НЕПРЕРЫВНОЕ  ЛИТЬЕ  МЕТАЛЛОВ  ПРИ  ВИБРАЦИОННЫХ  ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Алексеева  Любовь  Борисовна

доцент,  канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры  машиностроения  Национальный  минерально-сырьевой  университет  «Горный»,  РФ,  г.  Санкт-Петербург

E -mail:  lbalek@rambler.ru

Уваров  Виктор  Павлович

профессор,  д-р  техн.  наук,  профессор  кафедры  машиностроения  Национальный  минерально-сырьевой  университет  «Горный»,  РФ,  г.  Санкт-Петербург

E -mail:  uvpav@rambler.ru

Гайфуллин  Руслан  Рамилевич

Студент  Национальный  минерально-сырьевой  университет  «Горный»,  РФ,  г.  Санкт- Петербург

CONTINUOUS  CASTING  OF  METALS  UNDER  VIBRATION  IMPACTS

Lubov  Alekseeva

associate  professor,  Candidate  of  Technical  Sciences,  Associate  professor  of  Machine  Industry  Chair,  National  Mineral  Resources  University  (University  of  Mines),  Russia,  St.  Petersburg

Viktor  Uvarov

professor,  Doctor  of  Technical  Sciences,  Professor  of  Machine  Industry  Chair,  National  Mineral  Resources  University  (University  of  Mines),  Russia,  St.  Petersburg

Ruslan  Gayfullin

student,  National  Mineral  Resources  University  (University  of  Mines),  Russia,  St.  Petersburg

АННОТАЦИЯ

Рассматривается  процесс  непрерывного  литья  металлов.  Отмечается,  что  у  существующих  процессов  литья,  несмотря  на  их  общую  технологическую  эффективность,  имеется  ряд  недостатков. 

Приведены  уравнения,  позволяющие  исследовать  закономерности  виброобработки  слитка  при  различных  законах  колебаний  кристаллизатора.

ABSTRACT

The  process  of  continuous  metal  casting  is  under  study.  It  is  noted  that  despite  the  common  technological  efficiency,  the  existing  processes  of  metal  casting  have  a  number  of  shortcomings. 

Equations  that  allow  to  explore  patterns  ingot  vibro-processing  under  different  casting  mold  oscillation  laws  are  showed. 

Ключевые  слова:  вибрации,  модель,  кристаллизатор,  дифференциальные  уравнения,  процесс,  слиток.

Keywords:  vibration;  model;  casting  mold;  differential  equations;  process;  ingot. 

При  решении  многих  задач  вибрационной  технологии  и  техники  приходится  сталкиваться  со  сложными  явлениями.  Объекты  не  только  подвергаются  деформациям,  но  могут  совершать  различные  механические  движения.  Возникают  сложные  переплетения  механических  движений  на  одних  этапах  и  деформации  на  других.  Решения  подобных  задач  может  быть  достигнуто  одновременным  использованием  методов  механики  и  реологии.  При  исследовании  различных  процессов  вибрационной  технологии  приходится  использовать  сложную  комбинацию  всех  реологических  тел  и  инерционных  элементов  [1],  [2].

Множество  различных  технологических  процессов  осуществляется  с  помощью  вибрационных  воздействий.  Вибрации  в  большинстве  случаев  играют  различную  роль.  Это  затрудняет  создание  строгой  квалификации  выполняемых  процессов.  Можно  выделить  основные  типы  решаемых  задач:  перемещение  материалов,  заготовок,  деталей,  изделий;  обработка  упруговязких,  пластических,  дисперсионных  сред;  резание  и  разрушение  материалов  (вибрационное  точение  и  сверление,  абразивная  обработка,  дробление  и  измельчение,  разрушение  грунтов  и  горных  пород  [2].

Вибрационное  перемещение  служит  не  только  транспортным  целям,  но  и  является  основой  многих  технологических  процессов  [3].

Протекание  вибрационных  процессов  зависит  от  режима  колебаний  рабочего  органа  соответствующей  машины.  На  практике  применяются  различные  виды  колебаний:  гармонические,  полигармонические,  прямолинейные,  пространственные.  В  общем  случае  формируются  прямолинейные  и  крутильные  колебания  рабочих  органов.  Диапазоны  частот  начинаются  с  низкочастотных  механических  колебаний  и  распространяются  до  высокочастотных  ультразвуковых.  Причем,  в  одних  случаях  вибрации  применяются  для  интенсификации  существующих  процессов,  а  в  других  случаях  технологический  процесс  осуществляется  только  благодаря  вибрациям.

