготовок методом намораживания с применением математического моделирования процессов теплообмена на границе твердое-жидкое и отработкой инженерной методики моделирования технологии литейного плакирования.

Научная новизна работы 1. Разработана математическая модель тепловых процессов, протекающих при литейном плакировании методом намораживания плакирующего слоя на стальную ленту-основу по схеме "жидкое+твер-

дое+жидкое". При реализации этой модели установлены закономерности намораживания, две стадии которого связаны с резким ростом толщины получаемого слоя покрытия после первоначального контакта ленты и расплава и его постепенного подплавления по мере развития тепловых процессов на границе твердое-жидкое.

2. Установлена функциональная зависимость получения максимальных значений протяженности плакирующего слоя с технологическими параметрами процесса намораживания: температурой нагрева металла и расплава, продолжительностью контакта жидкого металла с формирующейся заготовкой.

3. Путем физического моделирования доказана принципиальная возможность получения плакированных листовых заготовок композиции "нержавеющая-углеродистая сталь" с помощью методов непрерывного литья.

4. Установлена функциональная связь конструктивных, технологических и теплофизических параметров процесса литейного плакирования заготовок в форме уравнения, связывающего основные критерии и безразмерные комплексы (модифицированный критерий Стефана, критерий Коссовича, критерий трансляционного теплопереноса, безразмерную протяженность намороженного слоя по отношению к толщине основы).

5. Установлено, что с повышением температуры нагрева расплава и стальной подложки скорость роста плакирующего слоя изменяется в сторону понижения. При этом уменьшаются значения максимально возможной толщины получаемого слоя покрытия.

6. Предложен способ и алгоритм расчета температурного поля по всей толщине плакированной заготовки.

7. Выявлены диапазоны технически реализуемых технологических параметров процесса намораживания.

Практическая ценность работы

1. Разработана опытно-промышленная установка для получения плакированных листовых заготовок методом намораживания коррозион-ностойкой марки стали (08Х18Н10Т) на твердую углеродистую основу (Ст. 3) при перемещении стальной ленты через жидкий металл в направлении снизу вверх.

2. Разработана инженерная методика проектного расчета при получении плакированных заготовок методом намораживания на вертикальной установке непрерывного литья.

Реализация результатов исследований Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также опытно-промышленная установка для получения плакированных листовых заготовок прошли проверку на ОАО "СеверСталь".

Апробация работы Основные разделы работы докладывались на межреспубликанской научно-технической конференции "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин" (г. Волгоград, 1990 г.); на всесоюзном семинаре "ресурсосбережение при производстве листового проката" (г. Донецк, 1990 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы кристаллизации сплавов и компьютерное моделирование" (г. Ижевск. 1990г.); на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам слитка "Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов" (г. Волгоград, 1990 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Металло- и энергосберегающая технология термической и химикотермической обработки" (г. Москва, 1990г.); на межреспубликанской научно-технической конференции "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин" (г. Волгоград. 1991 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки в машиностроении и металлургии" (г. Новокузнецк, 1991 г.); на научно-технической конференции "Кристаллизация. Компьютерные'модели." Экспертные технологии" (г.Ижевск. 1994г.)

Публикации. По • результатам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работах, 6 технических решений признаны изобретениями.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, библиографического списка из 105 наименований. Объем диссертации составляет 149 страниц ма-шиносписного текста. 38 рисунков. 3 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены современное состояние способов и конструктивные особенности установок для непрерывного литья пла-

кированных листовых заготовок, дан сравнительный анализ преимуществ и недостатков различных Методов плаи.роааиия.рассмотрены проблемы свариваемости сталей при получение ллакирозанного литья и выборе компонентов составляющих заготовс:'. освещены методы и приемы, позволяющие улучшить качество многослойных соединений, факторы, влияющие на повышение свариваемости и поведение теплообмена на границе твердое-жидкое.

Анализ литературных источников позволяет сделать следующие выводы:

1. Литейные способы плакирования заготовок, наиболее эффективна с точки зрения повышения производительности процесса, снижение энерго- и трудозатрат.

2. Применение установок непрерывной разливки стали в рамках литейного плакирования интенсифицирует процесс получения многослойных заготовок.

3. Наиболее перспективными, в этом случае, являются методы непрерывного литья, основанные на технологии намораживания плакирующего слоь Заго^ивкь из расплаза на твердую подложку.

4. Способы литейного намораживания металла на твердую основу позволяют получить заготовки, близкие по геометрическим размерам к конечной продукции, с удовлетворительным уровнем качества сварного соединения.

5. Теплофизическими параметрами процесса намораживания являются: температура нагрева жидкого металла и подложки, способ обработки контактных поверхностей основы, скорость ведения процесса.

