ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕОРИИ НА ПРАКТИКЕ. ХИМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ВЫПУЩЕННУЮ ИЗ ПЕЧИ СТАЛЬ



ВВЕДЕНИЕ

Выпущенная из печи сталь соприкасается поочередно с разными средами и предметами - выпускным желобом, литейным ковшом, атмосферой, формой и т. д. Эти среды воздействуют на сталь физически, механически и химически. Химическое воздействие имеет значительное влияние на качество отливок, особенно в отношении образования газовых раковин.

Данная проблема приобрела особое значение с тех пор, как была внедрена новая прогрессивная технология получения стальных отливок в сырых формах. Неудивительно, что раньше преобладал взгляд на сырую форму как на источник образования газовых раковин. Этими вопросами занимались много лет чехословацкие и зарубежные исследователи [37 - 45, 5, 3]. Их работы представляют значительный вклад в решение проблемы, хотя между методами исследования и выводами часто имелись принципиальные расхождения.

Новейшие основополагающие работы [36, 46 - 49] расходятся между собой не по принципиальным положениям, а скорей в деталях. Эти работы приписывают решающую роль главным образом влиянию кислорода в стали. Однако в последних из названных работ имеются некоторые разногласия. Поэтому автор решил предложить свое понимание проблемы, не повторяя ранее опубликованных им сообщений [36, 41, 47]. Цель работы заключается в комплексном изучении проблемы во всех качественных зависимостях.



1. СТЕПЕНЬ РАСКИСЛЕННОСТИ СТАЛИ

Плавка стали в печи заканчивается введением раскисляющей добавки - кремния в виде ферросплавов. Самаясильная раскисляющая добавка - алюминий, - как правило, дается при выпуске стали из печи в ковш. На этом раскисление заканчивается.

В конце раскисления сталь для отливок всегда содержит избыток Si - Al по отношению к присутствующему в ней кислороду. Этот избыток служит для связывания кислорода, дополнительно попадающего в сталь по окончании раскисления.

Практически содержание кремния в спокойных углеродистых сталях колеблется от 0,25 до 0,4%, а раскисляющего алюминия дают обычно 0,1% от веса стали (1 кг/т). Из стехиометрических отношений следует, что имеющийся в стали кремний способен связать 0,285 - 0,455% O₂, а алюминий - 0,09% O₂. Если исходить из наиболее обычного содержания 0,3% Si, связывающего 0,342% O₂, то всего кремний и алюминий могут связать 0,342 + + 0,09 = 0,432% O₂.

В действительности оба раскисляющих элемента способны связывать меньшие количества кислорода, потому что они, и особенно алюминий, соединяются частично с содержащейся в стали серой, частично с азотом и, наконец, с водородом. Кремний также может частично соединяться с водородом. Поскольку при разных условиях сродство кремния и алюминия к названным элементам различно, обычно невозможно установить, какое максимальное количество кислорода они могут связать. Безусловно, практически это количество значительно меньше 0,432% O₂ при 0,3% Si и 0,1% Al. Этому содействует еще и то обстоятельство, что до ввода алюминия часть кремния была израсходована на разложение FeO, оставшегося в ванне после диффузионного раскисления, а также на связывание кислорода, попавшего в сталь при выпуске из печи. В дальнейшем принимается, что и кремний и алюминий равномерно распределились по всей массе стали.

На фиг. 153, а по оси ординат отложено содержание кислорода в стали, а по оси абсцисс - время. Горизонтальная прямая О отвечает содержанию всего кислорода, который способен соединиться с присутствующим кремнием. Наклонная же прямая O_Si, характеризует количество кислорода, которое действительно связано кремнием. Уже в печи кислород из FeO связывается с кремнием по реакции 2FeО + Si 2Fе + SiO₂. Вследствие этого прямая О_Si начинается не в начале координат, а несколько выше. В процессе дополнительного окисления содержание кислорода в стали увеличивается, и этот кислород постепенно связывается кремнием, в связи с чем прямая О_Si идет вверх.

Фиг. 153 Схема дополнительного окисления стали, раскисленной кремнием. Е - область эндогенных раковин (пузырей) в отливке

Отношение О/O_Si можно назвать степенью раскисленности СР (фиг. 153, б), тогда

В момент 1 после растворения кремния в ванне величина СР имеет определенное численное значение, равное отношению ординат О/О_Si в данный момент. Величина О_Si не изменяется во времени, величина же O_Si растет в зависимости от того, как быстро поступают в сталь новые порции кислорода, т. е. как быстро идет дополнительное окисление стали. Отсюда следует, что со временем величина СР будет уменьшаться, пока не наступит равенство О = О_Si; в этот момент СР = 1.

