Влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитой заготовки
На камфене и алюминии изучено влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитых заготовок. Установлено, что наложение виброимпульса на кристаллизатор и заготовку усиливает теплоотвод от затвердевающего слитка как в зоне кристаллизатора, так и зоне вторичного охлаждения. Пока...
Saved in:
| Published in: | Процессы литья |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114643 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитой заготовки / А.С. Нурадинов, Е.Д. Таранов, А.С. Эльдарханов // Процессы литья. — 2011. — № 2. — С. 34-38. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859479271854047232 |
|---|---|
| author | Нурадинов, А.С. Таранов, Е.Д. Эльдарханов, А.С. |
| author_facet | Нурадинов, А.С. Таранов, Е.Д. Эльдарханов, А.С. |
| citation_txt | Влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитой заготовки / А.С. Нурадинов, Е.Д. Таранов, А.С. Эльдарханов // Процессы литья. — 2011. — № 2. — С. 34-38. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Процессы литья |
| description | На камфене и алюминии изучено влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитых заготовок. Установлено, что наложение виброимпульса на
кристаллизатор и заготовку усиливает теплоотвод от затвердевающего слитка как в зоне
кристаллизатора, так и зоне вторичного охлаждения. Показана аналогия между теплофизическими условиями формирования модельных и натурных заготовок.
На камфені та алюмінії вивчено вплив вібрації на теплофізичні умови формування безперервнолитих заготовок. Встановлено, що накладання віброімпульса на кристалізатор і заготовку
підсилює тепловідвід від тверднучого зливка як в зоні кристалізатора, так і зоні вторинного
охолодження. Показана аналогія між теплофізичними умовами формування модельних і натурних заготовок.
On каmfene and aluminum studied vibration influence on thermalphysic formation conditions
continuously cast preparations. It is established that imposing vibrations impulse on a crystallizer
and preparation strengthens a heatconducting path from a hardening ingot both in a crystallizer
zone, and in a zone of secondary cooling. The analogy between thermalphysic conditions of formation
of modeling and natural preparations is shown.
|
| first_indexed | 2025-11-24T11:44:22Z |
| format | Article |
| fulltext |
34 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 2 (86)
Кристаллизация и структурообразование сплавов
6. Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. – М.: Машиностроение,
1966. – 562 с.
7. Ващенко К. И., Шумихин В. С. Плавка и внепечная обработка чугуна для отливок. – Киев:
Вища школа, 1992. – 246 с.
8. Чугун: справочник /Под ред. А. Д. Шермана, А. А. Жукова. – М.: Металлургия, 1991. – 576 с.
9. Медь в высокопрочном чугуне / В. Б. Бубликов, А. А. Ясинский, Л. Н. сыропоршнев и
др. // Процессы литья. – 2010. – № 3 (81). – с. 46-57.
Поступила 06.09.2010
УДК 621.74.047:594.1:62-412
А. С. Нурадинов, Е. Д. Таранов, А. С. Эльдарханов*
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
*Научный центр «Новейшие материалы и технологии», Москва
ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ НА ТЕПЛОфИЗИчЕСКИЕ УСЛОВИЯ
фОРмИРОВАНИЯ НЕПРЕРыВНОЛИТОй ЗАгОТОВКИ
На камфене и алюминии изучено влияние вибрации на теплофизические условия фор-
мирования непрерывнолитых заготовок. Установлено, что наложение виброимпульса на
кристаллизатор и заготовку усиливает теплоотвод от затвердевающего слитка как в зоне
кристаллизатора, так и зоне вторичного охлаждения. Показана аналогия между теплофизи-
ческими условиями формирования модельных и натурных заготовок.
Ключевые слова: теплофизические условия, непрерывнолитые заготовки, виброимпульс,
кристаллизатор, теплоотвод.
На камфені та алюмінії вивчено вплив вібрації на теплофізичні умови формування безперерв-
нолитих заготовок. Встановлено, що накладання віброімпульса на кристалізатор і заготовку
підсилює тепловідвід від тверднучого зливка як в зоні кристалізатора, так і зоні вторинного
охолодження. Показана аналогія між теплофізичними умовами формування модельних і на-
турних заготовок.