6. Из номенклатуры пригодных для наморанивания сталей наиболее реально применение композиций типа: углеродистая-коррозион-ностойкая сталь для получения заготовок с антикоррозионным слоем покрытия.

3 связи с изложенным ставятся следующие основные задачи исследования:

1. Разработать математическую модель тепловых процессов, протекающих при литейном плакировании по схеме: "жидкое + твердое + жидкое".

2. Рассмотреть влияние теплофизических факторов процесса (температуры расплава, предварительного подогрева подложки и толщины основы) на продолжительность операции плакирования.

3. На основе проведенных исследований разработать технологию намораживания расплава на стальную ленту.

4. Определить оптимальные значения параметров намораживания посредством экспериментов на физической модели процесса.

5. Установить характер влияния различных параметрических характеристик процесса литейного плакирования на динамику роста слоя покрытия и качество соединения сталей.

6. На основе проведенных теоретических и практических исследований по отработке операций литейного плакирования разработать конструкцию установки по получению плакированных листовых заготовок методом "намораживания", уточнить основные технологические характеристики процесса.

7. По результатам теоретических и экспериментальных исследований по предложенной технологии разработать методику инженерного расчета основных технологических характеристик процесса "намораживания".

8. С учетом результатов исследований возможностей намораживания на установке непрерывного литья вертикального типа внести коррективы в конструкцию установки, технологическую схему процесса.

Во второй главе приводятся результаты математического моделирования процесса намораживания в рамках осуществления литейного плакирования. Исследуются вопросы, связанные с теплообменом, поведением температурного поля на границе твердое-жидкое.

В рамках осуществления литейного плакирования предложено использовать схему намораживания расплава нержавеющей стали на стальную подложку при вертикальном перемещении основы через плакирующий расплав.

В процессе отработки математической модели теплообмена при намораживании расплава на твердую подложку рассматривалось основное уравнение теплопроводности, определены начальные и граничные условия процесса. Оговорены возможности учета влияния конвекции в расплаве и теплоты кристаллизации.

Для удобства решения задачи расчета температурного режима намораживания расплава на твердую основу процесс рассматривается в пределах ограниченной области промежуточной ванны, где заметных изменений температуры в расплаве не фиксируется, ввиду существенно большего объема расплава по сравнению с основой.

Толщина ленты-основы варьировалась в пределах 0.5-?-2-1(Г3 с шагом 0,5 мм. исходя из номенклатуры стального холоднокатаного листа, получаемого в ОАО "СеверСталь".

В процессе математического моделирования операции намораживания рассматривалось плакирование расплавом стали марки 08Х18Н10Т (аустенитного класса) углеродистой основы (Ст.3).

Температуру нагрева расплава задавали в диапазоне 1520... 1620 °С, где крайние значения определяют, соответственно, температуру близкую к ликвидусу для нержавеющих марок стали и перегрев металла.

В рамках моделирования изучалось влияние предварительного подогрева ленты в диапазоне 20...600 °С на изменение продолжительности процесса плакирования.

В результате математического моделирования тепловых процессов плакирования было рассмотрено изменение толщины получаемого намороженного слоя Нпл. от длительности взаимодействия твердого и

жидкого металлов при заданных значениях толщины основы (60СН). температуры расплава (Тж), температуры нагрева ленты (Тосн).

Результаты математического моделирования приведены на рис. 1, 2. На рис. 1 представлены графические зависимости влияния продолжительности процесса плакирования на толщину получаемого намороженного слоя заготовки для ленты-основы босн=

6 ? 3 9 Ю // /2

Рис. 1. Влияние температуры нагрева расплава и основы на толщину получаемого покрытия: = 20; 200; 100 °С = 20; 200; 100 °С = 20; 200; 100 °С

1,4,5 2.6,7 3.8,9

Тх=1600 °С Тж=1570 °С Тж=1540 °С

= 1-10

-з

м.

В целом намораживание можно представить как процесс, состоящий из двух стадий:

- значительного увеличения толщины намороженного слоя на основе, вследствии высокой скорости кристаллизации расплава на лен-

те. предопределяемой разностью температурных характеристик компонентов в момент первоначального контакта;

- постепенного подплавления намороженного слоя металла в результате нагрева основы, снижения скорости кристаллизации жидкого металла на межфазной границе.

Максимальные значения роста кривых связаны со стабилизацией скорости кристаллизации расплава на ленте, нагревом металла основы до температур, не позволяющих снять перегрев жидкого металла на межфазной границе.

На кривых 1. 2. 3 представлен процесс намораживания расплава при взаимодействии последнего с основой, не подвергаемой предварительному подогреву.

Из графиков видно, что с уменьшением температуры нагрева расплава возрастает максимальная толщина намороженного слоя, увеличивается время, необходимое для полного расплавления закристаллизовавшегося металла.