При  этом  следует  иметь  ввиду,  что  вибрации,  возникающие  в  машинах,  можно  рассматривать  с  отрицательных  позиций.  Они  могут  ухудшать  качество  получаемых  изделий,  увеличивают  динамические  нагрузки  в  самой  машине  и  в  опорных  конструкциях,  увеличивают  энергетические  потери,  отрицательно  воздействуют  на  человека.

Литейно-прокатные  агрегаты  создают  реальные  перспективы  перехода  к  поточному  производству  в  металлургии  и  резкому  повышению  качества  отливок  и  производимого  из  них  проката,  увеличению  производительности  труда. 

Тщательный  анализ  имеющегося,  хотя  и  разрозненного,  опыта  применения  методов  вибротехники  в  технологии  непрерывного  литья  позволяет  наметить  пути  решения  данной  проблемы  и  систематизированно  изложить  имеющиеся  достижения  в  указанной  области.

Можно  наметить  следующие  основные  аспекты  применения  вибротехнологии  в  литейно-прокатных  агрегатах.  При  прохождении  заготовки  через  кристаллизатор  возникают  довольно  значительные  сопротивления  движению,  обусловленные  трением  ее  поверхности  о  стенки  кристаллизатора.  Вследствие  этого  в  закристаллизовавшейся,  но  сравнительно  тонкой  части  слитка,  тяговым  устройством  создаются  значительные  напряжения,  нередко  являющиеся  причиной  разрыва  корочки  заготовки  и  выплескивания  находящегося  внутри  жидкого  металла.  Значительные  сопротивления  движению  определяют  предел  скорости  литья,  что  ограничивает  производительность  и  затрудняет  согласование  литейной  машины  с  прокатным  станом,  вследствие  чего  возникают  трудности  реализации  прогрессивной  поточной  технологии  в  металлургическом  производстве.  Таким  образом,  одной  из  задач,  подлежащих  решению,  является  повышение  скорости  литья,  связанное  со  снижением  сопротивлений  движению  слитка  через  кристаллизатор  и  действующих  в  нем  напряжений.

  Задача,  которую  может  одновременно  решить  разработанный  вибрационный  кристаллизатор  —  это  ускорение  тепло-  и  массообменных  процессов  и  выравнивание  распределения  температуры  в  слитке. 

В  отсутствии  вибрационных  воздействий  в  кристаллизирующемся  металле,  залитом  в  форму,  у  стенок  вследствие  переохлаждения  образуются  центры  кристаллизации.  На  первом  этапе  рост  кристаллов  происходит  в  основном  у  поверхности  в  различных  направлениях;  со  временем  растущие  из  различных  центров  кристаллы  смыкаются  друг  с  другом.  При  этом  у  поверхности  отливки  образуется  область  мелких  равноосных  кристаллов.  Затем  начинается  развитие  кристаллов  вглубь  расплава,  образование  столбчатых  вытянутых  кристаллов.  Кристаллы  ориентированы  в  направлении  теплоотвода  и  развивающиеся  кристаллы  входят  в  контакт  друг  с  другом.  Так  возникает  столбчатая  структура  слитка.  Обычно  он  состоит  из  наружного  слоя  мелких  равноосных  кристаллов,  области  столбчатых  кристаллов  и  центральной  зоны  равноосных  кристаллов.

В  отливках  со  столбчатой  структурой  центральная  часть  слитка  обычно  обогащена  примесями,  что  ухудшает  ее  механические  свойства.  Область  столбчатых  кристаллов  также  характеризуется  пониженной  прочностью.  С  точки  зрения  повышения  механических  свойств  металла  желательна  равноосная  структура  с  зернами,  имеющими  равные  размеры  в  разных  направлениях  и  случайную  ориентировку  в  пространстве.

Роль  вибрационных  (преимущественно  ультразвуковых)  воздействий  на  отливку  должна  заключаться  в  усилении  тех  факторов,  которые  способствуют  получению  мелкозернистой  случайным  образом  ориентированной  структуры  металла.  Обработки  расплавов  колебаниями  в  ультразвуковом  диапазоне  позволило  выявить  следующие  изменения  структуры  слитка:  уменьшение  средней  величины  зерна,  замена  столбчатой  структуры  равноосным  зерном,  повышение  однородности  слитка,  более  равномерное  распределение  неметаллических  включений.