Ключові слова: теплофізичні умови, безперервнолиті заготовки, віброімпульс, кристалізатор,
тепловідвід.
On каmfene and aluminum studied vibration influence on thermalphysic formation conditions
continuously cast preparations. It is established that imposing vibrations impulse on a crystallizer
and preparation strengthens a heatconducting path from a hardening ingot both in a crystallizer
zone, and in a zone of secondary cooling. The analogy between thermalphysic conditions of for-
mation of modeling and natural preparations is shown.
Keywords: thermalphysic formation, continuously cast preparations, vibration impulse, crystallizer,
heat conducting.
Качество непрерывнолитых заготовок (НЛЗ), главным образом, зависит от
двух основных параметров: интенсивности теплоотвода и, как следствие, от
скорости кристаллизации сплава. Поэтому попытки использования различных
внешних воздействий при непрерывном литье связаны, в том числе, с задачей
оптимизации теплообменных процессов в кристаллизаторе и зоне вторичного
охлаждения (ЗВ�), то есть теплофизических условий формирования НЛЗ.
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 2 (86) 35
Кристаллизация и структурообразование сплавов
В данной работе методом физического моделирования и на реальной заготовке
из алюминиевого сплава изучено влияние вибрации на теплофизические условия
формирования НЛЗ.
В качестве теоретической предпосылки для анализа результатов рассмотрим
некоторые принципиальные особенности теплообменных процессов, происходящих
в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения, потому что именно в этих зонах
происходит начальное формирование и окончательное затвердевание НЛЗ.
Если рассматривать кристаллизатор как теплообменный аппарат, то тепловой
баланс его будет иметь вид [1]
Qнач = Qв + Q1 + Q2 + Q3 + Qух , (1)
где Qнач – тепло, вносимое жидким металлом в кристаллизатор, кДж; Qв – тепло,
отводимое охлаждающей водой в кристаллизаторе; Q1 – потери тепла на
лучеиспускание через поверхность металла; Q2 – потери тепла через наружные
стенки кристаллизатора; Q3 – потери тепла на начальный прогрев кристаллизатора;
Qух – тепло, уходящее из кристаллизатора с непрерывным слитком.
Учитывая, что потери тепла Q1, Q2 и Q3 незначительные, по сравнению с Qв и Qух,
ими пренебрегают и считают
Qнач = Qв + Qух
. (2)
Тепло, вносимое жидким металлом в кристаллизатор, можно определить по
формуле [2]
Qнач = m[Cтв (Tпл-Tнач) + Qпл + Cж(Tр-Tпл )], (3)
где m – масса металла, кг; Cтв – теплоемкость твердого металла, кДж/(кг⋅°с); Tпл –
температура плавления металла, °с; Tнач – начальная температура твердого металла,
°с; Qпл – теплота плавления металла, кДж/кг; Cж – теплоемкость жидкого металла,
кДж/(кг⋅°с); Tр – температура разливки жидкого металла, °с.
Тепло, отводимое охлаждающей водой в кристаллизаторе, передается к его
стенке через корку затвердевшего металла, через газовый зазор, слой шлака между
заготовкой и стенкой кристаллизатора и, соответственно, определяется:
– значением коэффициента теплоотдачи αж от потоков перегретого металла, ко-
торый зависит, в основном, от скорости движения жидкой фазы в затвердевающей
заготовке; примерные значения коэффициентов теплоотдачи от потоков различных
сред приведены в табл. 1 [3], из которой видно, что их величина при вынужденной
конвекции на порядок выше, чем при естественной;
– значением коэффициента теплопроводности λ затвердевшей корочки, вели-
чина которого в зависимости от температуры и химического состава стали может
изменяться в несколько раз [4];
– значением коэффициента теплопроводности газового зазора λг;
Среда
αж, ккал/(ч⋅м2⋅°С)
естественная конвекция вынужденная конвекция
Газы 5 250
Вязкие жидкости 50 500
Вода 500 10000
Жидкие металлы 1500 50000
Таблица 1. Примерные значения коэффициентов теплоотдачи от
различных сред [3]
36 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 2 (86)
Кристаллизация и структурообразование сплавов
– значением коэффициента теплопроводности λш шлакового слоя между заго-
товкой и стенкой кристаллизатора.