Увеличение толщины основы (рис. 2) не изменяет характер зависимостей. Сравним кривые 3, 6, 9 полученные в результате моделирования процесса намораживания на "холодную" ленту расплава с невысокой степенью нагрева. С уменьшением толщины основы снижаются максимальные значения протяженности плакирующего слоя в результате быстрого выравнивания температурного поля по сечению ленты.

покрытия и сокращение продолжительности

Рис. 2. Влияние толщины подложки и температуры расплава на рост плакирующего слоя:

3,6,9 2,5,8 1,4,7

5осн=0.5

5ОСН=0,5

босн=0.5

1,0; 1,0; 1.0;

1.5-10-3 1,5-Ю"3 1,5-Ю"3

м; м; м;

Т=1540 °С Т=1570 °С Т=1600 °С

Уменьшение значений

максимальной толщины процесса плакирования

наблюдается и для кривых 2. 5, 8 (5ОСН=0,5; 1.0; 1,5-Ю"3 м) 1, 4, 7 с теми же босн при температурах нагрева расплава 1570 °С и выше.

Таким образом, с увеличением толщины ленты-основы плакирование должно производиться при более высоких температурах нагрева расплава, что позволяет невилировать влияние роста массового отношения основа/расплав на скорость намораживания.

Использование при намораживании расплава с недостаточно высокой температурой нагрева, ведет к увеличению продолжительности участка роста кривых до достижения максимальных значений толщины покрытия (Нпл.тах).

Таким образом, имеет место взаимосвязь между продолжительностью первого этапа плакирования, максимальной толщиной плакирующего слоя заготовки и временем (х), необходимым для полного оплавления намороженного слоя.

Время необходимое для достижения Нпл_гоаз! для каждой кривой определяет общую длительность процесса намораживания. Следовательно, чем больше Нпл.тах и т, тем более продолжительный временной отрезок, необходим для полного оплавления слоя намороженного

покрытия с учетом конкретных параметров

Т*' Тосн И босн-

Для выбора оптимальной скорости перемещения ленты-основы через расплав, а значит оптимальной продолжительности контакта твердого и жидкого металлов можно использовать данные распределения температурного поля по сечению заготовки на границе раздела фаз (рис. 3).

Рис.3. Температурное поле плакированной за- Рассмотрим расп-готовки: 1-Ро=0,03; 2-0,05; 3-0,10; 4-0,15; ределение температуры 5-0,30; е=(Тж-Т10)/(Т32-Т10); В=Х/б0

в 1.0

09 08 0.7 06

*

--V

2

05

1.0

0

2.0 В

по сечению заготовки

листовой

(б0 СН =

- и -

= 2,О•10"3 м) на первой стадии процесса "намораживания". Рос; плакирующего слоя при малых значениях числа Фурье идет интенсивно. С увеличением Fo, процесс намораживания практически приостанавливается.

При продолжительности контакта ленты с жидким металлом, соответствующей 1с длительности процесса намораживания, наблюдается более равномерное распределение температурного поля по сечению заготовки. К шестой секунде продолжительности операции намораживания лента прогревается до температур порядка 1470...1480 °С, близких к температурам ликвидуса для углеродистых марок стали, что может привести к ее деформации.

При более высоких температурах Тоен характер зависимостей практически идентичен.

•Таким образом, можно отметить, что предварительный нагрев не оказывает существенного влияния на изменение характера распределения температурного поля на участке намораживания на ленту плакирующего слоя в случае невысоких температур предварительного нагрева основы при большом массовом соотношении расплав/основа.

В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с получением плакированных листовых заготовок литейным методом. В ОАО "СеверСталь" была проведена серия экспериментов по физическому моделированию процесса "намораживания" по схеме "жидкое-твердое-жидкое".

Исследования осуществляли в литейной лаборатории ОАО "Северсталь" и включали моделирование операции намораживания на основу расплава при вертикальном перемещении полосы из углеродистой стали через промежуточную ванну с жидким расплавом.

В качестве основы в процессе исследований использовали полосы низкоуглеродистой марки стали (Ст. 3), шириной 150 мм и толщиной 0,5.. .2,0-Ю'3 M.

В качестве плакирующего металла для получения композиции типа: "коррозионностойкая - углеродистая - коррозионностойкая" сталь использовали хромоникелевую сталь аустенитного класса 08Х18Н10Т, селектированную в процессе предыдущих исследований.

Перед заливкой плакирующего расплава в ванну измеряли температуру жидкой стали. Температура расплава варьировалась в диапазоне 1520...1620 °С.

Часть стальных полос проходила предварительный нагрев в методической печи. Температура нагрева основы изменялась в диапазо-

не 20...200 °с, исходя из данных математического моделирования. Для устранения окисных пленок на поверхности полос проводилось травление металла.