С этого момента будет исчерпан весь кислород, который может связать присутствующий в стали кремний. Если дальнейшее окисление стали не прекратится, поступающий кислород будет соединяться с железом в FeО, которая растворима в стали.

Когда содержание образовавшейся FeO превысит определенное критическое значение FeО_кр, или просто О_кр (см. верхнюю линию на фиг. 153, а), между ней и содержащимся в стали углеродом начнется реакция

FeО + С Fе + СО + Q (кал),

дающая газообразную окись углерода СО, которая создает эндогенные раковины в отливке (область Е на фиг. 153). Эндогенными, как указывалось выше, называют раковины, образующиеся в результате реакции непосредственно в сплаве, в отличие от экзогенных, возникающих в результате взаимодействия металла и формы (стержня). В момент своего возникновения пузырек СО меньше 0,01 мм [50]. В него диффундируют и в нем собираются остальные физически растворенные газы, вследствие чего пузырек увеличивается.

Численное значение FеО_кр (О_кр) зависит от содержания углерода в стали (фиг. 154) и от температуры (на фигуре не показано). Малоуглеродистые стали имеют относительно более высокое содержание FеО_кр, чем высокоуглеродистые. Отсюда следует, что в высокоуглеродистых сталях при прочих равных условиях эндогенные раковины образуются раньше, чем в малоуглеродистых.

Для полноты картины на фиг. 153, б дана кривая изменения степени раскисленности СР во времени. При построении этой кривой исходили из предположения, что величина О_Si изменяется во времени равномерно, как это показано на фиг. 153, а, чего на практике не бывает (см. ниже). Область Е образования эндогенных раковин показана и в этой части схемы.

Описанное явление протекает до образования пузырьков СО в том случае, если до момента 1? сталь остается в жидком и, таким образом, способном к реакции состоянии. Если бысталь затвердела до момента 1?, эндогенные раковины не образовались бы. Следовательно, нельзя недооценивать фактор времени. У сталей, раскисленных только обычной добавкой кремния, величина СР очень часто становится меньше единицы, еще когда сталь находится в жидком состоянии в форме, так что, как правило, образуются эндогенные раковины.

Фиг. 154 Равновесие углерод - кислород в стали

Это вынуждает металлургов увеличивать присадку раскисляющего кремния или, что бывает чаще, вводитьв струю стали, выпускаемой из печи в ковш, сильный раскислитель - алюминий. По Влодаверу, при литье по-сырому следует иметь в стали кремния на 0,04 - 0,07% больше, чем при литье в сухие формы (в связи с необходимостью большего дополнительного раскисления). При введении алюминия процесс дополнительного окисления протекает в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 155. В момент 1 раскисляющий кремний разойдется печи, в момент 2 в стали в ковше разойдется раскисляющий алюминий, так что количество кислорода, способное связывать раскисляющие элементы, в момент 2 поднимается с О до О_С.

Фиг. 155 Дополнительное окисление стали, раскисленной кремнием и алюминием

Таким путем предупреждают образование эндогенных раковин при обычном дополнительном окислении стали - кривая O_SiAlрасполагается ниже кривой O_Свплоть до затвердевания. В случае необычно высокого дополнительного окисления (кривая) величина СР может, однако, перед затвердеванием преждевременно стать меньше единицы и отливка будет поражена эндогенными раковинами. Горизонтальная линия FеО_кр опять располагается несколько выше линии О_С.

Для полноты картины в нижней части фиг. 155 показано изменение величины СР во времени в первой фазе (СР)и во второй (СР_SiAl). Кривая, показанная сплошной линией и имеющая перелом в момент 2 ввода алюминия в сталь, относится к случаю обычного дополнительного окисления, пунктирные же кривые СР?_Si и СР?_SiAl - к случаю необычно высокого дополнительного окисления.

Фиг. 156 Дополнительное окисление стали, раскисленной кремнием и дважды алюминием

В последнем случае можно еще раз дать в сталь алюминий в момент 3 (фиг. 156), например, в виде мелких кусков в заливочный ручной ковш. Присутствующие в сталираскисляющие добавки способны связывать еще большее количество кислорода О?_С, в связи с чем степень раскисленности СР снова резко повышается.