�бщий эффективный коэффициент теплоотдачи от жидкого металла к стенке
кристаллизатора αкр определяется [1]
кр
ж
1
,
1
r
=
+S
a
a
(4)
где αж – коэффициент теплоотдачи от жидкого металла; Σr – сумма промежуточных
термических сопротивлений.
Так как точное определение всех вышеприведенных коэффициентов в реальных
условиях практически невозможно, то, согласно уравнению теплового баланса, при
расчетах можно принять, что количество тепла Q, передаваемое кристаллизатору,
равно количеству тепла Qв,
отведенному охлаждающей водой, и определить сле-ить сле-
дующим образом [5]:
Q = Qв =mвCв(Tк – Tн), (5)
где mв – масса воды, кг; Cв – теплоемкость воды, кДж/(кг⋅°с); Tн
и Tк – температура
воды на входе и выходе из кристаллизатора.
Дальнейшее остывание заготовки по мере опускания ниже кристаллизатора
происходит в зоне вторичного охлаждения. �тводимое от заготовки тепло в этой
зоне состоит из потерь на нагрев охлаждаемой жидкости, потерь с поверхности
заготовки путем конвективного нагрева окружающего воздуха и потерь теплоты,
отбираемой роликами. Учитывать все эти потери на практике очень трудно, поэтому
коэффициент теплоотдачи αвт определяется только с учетом потерь тепла на нагрев
и испарение охлаждающей воды [1].
В процессе непрерывной разливки металлов температура поверхности заготовок
меняется за счет потерь тепла в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения
от температуры солидуса данного металла до температуры резки. На рисунке в ка-
честве примера приведена кривая динамики изменения температуры поверхности
непрерывнолитой заготовки, полученная методом физического моделирования на
камфене [6]. Приведенная кривая показывает, что основное снижение температуры
поверхности заготовки происходит в кристаллизаторе, причем наиболее интен-
сивная теплоотдача – в верхней части кристаллизатора (до момента образования
газового зазора между стенкой кристаллизатора и заготовкой) – от начала до точки
перелома А.
I – зона кристаллизатора; II – зона вторичного охлаждения
Рис. 1 Изменение температуры поверхности непрерывнолитой
заготовки из камфена в зависимости от расстояния от
мениска
0
10
20
30
40
50
0 100 200 300 400
Расстояние от мениска, мм
T
по
в.
за
го
т
ов
ки
,
°С
I II
А
50
Расстояние от мениска, мм
40
30
20
0
0
10
400300200100
А
I IIТ
п
о
в
за
го
то
вк
и
, 0
с
Изменение температуры поверхности непрерывнолитой заготовки из кам-
фена в зависимости от расстояния от мениска: Ι – зона кристаллизатора;
ΙΙ – зона вторичного охлаждения
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 2 (86) 37
Кристаллизация и структурообразование сплавов
В остальной части кристаллизатора теплопередача существенно снижается за
счет образования газового зазора между заготовкой и стенкой кристаллизатора
(рисунок, от точки А вправо).
�пределение закономерностей теплообмена между заготовкой и кристалли-
затором является очень важной задачей и их знание позволяет оптимизировать
конструкцию кристаллизатора и режимы теплоотвода для каждого конкретного
случая. На физической модели и натурном образце в данной работе были проведены
эксперименты по изучению распределения тепловых потоков от затвердевающего
модельного и алюминиевого слитков к стенке кристаллизатора, а также интенсив-
ности теплоотвода в разных зонах [6, 7]. В табл. 2 представлено изменение плот-
ности теплового потока по высоте кристаллизатора для обоих слитков.
Заметно, что для обоих вариантов тепловые потоки имеют максимальную плот-
ность на определенном расстоянии от свободной поверхности расплава.