В процессе физического моделирования непрерывного "намораживания" металла на основу, в ванну, с огнеупорным покрытием, заливали расплав стали 08Х18Н10Т и после вторичного замера температуры жидкого металла вертикально подавали полосу из низкоуглеродистой стали (марки Ст.3).

Время выдержки полосы в расплаве изменяли в пределах от первой секунды контакта расплава и основы до полного оплавления ленты. После осуществления процесса намораживания полосы со сформировавшимся антикоррозионным слоем выводили из расплава.

Для определения прочностных характеристик проводились механические испытания образцов, велись металлографические исследования структуры сварного соединения.

Как и в случае математического моделирования отмечаются две стр,.пич развития процесса намораживания. Увеличение толщины полос попытает уровень значений Нпл.гаах, продолжительность процесса намораживания.

Однако, при любых б0Сн наблюдается рост значений Нпл по мере понижения температуры нагрева расплава.

Можно отметить, что по данным физического моделирования продолжительность контакта основы и расплава, до полного оплавления намороженного слоя коррелировала с соответствующими значениями, полученными на математической модели.

В ряде случаев общая продолжительность операции намораживания при низких температурах нагрева расплава сокращалась, что объясняется динамикой перемещения ленты при реальном плакировании, в отличии от статистической модели.

Следует отметить, что у заготовок, отобранных на втором этапе плакирования, происходит оплавление покрытия, что особенно заметно, у кромок полосы.

Для полного оплавления слоя покрытия при плакировании заготовок в расплаве с рабочими температурами нагрева 1560...1590 °С длительность процесса составляла в среднем 8-9 с, для расплава с Тж = 1570 °С - порядка 10 с. Для завершения стадии операции плакирования заготовок в расплаве с Т, = 1540...1560 °С необходима более длительная выдержка основы в расплаве.

Далее рассматривалось влияние температуры нагрева расплава и основы перед плакированием на динамику роста значений толщины

покрытия для выбранных диапазонов 50сн и Тосн.

На первом этапе плакирования наблюдается значительное увеличение толщины намороженного слоя покрытия с падением Тх, значения нпл тах Щм использовании предварительного подогрева основы незначительно ниже величин, полученных при плакировании полос без подогрева, так как существующий в начале процесса термоградиент между полосой и расплавом все же существенней.

Вцелом, плакирование в расплаве "холодных" полос позволяет быстро достичь необходимых Нпл.тах. В этом случае уменьшается продолжительность технологического цикла, снижаются энергозатраты.

На второй стадии плакирования графические зависимости носят убывающий характер и общее время выдержки заготовок в расплаве до полного оплавления закристаллизовавшегося покрытия с увеличением температуры предварительного нагрева основы уменьшается.

С целью обобщения полученных результатов, влияние продолжительности операции намораживания на динамику роста плакирующего слоя заготовки в рассматриваемом диапазоне температур представлено в безразмерной форме, как функция е (Ste2, Foj). При этом, в качестве определяющего фактора принята толщина исходной полосы. Для всех исследуемых значений Ste2 зависимости носят схожий характер (рис. 4). На графиках можно выделить две стадии развития процесса намораживания.

Первоначальному контакту полосы и расплава отвечает первая стадия процесса плакирования. В этот момент происходит образование сварочной ванны, интенсивный массоперенос на границе раздела фаз, активное намораживание расплава на основу в результате процессов кристаллизации расплава на стальной подложке.

Вторая стадия процес-

су

1,6 2.0 2М

Fo

Рис.4. Динамика изменения толщины намороженного слоя: 1-Ste2=2,33; 2-2,37;

3-2,44; е=Нпл/50Сн

са связана с постепенным сплавлением "первичного" слоя покрытия полосы, причем для каждого значения Б1ег существует свой диапазон числа критерия Фурье, при котором толщина покрытия достигает максимума и выходит на свой минимум. Дальнейшее увеличение значений Роц приводит к оплавлению полосы или ее полному расплавлению.

Анализ микроструктуры образцов полученных заготовок показал существенный уровень дефектности металла на первой стадии плакирования. Частичная сваривае-в результате неоптимальных теплофизических условий контакта, его кратковременности, что лимитирует позитивные процессы, связанные с развитием диффузии в переходном слое заготовки и не обеспечивает стабилизацию фазового состояния сплавляемых сталей.

Для образцов, отобранных от заготовок, полученных на второй стадии процесса намораживания, при механических испытаниях на изгиб отмечается отсутствие расслоя между основой и намороженным слоем покрытия, т.к. на второй стадии плакирования, идет п'одплав-ление закристаллизовавшегося слоя покрытия, происходит выравнивание температурного градиента по сечению заготовки. Температура нагрева намороженного слоя близка к подсолидусным значениям температуры расплава и поддерживается постоянным тепловым потоком. Это способствует повышению однородности получаемой структуры аус-тенита покрытия, измельчает ее первичную дендритную структуру, снижает рост зерна аустенита, хотя существует и возможность частичного расширения перлитной зоны со стороны основы.