Если имеют дело со сталями, склонными к межзеренному (каменистому) излому, как, например, хромоникелевые низколегированные или хромоникельмолибденовые стали, присадку алюминия ограничивают 0,3 кг/т при сухихи не более 0,5 кг/т при сырых формах. В таком случае надо выбирать несколько более высокое содержание кремния, чтобы величина СР не стала меньше единицы в отливке в целом и в отдельных ее местах.

Ход дополнительного окисления во времени

Выше предполагалось, что дополнительное окисление стали увеличивается во времени линейно. Для овладевания этим процессом в надлежащих условиях необходимо выяснить, какие факторы влияют на дополнительное окисление. В разные периоды времени дополнительное окисление протекает различно в зависимости от существующих условий. Поэтому здесь следует различать следующие фазы:

Фиг. 157 Ход дополнительного окисления стали в пяти фазах (I - V)

А. Дополнительное окисление перед поступлением стали в форму:

Фаза I. Выпуск стали из печи в ковш.

Фаза II. От поступления стали в ковш до ее появления в литниковой чаше.

Б. Дополнительное окисление в форме:

Фаза III. Протекание стали через литниковую систему.

Фаза IV. Заполнение сталью полости формы.

Фаза V. Дополнительное окисление после заполнения формы, когда сталь уже не течет.

Ход дополнительного окисления и изменение СР в отдельных фазах показаны на фиг. 157.

Дополнительное окисление перед поступлением стали в форму. Здесь нужно различать две фазы.

Фаза I

Сталь, выходящая из летки, соприкасается с желобом и с атмосферой. При соприкосновении с желобом величина СР уменьшается тем быстрее, чем:

1) выше температура выпускаемой стали (характеристика материала - материальный фактор, обозначаемый далее МФ);

2) влажнее спускной желоб (фактор среды - далее обозначается СФ);

3) меньше отверстие, т. е. меньше весовая скорость выдачи металла (конструктивный фактор - КФ);

4) больше поверхность контакта стали с желобом (КФ). Здесь решающее значение имеет фактор 2; при совершенно сухом (прокаленном) желобе факторы 1 и 3 теряют значение - от желоба сталь практически не окисляется.

От контакта струи стали е атмосферой величина СР уменьшается тем быстрее, чем:

1) выше температура выпускаемой стали (МФ);

2) выше влажность воздуха (СФ);

3) тоньше, медленнее и длиннее струя (КФ).

Атмосферный воздух всегда действует на сталь окислительно и тем сильнее, чем он влажнее. При 100%-ной влажности воздуха его окислительная способность на 4% больше, чем при влажности 50%.

Чтобы уменьшить дополнительное окисление в фазе I, следует:

1) держать сухим спускной желоб;

2) выпускать сталь с возможно более низкой температурой;

3) выбирать возможно меньшую поверхность и большую весовую скорость свободного потока.

Меняющуюся влажность атмосферы воздуха надо считать фактором, практически неуправляемым.

Влажный желоб неблагоприятно действует на первые протекающие порции стали, которые собственно и высушивают желоб. Однако в ковше сталь перемешивается из-за принудительной конвекции. Окислительное влияние атмосферы хотя и слабее, но оно со временем уменьшается незначительно, потому что атмосфера на поверхности контакта со сталью обновляется.

Благоприятные условия в фазе I показаны на фиг. 157 кривой 1, неблагоприятные - кривой 2:

Фаза II

Здесь надо рассматривать дополнительное окисление при работе только с одним ковшом и при переливке стали из большого ковша в малые. Считается, что раскислитель алюминий - уже введен в сталь.

Работа с одним ковшом

Снижение СР тем интенсивней, чем:

1) горячее сталь (МФ);

2) влажнее ковш (СФ);

3) влажнее выпускное отверстие ковша (СФ);

4) влажнее атмосфера, воздействующая на зеркало (СФ);

5) больше поверхность ковша, больше зеркало (КФ);

6) больше поверхность свободной струи из ковша (КФ).

Решающее значение имеют факторы 2 и 3. Если ковш и стакан хорошо прокалены, а зеркало стали покрыто шлаком, фактор 5 практически теряет значение. Свободная струя стали из ковша в литниковую воронку должна быть возможно более короткой и компактной, т. е. иметь возможно меньшую поверхность. В случае замерзания выпускного отверстия нельзя пользоваться кислородом. При помощи перечисленных мерможно существенно ограничить дополнительное окисление стали.

Переливание стали в малые ковши

Для большого ковша справедливо все сказанное, в том числе и о поверхности струи выпускаемой стали. Из большого ковша сталь поступает в малый, где снова действуют приведенные выше факторы (от 1 до 6) с той разницей, что поверхность малых ковшей больше, так что величина СР снижается интенсивнее, чем при одном большом ковше.

