Температурные поля изложницы при литье однотонных блоков цинка

На сегодняшний день проведено большое количество исследований и опубликованы обширные сведения о чугунных изложницах для заливки слитков из стали. В то же время сведений о стойкости изложниц для заливки чистого цинка и сплавов на его основе практически нет. Принято считать, что стойкость изложниц для низкотемпературных сплавов, например для цинка с температурой плавления 419,5 °C, не является актуальной задачей, так как число наливов, которые они могут выдерживать, по зарубежным данным, достигает 2000, и в сравнении с изложницами, предназначенными для стальных слитков, которые выдерживают только 80-100 наливов, является большим достижением. Однако практика наших предприятий свидетельствует об обратном. Многие изложницы в производстве цинковых блоков не выдерживают и 400 заливок, а 1000 заливок считается верхним уровнем стойкости.

Изложницы выходят из строя, главным образом, по причине образования трещин, зарождение и развитие которых связано с неравномерностью нагрева и охлаждения различных их частей. Поэтому определение температурных полей в изложницах является актуальной задачей в раскрытии возможностей повышения их стойкости.

На производстве экспериментальное определение температур затруднено. С наружной поверхности изложница охлаждается проточной водой, а с внутренней поверхностью контактирует расплав, что искажает результаты измерений тем пературы термопарой. Поэтому для оценки температурных полей в стенке изложницы целесообразно использовать расчет методом конечных разностей [1, 2]. Описанный алгоритм реализован в компьютерной программе AngelCast, которая моделирует температурные поля, начиная с заливки изложницы цинком и кончая выбивкой готового блока.

При моделировании использовались производственные данные. Температура заливки цинка 450±5 °C, время заливки одной тонны металла 4 мин, охлаждение блока в изложнице до извлечения 43 мин и продолжительность простоя до следующей заливки 10 мин. Общий цикл получения однотонного блока цинка составляет 57 мин.

Схема расположения наиболее характерных в изложнице для однотонного блока представлена на рис. 1. На основе результатов моделирования построены графики (рис. 2 и 3) зависимостей температуры от времени в различных точках, для полного цикла работы изложницы, при условии направления струи заливаемого цинка в центр изложницы.

На рис. 2 представлены графики зависимостей температуры от времени в точках, расположенных на дне и прилежащих стенках изложницы. Наибольшие температуры имеют внутренние стенки и дно изложницы (поз. 1, 3 и 5). Причем дно изложницы (поз. 1 и 2) наиболее теплонагружено из всех поверхностей. А прилегающие ко дну внутренние (поз. 3 и 5) и внешние (поз. 4 и 6)

Рис. 1. Схема расположения контрольных точек

Рис. 2. Зависимость температуры от времени на дне и прилежащих стенках изложницы

Рис. 3. Зависимость температуры от времени на дне и боковых стенках изложницы

стенки имеют примерно одинаковые температуры и перепад между ними незначительный. Максимальный перепад в стенках изложницы возникает в конце заливки цинка, затем изложница прогревается, а цинк начинает кристаллизоваться и температура внутренней поверхности стабилизируется. Всё это способствует снижению температурной неоднородности по сечению стенок, которая к концу цикла постепенно стремятся к минимуму. Необходимо также отметить, что максимумы температур на наружной и внутренней стенках смещены относительно друг друга по времени на 1-2 мин.

На рис. 3 представлены графики зависимостей температуры от времени в точках боковых стенок в сравнении с точками на дне изложницы. Хорошо заметно температурную неравномерность в боковых стенках, в сравнении с донной частью. Продольная боковая стенка изложницы (поз. 9 и 10) более теплонагружена, чем торцевая (поз. 7 и 8)'. Таким образом, до наиболее высоких температур нагревается донная часть изложницы, а в боковых стенках нагрев на 70-80 °C ниже. При этом продольная боковая стенка имеет температуру выше, чем боковая торцевая. Что свидетельствует о большем её теплонагружении и температурной деформации в период нагрева и охлаждения. Это подтверждается на практике, так как именно боко-

• ¹В силу ограниченного объема не предоставляется возможность описать все точки (поля), которые желательно рассмотреть для расчета напряжений и деформаций.

Иванов М.А., Швецов В.И., Кулаков Б.А.

вая стенка изложницы чаще всего растрескивается в процессе эксплуатации.

Таким образом, полученные зависимости необходимо использовать в разработке технологических мероприятий по повышению стойкости изложниц. Для предотвращения большого температурного перепада в сечениях стенок и между стенками изложницы, необходимо использовать чугуны с максимальной температуропроводностью, а также теплоизоляционные покрытия на основе оксида цинка. Такое покрытие обеспечит снижение коэффициента теплоотдачи от расплава к стенкам изложницы и перепад температур, как по сечению, так и между различными элементами. А для выравнивания температур между боковыми стенками необходимо либо варьировать слой теплоизоляци-

Температурные поля изложницы при литье однотонных блоков цинка онного покрытия, что затруднительно в производственных условиях, или изменять толщины стенок, увеличивая их в местах наибольших градиентов.

При финансовой поддержке Правительства Челябинской области.