На  эффективность  процесса  ультразвуковой  обработки  большое  влияние  оказывают  условия  кристаллизации  и  природы  металла.  Установлено,  что  эффективность  действия  вибрационной  обработки  повышается  в  комплексе  с  другими  видами  обработки,  например  введением  в  расплав  примесей,  служащих  центрами  кристаллизации.  При  совместном  действии  перечисленных  факторов  заданный  уровень  измельчения  структуры  достигается  при  меньших  интенсивностях  излучателя.

  Оказывается  возможным  разработать  предварительную  феноменологическую  концепцию  и  реологические  модели  расплава,  которые  позволяют  оценить  уровень  энергии,  вводимой  в  расплав,  и  закономерности  движения  последнего  при  известных  параметрах  внешних  вибрационных  воздействий. 

Следует  отметить,  что  у  существующих  процессов  литья,  несмотря  на  их  общую  технологическую  эффективность,  имеется  ряд  недостатков,  основным  из  которых  следует  считать  ограниченную  скорость  литья  (прохождения  заготовки  через  кристаллизатор).  Увеличение  длины  кристаллизатора  не  решает  проблему,  так  как  при  этом  увеличиваются  сопротивления  выхода  из  кристаллизатора.  При  больших  усилиях  протяжки  возможны  разрывы  корочки  слитка  и  выплескивание  находящегося  внутри  его  жидкости.

Для  воспроизведения  основных  свойств  металла,  находящегося  в  сложном  двухфазном  состоянии,  используется  вязкоупругопластическая  модель  [2]. 

  Все  возможные  движения  и  деформации  модели  в  вибрирующем  кристаллизаторе  описываются  нелинейной  системой  дифференциальных  уравнений  в  системе  координат  xуz.

Ось  у  совпадает  с  направлением  движения  слитка,  а  оси  х  и  z  перпендикулярны.  В  дальнейшем  ограничимся  рассмотрением  параметров  модели  по  оси  х,  так  как  параметры  по  оси  z  качественно  аналогичны.

Упругие  свойства  модели  в  направлении  оси  х  моделируются  упругими  элементами  с  коэффициентом  жесткости    и  ,  вязкие  —  демпфером  с  коэффициентом  вязкости  ,  пластические  —  клиновой  парой  сухого  трения  с  коэффициентом  ;  масса  корочки  слитка  моделируется  инерционными  элементами  .  На  стенки  кристаллизатора  действует  ферростатическое  давление    от  находящегося  в  нем  металла.

В  направлении  оси  у  модель  характеризуется  упругими  свойствами    и  ,  вязкими  свойствами    и  ;  масса  слитка,  участвующая  в  колебаниях  в  направлении  оси  у,  обозначена  .  Вниз  по  оси  у  действует  сила  тяжести  металла,  находящегося  в  кристаллизаторе  mg.  Скорость  протяжки  —  .

В  общем  случае  возможны  следующие  деформации  и  движения  слитка:  упруговязкие  и  пластические  деформации,  а  также  свободное  движение  в  направлении  оси  х;  упруговязкие  и  пластические  деформации,  а  также  свободное  или  с  сухим  трением  движение  в  направлении  оси  у.

Упруговязкие  деформации  слитка  в  направлении  оси  х  описываются  системой  дифференциальных  уравнений

где:  и    —  ускорения  колебаний  стенок  кристаллизатора; 

  —  ферростатическое  давление  на  стенки  кристаллизатора.

Упруговязкие  деформации  слитка  продолжаются  до  того  момента,  пока  не  будет  произведен  предел  текучести.

При  выполнении  условий

упруговязкие  деформации  перейдут  в  пластические,  описываемые  уравнениями

где    —  усилие,  соответствующее  началу  пластических  деформаций.

При  снятии  нагрузки  пластические  деформации  могут  перейти  к  упруговязким.  Приведенные  уравнения  позволяют  исследовать  закономерности  виброобработки  слитка  при  различных  законах  колебаний  кристаллизатора.

Список  литературы:

1.Алексеева  Л.Б.  Использование  вибрационных  технологий  при  вытяжке  изделий/Л.Б.  Алексеева,  В.В.  Максаров,  В.П.  Уваров,  Металлообработка,  —  2013,  —  №  5—6,  —  с.  67—73.

2.Гончаревич  И.Ф.  Теория  вибрационной  техники  и  технологии/И.Ф.  Гончаревич,  К.В.  Фролов.  М.:  Наука,  1971.  —  320  с.

3.Патент  на  полезную  модель  №  77270  RU  МПК  СОЗВ  37/00.  Устройство  для  получения  стекловолокна//  Алексеева  Л.Б.,  Ильичев  В.А.,  Максаров  В.В.,  Полянский  В.И.  Опубл.  20.10.2008  Бюл.  №  29.