К этим факторам добавляется фактор:

7) влажность, ржавчина и поверхность сгребалки шлака, которой пользуются при заливке и которая отчасти погружается в сталь. Подобным образом влияют и разные стальные предметы, которые бросают в ковш для охлаждения материала.

Пути предотвращения чрезмерного дополнительного окисления в фазе II ясны. Целесообразнее всего иметь дело с большим ковшом, причем необходимо принимать надлежащие меры против большого эрозионного действия струи стали на форму. Если есть опасность, что в последующих фазах величина СР станет меньше единицы, то в этой фазе надо увеличить СР, вводя в малые ковши соответствующее количество алюминия.

Фаза II располагается вслед за фазой I в верхней и нижней частях фиг. 157. При этом кривые 1? и 2? (как наверху, так и внизу) отвечают очень неблагоприятным условиям - работе с плохо просушенными большим и малы ми ковшами. Кривые же 1? и 2? соответствуют очень хорошим условиям, т. е. работе с хорошо просушенным большим ковшом. Фаза II исходит из двух крайних положений в конце фазы I.

Дополнительное окисление в форме. Здесь различают фазы III - V.

Фаза III

В литниковой системе практически струя стали соприкасается с формой, только торец ее - с атмосферой, причем площадь этой поверхности контакта настолько мала, что ею можно пренебречь. Окисление струи стали в литниковой системе будет тем сильнее, чем:

1) выше температура протекающей стали (МФ);

2) влажнее форма около стояка (фактор формы ФФ как подгруппа фактора СФ);

3) больше восстановительных продуктов сгорания на поверхности контакта (ФФ);

4) больше поверхность струи (КФ);

5) более турбулентно течение стали, т. е. происходит конвекционная диффузия (МФ, ФФ, КФ).

Здесь решающее значение имеет фактор 2. В сухих формах в фазе III (горизонтальные отрезки на фиг. 157) дополнительное окисление незначительно, как и в сырых формах со стояком, выполненным в шамотных трубках.

В этом случае нет надобности уделять внимание остальным факторам. Значение имеет фактор 3 - чем больше восстановительных продуктов сгорания, тем более ограничивается дополнительное окисление, как это бывает при наличии в смеси органических добавок или связующих.

При неблагоприятном факторе 2 наиболее сильно окисляются первые порции протекающей стали, слабей всего последние - процесс окисления непостоянен и ослабевает со временем и местом.

Из сказанного ясны защитные меры против чрезмерного окисления стали в фазе III. Однако не следует отказываться от прогрессивного метода - литья в сырые формы. Против чрезмерного снижения величины СР следует принимать другие меры (см. п. 1 и 4).

Фаза III дополнительного окисления связана со всеми крайними положениями фазы II в верхней и нижней частях фиг. 157.

Фаза IV

Она тесно связана с фазой III. Поверхность соприкосновения стали с формой и атмосферой в полости формы колеблется в разных пределах, главным образом в зависимости от конструкции отливки. Здесь действуют все те же факторы, что и в фазе III, но к ним добавляется фактор

6) окислительная активность формы.

Этот фактор может иметь значение и в фазе III.

Если влага, содержащаяся в форме, не начнет испаряться до образования твердой поверхности корки на отливке, опасность окисления стали снижается. Так бывает, например, когда рабочую поверхность формы припыливают портландским цементом.

Дополнительное окисление от атмосферы тем сильней, чем:

1) выше температура стали (МФ);

2) выше влажность атмосферы (СФ);

3) больше зеркало стали во время заливки (КФ);

4) более турбулентно течение стали (МФ, СФ, КФ).

Окислительное действие воздуха слабее, чем сырой формы, но сильнее, чем формы сухой или сырой из смеси с органическими связующими. Мерой против этих воздействий может быть и правильная техника заливки [36].

При ламинарном заполнении сырая форма действует только на поверхностные части текущей стали. Естественной диффузии недостаточно, чтобы устранить возникающий градиент концентрации кислорода поперек потока. Окисленная поверхность, таким образом, предохраняет (пассивирует) внутренние части стали от дальнейшего окисления. Общее окислительное действие слабее, чем при турбулентном течении. Поскольку содержание кислорода превысит О_кр только на поверхности, образуются подповерхностные эндогенные раковины (газовая «сыпь»), середина же стенки остается здоровой.