В четвертой главе изучаются вопросы, связанные с конструированием опытной установки вертикального литья плакированных заго-

Рис. 5. Принципиальная схема вертикальной установки для непрерывного плакирования листовых заготовок

мость сталей на первом этапе имеет место

товок.

Преимущества такой схемы подачи основы в расплав заключаются в повышении степени контролируемости процесса, упрощении механической части установки, решении проблем, связанных с удержанием жидкого металла в зоне кристаллизации, получении плакированных заготовок с геометрией, близкой к конечной, с исключением износа конструкционных элементов установки, вследствии взаимного трения арматуры и перемещающейся ленты-основы в зоне действия высоких температур нагрева расплава. Принципиальная схема опытной установки показана на рис. 5.

Позициями отмечены: 1 - разматыватель; 2 - лента-основа; 3, 11 - обводные ролики; 4 - холостой блок трайб-роликов; 5 - электромагнитный затвор; 6 - промежуточная ванна; 7 - защитный стакан; 8 - плакированная лента; 9 - приводной трайб-аппарат; 10 - электродвигатель, 12 - станина с консоль-поворотной.

Наиболее важной частью вертикальной установки получения плакированных листовых заготовок является узел кристаллизации.

С учетом небольшой емкости индукционной печи плакирующую ванну изготовили следующих размеров: 300x300x450 мм. Корпус ванны сварен из пластин углеродистой стали 3 (Ст. 3) в короб и отфутеро-ван изнутри слоем магнезита. Толщина футеровки стенок ванны 0,03 м, дна - 0,06 м. Рабочий объем плакирующей ванны составил Ув= = 0,73 м3. В донной части ванны и футеровки имеется щелевидное отверстие, размеры которого совпадают с размерами подаваемой в ванну с расплавом стальной полосы с небольшими допусками по ширине и толщине в пределах 0,004 м.

Таким образом имеется возможность плакировать в ванне с расплавом стальную полосу шириной 0,3 м и значениями толщины в диапазоне 0,0005 + 0,002 м.

Защитная крышка ванны имеет разъемное соединение, позволяющее снимать ее для подвода, если это необходимо горячих порций расплава или слива остатка расплава. Крышка имеет отверстие, центр которого совпадает с вертикальной осью узла кристаллизации. Диаметр отверстия соответствует диаметру защитного стакана, закрепленного на поворотной консоли. Стакан имеет возможность перемещаться в вертикальном направлении. Керамический стакан предназначен для защиты ленты-основы от оплавления в процессе подачи в объем ванны горячего металла, а также от термической деформации ленты под воздействием тепла.

После подачи расплава между стенками ванны и стаканом до оп-

ределенного уровня налива, ленту-основу приводят в движение и поднимают стакан гпд действием пружинного устройства, установленного на колонне. После поднятия стакана расплав поступает к пере-' мешающейся ленте, получившей предварительный подогрев в полости стакана после подачи жидкого металла.

Высота подъема стакана не предусматривает его выемки из расплава в момент протекания процесса намораживания. По мере выборки металла возможен подвод дополнительных порций расплава, либо постепенное опускание стакана, вслед за понижением уровня налива жидкого металла.

Для удержания плакирующего расплава в объеме ванны предусмотрена установка электромагнитного затвора в специальной нише под целевидным отверстием в донной части ванны.

Для перемещения заготовки в процессе намораживания на основу плакирующего покрытия в конструкции установки предусмотрены раз-матыватель, приводной и холостой блоки стандартных трайб-роликов.

Натяжение ленты-основы в процессе плакирования обеспечивается значительным весом рулона на разматывателе и тормозящим моментом со стороны обводного ролика и холостого трайб-аппарата.

Оба блока трайб-роликов и плакирующая ванна с электромагнитным затвором монтируется на одной технологической оси, что снижает вероятность возникновения трения между лентой, заготовкой и элементами оборудования. - -

"Холодное" и "горячее" опробование опытной установки было осуществлено в литейной лаборатории ОАО "СеверСталь".

Полученные данные опробования установки подтверждают возможность получения коррозионностойкого покрытия на углеродистой основе при осуществлении технологии намораживания методом непрерывного литья на вертикальной установке предложенной конструкции.

Пятая глава посвящена разработке инженерной методики теплового расчета процесса намораживания на сконструированной установке. позволяющей определить толщину формируемого слоя с учетом конкретных параметров процесса литейного плакирования, выраженных в безмерных величинах Го, К01, 31е2, использование данных расчета делает возможным осуществлять регулирование процесса намораживания путем изменения параметрических характеристик процесса, получить на заготовке плакирующее покрытие заданной толщины.

