Технические науки

Металлургия

Жигуц Ю.Ю., Скиба Ю.Ю., Галас Т.М.

кафедра технології машинобудування, Ужгородський національний університет, вул. Підгірна 46, м. Ужгород, Україна

МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ МЕТАЛОТЕРМІЧНОЇ ШИХТИ ДЛЯ ЖИВЛЕННЯ КРУПНИХ ЧАВУННИХ ВИЛИВКІВ

Мета роботи − розробка методики розрахунку металотермічної шихти для отримування якісних крупних виливків із спеціальних термітних чавунів при врахування маси і розмірів ливарного додатку, температури заливки розплаву, системи тепловідводу, схеми доливання розплаву у додаток, часу твердіння виливка та системи порційного закладання шихти.

Об’єкт дослідження – металотермічні додатки крупних чавунних виливків. Теоретичною основою розробленої методики є модель металотермічного процесу, теоретичні положення тепловідводу від ливарного додатку. При організації процесу синтезу сталей і чавунів використовуються класичні термітні реакції засновані на окисленні алюмінію і відновленні заліза. Схема отримання чавунів металотермічними процесами із використанням порошкових інгредієнтів показана нижче:.

Розроблена методика розрахунку складу шихти використовує стехіометричні співвідношення компонентів реакції із введенням відповідних коефіцієнтів, що враховують активність їх засвоєння металом. Основним технологічним параметром термітних додатків є маса металотермічної шихти для підживлення. Оскільки термітні додатки використовують замість звичайних, то їх розрахунок базується на даних про масу звичайних додатків. Однак, ця методика не дозволяє врахувати специфіку технології литва прокатних валків, яка полягає в тому, що їх додаток формується в декілька технологічних прийомів. Ці прийоми складаються із заповнення рідким сплавом додаткової частини форми при її заливці і наступних періодичних доливаннях сплаву в додаток форми у процесі тверднення виливка. Вказані технологічні прийоми формування додатка ведуть до того, що час тверднення виливка збільшується у порівнянні із часом тверднення додатку такої ж маси, але сформованої у один прийом при заливці форми. Щоб використовувати масу звичайного додатку (яка задається через його лінійні розміри за кресленням виливка валка і за густиною сплаву) як базу для розрахунку кількості металотермічної шихти, доцільно ввести поняття "ефективна маса додатку" – m_еф. Під m_еф розуміють масу додатку, сформованого у один прийом. Крім цього вводять поняття часу твердіння m_еф, який дорівнюється часу твердіння додатку з масою m_дод, сформованою у декілька прийомів.

, (1)

де k – коефіцієнт, залежний від числа, величини і часу доливання.

Тоді час охолодження τ у піщано-глиняній формі ливарного додатку, сформованому за один прийом, до температури t, що знаходиться у межах інтервалу температури кристалізації, може бути знайдений із залежності (2):

(2)

а температура додатку у момент часу τ:

(3)

де η – коефіцієнт, що характеризує розподіл температури у перерізі форми, η=1,13; R – приведений розмір додатку, м; ρ – густина валкового чавуна, кг/м³, ρ=7,5·10³ кг/м³; с – середнє значення питомої теплоємності чавуна в інтервалі температур кристалізації із врахуванням теплоти кристалізації, кДж/(кг·ºC), с=1,43 кДж/(кг·ºC); b – коефіцієнт акумуляції теплоти формою, кДж/(м²·год^1/2·ºC), b=71 кДж/(м²·год^1/2·ºC); t_л – температура ліквідусу сплаву, ºC; t_ф – початкова температура форми, ºC, t_ф=20 ºC.

За існуючою технологією виготовлення прокатних валків, частина додатку (у середньому це 25% додатку за довжиною) приходиться на довжину необхідну для затиску валка у планшайбі при його механічній обробці на вальцетокарних верстатах. У такий спосіб звичайний додаток виливка прокатного валка може бути зменшений у середньому на 70% (за масою) при умові компенсації його дії металотермічною шихтою. Тоді кількість металотермічної шихти m_ш необхідної для заміни 70% маси звичайного додатку валка термітним додатком знаходиться за формулою (4):

(4)

Співвідношення (4) знайдено для випадку, коли металотермічна шихта вводилася у форму одною порцією. Можна зробити висновок, що введення шихти частками з певним інтервалом між закладками дозволить збільшити час твердіння при тій же масі шихти або при збереженні такого ж часу твердіння додатку зменшити загальну масу металотермічної шихти. Встановлено, що введення шихти за 2–4 порції дозволяє зменшити масу шихти на 10–20%. Інтервал між закладками визначається часом утворення кірки на поверхні додатку. Маса шихти визначається за формулою:

, (5)

де k – коефіцієнт, залежний від умов закладки шихти.

Значення коефіцієнта k залежать від умов закладання шихти: для закладки шихти одною порцією – 4,0·10^-2, двома порціями – 3,6·10^-2, трьома порціями – 3,4·10^-2, чотирма порціями – 3,2·10^-2. Для додатків до Æ300 мм число доливань (n) – 1, для додатку Æ350–450 мм – 2 і для додатку Æ450 мм і більше – 3.

Висновки та рекомендації: 1. Розроблено методику для встановлення маси металотермічної шихти для крупних чавунних виливків. Встановлено вплив порційної закладки металотермічної шихти на загальний тепловий ефект від ливарного додатку. 2. На основі дослідно-промислової апробації технології термітних ливарних додатків запропонована методика дозволяє усунути пористість і усадкові дефекти крупних виливків. При цьому змін хімічного складу піддодаткової зони не виявлено, а економія рідкого сплаву на додаток складає 70%. 3. Використовувати цю технологію рекомендовано при виготовленні середніх та крупних валків із спеціальних чавунів.