Неравномерность плотности тепловых потоков по высоте связана с образова-
нием зазора между корочкой слитка и стенкой кристаллизатора. Для модельного
слитка точка максимум находится на расстоянии 50 мм от свободной поверхности
расплава, а для натурного образца – на расстоянии 75 мм. �чевидно, что это раз-
личие обусловлено разной усадкой исследуемых материалов.
Уменьшение плотности тепловых потоков от затвердевающего расплава к стенке
кристаллизатора (табл. 2), несомненно, вызывает уменьшение скорости кристал-
лизации по его высоте, а в дальнейшем – и в зоне вторичного охлаждения. с умень-
шением скорости кристаллизации по ходу продвижения непрерывной заготовки
уменьшаются количество выделяемой теплоты кристаллизации и, соответственно,
тепловой поток. Изменение интенсивности тепловых потоков по высоте заготовки
приводит к заметному ухудшению процесса теплоотвода от нее в разных зонах.
Известно, что основное количество тепла (>75 %) в пределах одной МНЛЗ отво-
дится от непрерывнолитого слитка в зонах принудительного водяного охлаждения
(кристаллизатор и зона вторичного охлаждения). Проведенный в данной работе
расчет тепловых балансов формирования модельного непрерывнолитого слитка из
камфена сечением 4950 мм2 и реального алюминиевого слитка сечением 5025 мм2
показал, что относительные значения теплоотвода в различных зонах модельного
слитка хорошо коррелируются с аналогичными значениями для реального непре-
рывнолитого слитка (табл. 3).
Чтобы интенсифицировать теплообменные процессы при формировании не-нтенсифицировать теплообменные процессы при формировании не-
прерывнолитых заготовок можно достаточно эффективно использовать вибрацию
(табл. 3). Из таблицы видно, что вибрация усиливает интенсивность теплоотвода от
заготовки как в кристаллизаторе, так и зоне вторичного охлаждения. Кроме этого
Высота
кристаллизатора, мм
Плотность теплового потока, Вт/м2
модельный слиток натурный слиток
5 4х103 –
25 6х103 19,6х106
50 7х103 58х106
75 6,3х103 95х106
100 6х103 72х106
125 5,7х103 33х106
150 – 15х106
180 – 7х106
Таблица 2. Изменение плотности теплового потока по высоте
кристаллизатора
38 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 2 (86)
Кристаллизация и структурообразование сплавов
необходимо отметить, что воздействие вибрации проявляется эффективнее при
подводе импульса непосредственно к заготовке. Если при вибрировании кристал-
лизатора интенсивность отвода тепла по зонам повышается в среднем на 3-4 %, то
при подводе виброимпульса к самой заготовке – до 7 %.
Усиление теплоотвода от поверхности заготовки в кристаллизаторе и зоне вто-
ричного охлаждения, о чем свидетельствует повышение температуры охлаждающей
воды, связано с увеличением тепловых потоков, подводимых к границе затвердева-
ния, за счет воздействия вибрации [6, 7]. Интенсификация теплоотвода от расплава
приводит к росту темпа выделения теплоты кристаллизации и изменению геометрии
двухфазной зоны затвердевающей заготовки, что, в конечном итоге, оказывает по-
ложительное воздействие на формирование кристаллической структуры и свойств
литого металла.
Таким образом, на модельной и реальной непрерывнолитых заготовках показана
возможность усиления теплообменных процессов при помощи вибрации в зонах
принудительного охлаждения, а от интенсивности теплообменных процессов, в свою
очередь, зависят производительность МНЛЗ и качество самой заготовки. Знание
закономерностей теплоотвода в кристаллизаторе и ЗВ� позволит оптимизировать
конструкцию этих узлов машин непрерывной разливки.
1. Скворцов А. А., Акименко А. Д. Теплопередача и затвердевание стали в установках непре-
рывной разливки. – М.: Металлургия, 1966. –190 с.
2. Таранов Е. Д. Исследование и усовершенствование процессов раскисления и легирования
стали для фасонного литья: Дис. ... канд. техн. наук. – Киев, 1966. –164 с.