В работе ставилась задача найти:

е = е^О!. Ко!. Бгвг): (1)

где t = Нпл/босн - безразмерная толщина намороженного слоя; а

Fo, = ajt/босн2;

Ко! = rt/cc,(Tsl-T10)]:

Ste2 = [С2(Т20-Т10)]/г2; ■ (2)

соответственно число Фурье, критерии Коссовича для основного металла и Стефана для плакирующего слоя.

Все величины выражаются в безразмерном виде (относительных единицах).

Функциональную зависимость между теплофизическими, конструктивными и технологическими параметрами процесса намораживания, к которым относятся толщина плакирующего слоя покрытия г. температурные характеристики расплава и стальной ленты, выраженные через критерии Стефана и Коссовича. можно представить в виде:

Кр = /(е, Koj, Ste2). (3)

Критерий трансляционного теплопереноса Кр, выражается следующим образом:

Кр = VH2/a2. (4)

Продолжительность процесса плакирования находится через скорость движения ленты через расплав.

т = H2/V. (5)

Для различных стадий процесса намораживания зависимость Kp(t) можно представить в следующем виде:

- на участке активного намораживания расплава после контакта ленты.и жидкого расплава

п, п2

Кр = Ко, • Ste2 • п3е + п4; (6)

- на участке выравнивания теплового поля по сечению ленты

п, п2 1 Кр = KOi • Ste2 • n3 - + n4; (7)

£

- на участке постепенного оплавления намороженного слоя аналитический расчет может производиться также по уравнению (6).

Для аналитического решения уравнений (6) и (7) были найдены коэффициенты п2 и п4. При их расчете применялся метод наименьших квадратов, значения коэффициентов гц и п2 равняются соответственно 0,98 и 0,96 и принимаются при решении уравнений (6) и (7) для всех участков зависимости Кр(£).

В результате расчетов по регрессионной зависимости (1) получаем следующую формулу:

А,Ро5+А2Го4+АзГо3+А4Гог+А5Го+А0 А6 А7 £ = е -КО!-31е2 . (8)

Сравнение графических зависимостей, полученных при математическом моделировании процесса намораживания, с кривыми, полученными при построении регрессионной зависимости, показало, что при значениях Го. находящихся в области активного намораживания покрытия в момент первоначального контакта подложки и расплава наблюдается незначительное расхождение между графиками (около 3%). При дальнейшем росте протяженности закристаллизовавшегося слоя и достижения максимальных значений наблюдается совпадение зависимостей. На участке оплавления покрытия расхождения графиков не превышало 6%.

Для осуществления технологического расчета процесса намораживания по регрессионной зависимости е = е(Го1, Ко^ Б1е2) на ЭВМ РС(АТ) реализована программа, где полученные номограммы зависимости (1) совместно с формулами (6), (7) осуществляют функциональную связь между всеми основными технологическими и теплофизи-ческими параметрами литейного плакирования.

Установленная зависимость может использоваться для расчета следующих параметров процесса:

е - толщины намороженного слоя покрытия;

Ste2 - температуры нагрева расплава;

Ко, - температуры нагрева ленты.

С помощью формул (4) и (5) возможно найти оптимальный интервал скорости движения ленты через расплав и высоту столба жидкого металла в плакирующей ванне на установке непрерывного получения плакированных листовых заготовок методом намораживания.

В процессе расчета для различных Б1е2 получены зависимости безразмерной толщины намороженного слоя от заданных величин числа Фурье, что позволяет выбрать оптимальные значения критерия Стефана при намораживании на ленту конкретной толщины плакирующего расплава с учетом температурных параметров плакирования, выраженных через критерий Коссовича.

Исходя из результатов математического, физического моделирования и отработки технологии намораживания на установке вертикального типа диапазон изменения значений критерия Стефана в процессе реализации инженерной методики расчета составил:

31е2 = 0,087 * 0.225.

Используя полученные в процессе реализации инженерной мето-

дики расчета зависимости, появляется возможность выбора оптимального значения крить-ряя Стефана для плакирующего расплава при по- ■ лучении удовлетворяющего по толщине и качеству покрытия при заданных величинах 50СН. и критерия Коссовича.

В шестой главе даны рекомендации по усовершенствованию вертикальной установки для получения листовых плакированных заготовок методом намораживания нержавеющего расплава на стальную ленту.

С учетом данных физического моделирования, холодного и горячего опробования установки внесены изменения в конструкцию промежуточной ванны, что позволяет осуществить литейное плакирование холоднокатаной стали без предварительной порезки рулонов. Предусмотрен механизм автоматического подъема защитного стакана с помощью пневмоцилиндра, устройство опрокидывания ванны для слива неиспользованного плакирующего расплава. Рассмотрена возможность применения устройства типа: ванна-печь, позволяющего поддерживать рабочую температуру операции плакирования

Согласно данным инженерной методики расчета определены скоростные параметры ведения процесса намораживания, которые выбираются из диапазона 0,1...1,3 м/мин, исходя из температур нагрева расплава, толщины стальной ленты. Соблюдение оптимальных условий плакирования, регулирование скорости ведения процесса, высоты налива расплава, его температурного диапазона позволяют получать плакированные заготовки композиции "низкоуглеродистая-коррозион-ностойкая сталь" с удовлетворительным уровнем свариваемости составляющих.

В зависимости от скорости перемещения ленты имеется возможность получить широкий диапазон толщин получаемого покрытия от 0,10 до 2,50 мм (для каждой конкретной босн. и Тх). Однако данные физического моделирования указывают на то, что наилучшими механическими свойствами, низким уровнем дефектности обладают заготовки, полученные при скоростях, позволяющих осуществить в промежуточной ванне обе стадии процесса намораживания. Таким образом, необходимо выбирать скорости ведения процесса, позволяющие выходить на стадию оплавления закристаллизовавшегося слоя. что. в свою очередь, позволяет получить на стальной ленте тонкий слой плакированного металла.

ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель тепловых процессов, протекающих при литейном плакировании методом намораживания плакирующего слоя на стальную ленту-основу по схеме "жидкое + твердое + жидкое". На основе реализации этой модели на ЭВМ установлено, что процесс намораживания состоит из двух стадий. На первой стадии имеет место резкий рост толщины плакирующего слоя, на второй стадии намороженный слой постепенно подплавляется. Установлена функциональная связь максимальной толщины сформировавшегося плакирующего слоя с технологическими параметрами процесса намораживания: температурами основного и плакирующего металла, продолжительностью контакта подложки с расплавом.

2. Путем физического моделирования доказана принципиальная возможность получения плакированных листовых заготовок литейным методом для композиции "нержавеющая - углеродистая - нержавеющая"-сталь. Установлена функциональная связь толщины плакирующего слоя с основными определяющими параметрами процесса намораживания (критериями Стефана, Коссовича, числом Фурье). Установлено, что с повышением температуры расплава и основы скорость роста плакирующего слоя снижается, при этом уменьшается также и максимально возможная толщина получаемого покрытия.

На основе анализа микро- и макроструктуры сварного слоя и зоны термического влияния, с учетом результатов механических испытаний опытных образцов установлены диапазоны технически реализуемых технологических характеристик процесса плакирования, при этом выявлено, что температура предварительного подогрева основного металла практически не влияет на скорость ведения процесса.

3. На основе обобщения результатов математического и физического моделирования разработана и изготовлена опытная установки для получения плакированных листовых заготовок методом намораживания при перемещении ленты-основы через жидкий металл в направлении снизу в верх. Для удержания жидкого металла в зоне кристаллизации установка оснащена электро-магнитным затвором.

Исследования, осуществленные на опытной установке, позволили разработать технологию получения плакированных листовых заготовок методом намораживания.

4. с учетом результатов математического и физического моделирования, а также данных, полученных в процессе отработки элементов технологии на опытной установке, разработана инженерная

методика расчета конструктивных характеристик установки и технологических параметров осуществления процесса плакирования. Установлена функциональная связь конструктивных, технологических и теплофизических параметров процесса намораживания в форме уравнения, связывающего основные критерии и безразмерные комплексы (модифицированного критерия Стефана, критерия Коссовича, критерия трансляционного теплопереноса, безразмерной толщины намороженного слоя по отношению к толщине основы).

5. Для дальнейшей реализации технологии получения плакированных листовых заготовок методом намораживания разработана конструкция опытно-промышленной установки, размеры и конструктивные особенности которой позволяют получать продукцию, пригодную к практическому использованию.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Лепехин A.A., Шестаков Н. И., Гарбер Э.А. Исследование процесса формирования коррозионностойкого покрытия на холоднокатан-ной стальной ленте // Известия вузов. Черная металлургия. 1991. Ш. С. 108-109.

2. Компьютерное моделирование теплофизических процессов, протекающих в кристаллизующейся стали при непрерывном лйтье плакированных листовых заготовок / Н.И.Шестаков, А.А.Гончарский. А.А.Лепехин и др. // Проблемы кристаллизации сплавов и компьютерное моделирование: Материалы Всесоюзной научно-технической конференции. - Ижевск: НИИ ММ при УГУ. 1990. С. 49-51.

3. Получение стальных листовых заготовок с антикоррозионным покрытием / Н.И.Шестаков, А.А.Лепехин, Э.А.Гарбер и др. // Ме-талло- и энергосберегающая технология термической и химико-термической обработки. 4.2. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. - М.: ЦНИИИиТЭИ. 1990. С. 12-15.