3. Sztekeli J., Themelis N. Kate phenomena in �rocess Metallurgi. – New-York; Sydney; London;
�oronto: Wiley Intenclence a Division of Johu Wiley Sons. Inc, 1971. – 784 p.
4. Ефимов В. А., Эльдарханов А. С. Технологии современной металлургии. – М.: Новые тех-
нологии, 2004. – 784 с.
5. Кузьмичев В. Е. Законы и формулы физики: справочник. – Киев: Наук. думка, 1989.
– 864 с.
6. Нурадинов А. С. Теплообменные процессы при формировании непрерывнолитых заготовок
// Литейщик России. – 2006. – № 7. – с. 34-37.
7. Нурадинов А. С., Эльдарханов А. С., Таранов Е. Д. Теплообменные процессы при форми-
ровании НЛЗ в поле упругих колебаний // сталь. – 2006. – № 6. – с. 51-52.
Поступила 21.06.2010
Таблица 3. Расчетные тепловые балансы непрерывнолитых слитков
Расход тепла по зонам
Слиток из камфена Алюминиевый слиток
без вибрации с вибрацией без вибрации с вибрацией
кДж % кДж % кДж % кДж %
Общее количество тепла
расплава 87,5 100 87,5 100 1660 100 1660 100
Тепло, отведенное в
кристаллизаторе 23 26
25,5
29
29
33 486 29
538
580
32
35
Тепло, отведенное в зоне
вторичного охлаждения 64,5 74
62
58,5
71
67 1174 71
1122
1080
68
65
Примечание: числитель – при вибрировании кристаллизатора; знаменатель – при вибрировании
самой заготовки
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-114643 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0235-5884 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-24T11:44:22Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Нурадинов, А.С. Таранов, Е.Д. Эльдарханов, А.С. 2017-03-10T19:27:25Z 2017-03-10T19:27:25Z 2011 Влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитой заготовки / А.С. Нурадинов, Е.Д. Таранов, А.С. Эльдарханов // Процессы литья. — 2011. — № 2. — С. 34-38. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114643 621.74.047:594.1:62-412 На камфене и алюминии изучено влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитых заготовок. Установлено, что наложение виброимпульса на кристаллизатор и заготовку усиливает теплоотвод от затвердевающего слитка как в зоне кристаллизатора, так и зоне вторичного охлаждения. Показана аналогия между теплофизическими условиями формирования модельных и натурных заготовок. На камфені та алюмінії вивчено вплив вібрації на теплофізичні умови формування безперервнолитих заготовок. Встановлено, що накладання віброімпульса на кристалізатор і заготовку підсилює тепловідвід від тверднучого зливка як в зоні кристалізатора, так і зоні вторинного охолодження. Показана аналогія між теплофізичними умовами формування модельних і натурних заготовок. On каmfene and aluminum studied vibration influence on thermalphysic formation conditions continuously cast preparations. It is established that imposing vibrations impulse on a crystallizer and preparation strengthens a heatconducting path from a hardening ingot both in a crystallizer zone, and in a zone of secondary cooling. The analogy between thermalphysic conditions of formation of modeling and natural preparations is shown. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Кристаллизация и структурообразование сплавов Влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитой заготовки Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитой заготовки Нурадинов, А.С. Таранов, Е.Д. Эльдарханов, А.С. Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| title | Влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитой заготовки |
| title_full | Влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитой заготовки |
| title_fullStr | Влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитой заготовки |
| title_full_unstemmed | Влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитой заготовки |
| title_short | Влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитой заготовки |
| title_sort | влияние вибрации на теплофизические условия формирования непрерывнолитой заготовки |
| topic | Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| topic_facet | Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114643 |
| work_keys_str_mv | AT nuradinovas vliânievibraciinateplofizičeskieusloviâformirovaniânepreryvnolitoizagotovki AT taranoved vliânievibraciinateplofizičeskieusloviâformirovaniânepreryvnolitoizagotovki AT élʹdarhanovas vliânievibraciinateplofizičeskieusloviâformirovaniânepreryvnolitoizagotovki |