4. Получение плакированных листовых заготовок с антикоррозионным покрытием методом непрерывного литья / Н.И.Шестаков, Э.А.Гарбер, А.А.Лепехин и др. // Ресурсосбережение при производстве листового проката: Тезисы докладов Всесоюзного семинара. -М,- Доценк: ДПИ. 1990. С. 45.

5. Литье плакированных листовых заготовок / А.А.Лепехин. Н.И.Шестаков. Э.А.Гарбер и др. // Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов. 4.2. Материалы XI Всесоюзной конференции по проблемам слитка. - Волгоград: ВДНиТ. 1990. С. 61-62.

6. Математическое и физическое моделирование процесса намораживания нержавеющей стали / Н.И. Шестаков. А.А.Гончарский. А. А. Лепехин и др. // Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин: Тезисы докладов межреспубликанской научно-технической конференции. - Волгоград: ВДНиТ. 1991. С. 172-174.

7. Опытная установка для непрерывного получения стальных листовых заготовок с антикоррозионным покрытием / Н.И.Шестаков, А.А.Лепехин, Э.А.Гарбер и др. // Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки в машиностроении и металлургии: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. - Новокузнецк: СМИ. 1991. С. 66-67.

8. Вертикальная установка для непрерывного получения стальных лент с антикоррозионным покрытием / А.А.Лепехин. Н.И. Шестаков, Э.А.Гарбер и др. // Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин: Тезисы докладов межреспубликанской научно-технической конференции. - Волгоград: ВДНиТ. 1991. С. 169-170.

9. Шестаков Н.И., Гончарский A.A., Лепехин A.A. Теплообмен при формировании коррозионностойкого покрытия на холоднокатаной ленте // Известия вузов. Черная металлургия. 1993. №9-10. С.76-77.

10. Математическая модель процесса кристаллизации при получении плакированной листовой заготовки / А.А.Лепехин, Н.В.Кочнев, Н. И. Шестаков и др. // Кристаллизация. Компьютерные модели. Экспертные технологии: Материалы научно-технической конференции. - Ижевск. 1994. С. 68-70.

По результатам диссертационной работы получены авторские свидетельства:

1. A.c. 1669121 (СССР). Способ непрерывного литья / А.А.Лепехин, Н.И.Шестаков, Э.А.Гарбер и др. - не подлежит открытой публикации.

2. A.c. 1667296 (СССР). Способ непрерывного литья листовых заготовок / А.А.Лепехин. Н.И.Шестаков, Э.А.Гарбер и др. - не подлежит открытой публикации.

3. A.c. 173429 (СССР). Способ непрерывной разливки металла в листовые заготовки / Н.И.Шестаков, А.А.Лепехин, Э.А.Гарбер и др. - не подлежит открытой публикации.

4. A.c. 1734297 (СССР). Способ непрерывной разливки металла в листовые заготовки / Н.И.Шестакоз, А.А.Лепехин. Э.А.Гарбер и др. - не подлежит открытой публикации.

5. A.c. 1669121 (СССР). Способ непрерывного литья овальных заготовок / Н.И.Шестаков, А.А.Лепехин, Э.А.Гарбер и др. - не подлежит открытой публикации.

6. A.c. 1823273 (СССР). Способ непрерывного получения биметаллических листовых заготовок / А.А.Лепехин, Н.И.Шестаков. Э. А. Гарбер и др.- не подлежит открытой публикации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

бос„ - толщина основы:

Тх - температура рлакирующего металла;

тосн ~ температура нагрева основы;

х - время намораживания;

Го, - число Фурье для основного металла;

.Г - безразмерная температура;

В - безразмерная координата;

НПЛ,НПЛ тах - толщина и максимальное значение толщины намороженного слоя; X - текущая координата;

е - безразмерная толщина намороженного слоя;

Ко, - критерий Коссовича для основного металла; Ste2 - критерий Стефана для плакирующего металла; а,, а2 - коэффициенты температуропроводности для основного

и плакирующего металлов; с,, с2 - удельная массовая теплоемкость для основного и

плакирующего металлов; т51. Т32 - температура солидуса для основного и плакирующего металлов;

Т10. Т20 - начальная температура нагрева основного и плакирующего металлов;

г,. г2 - удельная теплота кристаллизации основного и плакирующего металлов; V - скорость перемещения основы через расплав;

Н2 - высота столба плакирующего металла в ванне;

А - расчетные коэффициенты регрессии;

Кр - критерий трансляционного теплопереноса.

Сдано в набор 02.02.98 Формат 210x279. Гарнитура "Машинопись". Ксерокопия. Уч. -изд. л. 1.00. Тира* 100 экз.

г.Череповец РИО ЧГУ. Дзержинского. 30