Фаза IV связана со всеми конечными состояниями фазы III (фиг. 157).

Воздействие текущей стали на форму. Здесь следует различать физическое, химическое и механическое воздействия.

Физическое воздействие

Когда сталь течет в форме, торец потока охлаждается наиболее сильно, тогда как позднее протекающие части охлаждаются слабее. В конце периода заливки изменение температуры по длине отливки на ее поверхности (имеется в виду вытянутая в длину отливка с постоянным профилем поперечного сечения) схематически изображается кривой t_о на фиг. 158. Температура разных мест рабочей поверхности формы в те же моменты показана кривой t_ф; в торсе потока она ниже, чем в других частях.

Фиг. 158 Схематическое распределение некоторых физическихи химических величин в отливке (по ее длине) в конце заливки

С уменьшением температуры стали t_о от устья стояка к торцу потока связаны и различная вязкость стали [8] и время сохранения жидкого состояния ф_р на поверхности контакта сталь - форма.

Давление водяных паров D в форме наибольшее в месте входа стали, наименьшее у торца. Таким образом, физическое поле системы отливка - форма (температурное поле, поле давления паров, различные вязкости) неоднородно как на границе обеих соприкасающихся сред, так и в жидкой среде. Неоднородное температурное поле обусловливает такие явления, как пригар, который наблюдается преимущественно в тех местах, где существуют резкие энергетические градиенты t_o/t_ф, мало сопротивление реакции и велико имеющееся для нее время ф_р. Прежде всего это относится к участкам около устья стояка.

Химическое воздействие

Оно связано с воздействием физическим. Распределение содержания кислорода в форме О_ф и в отливке О_о по длине в конце периода заливки представлено на фиг. 158. Неоднородное поле концентрации на границе отливка - форма и в отливке ведет к химическим реакциям. Пока величина СР остается выше единицы, кислород из формы связывается со свободными раскисляющими элементами, находящимися в стали, т. е. с алюминием и кремнием. Как только же СР станет меньше единицы и количество образовавшейся FeO превысит FeO_кр, образуются эндогенные раковины. Ход изменения СР показан на фиг. 158. Рассмотренные реакции протекают интенсивнее в торце потока, потому что здесь для них создаются более благоприятные условия в фазе IV.

FeO может также соединяться с SiO₂ (песок) с образованием файялита (так называемый химический пригар), но это происходит только в тех местах, где период реакции ф_р достаточно велик и в распоряжении имеется надлежащее количество FeO. Понятно, что образование химического пригара (реакция гетерогенная) способствует ослаблению гомогенной реакции углерода и тем самым противодействует образованию газовой сыпи.

Механическое воздействие

Снижение температуры текущей стали, а тем самым повышение ее вязкости и возрастание трения стали о форму в связи с увеличением поверхности их контакта вызывают постепенное уменьшение линейной скорости течения стали во времени и пространстве при постоянной высоте напора. У отливок, заливаемых сифоном, скорость в торце потока, а тем самым и в остальных его частях уменьшается еще быстрее, особенно когда с подъемом зеркала увеличивается полость формы в связи с конструкцией отливки. Линейная скорость потока является решающим фактором. В один и тот же момент она одинакова у торца и у остальных частей потока.

Трение протекающего сплава о стенки формы зависит от его удельного веса, иначе от гидростатического давления в данном месте, от квадрата линейной скорости потока на поверхности контакта сплава с формой и от коэффициента трения сплава о форму, т. е. от гладкости формы, присутствия газовой пленки между сплавом и формой и т. п. Это трение называют внешним трением; оно представляет внешнее сопротивление течению, поскольку оно тормозит течение.

Сплав сам по себе создает сопротивление течению из-за своего внутреннего трения - вязкости.

У отливок с большой поверхностью внешнее трение преобладает над внутренним, у отливок же с малой поверхностью -- наоборот. Поэтому формы для более тонкостенных отливок могут заполняться скорее ламинарно, более же массивные -- турбулентно. Как видно, большое значение имеет здесь и конструкция отливки.

Фиг. 159 Изменение числа Рейнольдса по длине отливки l.

Эти зависимости выражаются комплексно безразмерным критерием - числом Рейнольдса Rе:

где ? - линейная скорость потока, уменьшающаяся во времени;

н - кинематическая вязкость сплава, тоже уменьшающаяся во времени;

D - гидравлический диаметр, зависящий от конструкции отливки.

Эти величины представлены на фиг. 159 для постоянного сечения литой части, т. е. для D = const. Ход изменения величин ? и н при D = coпst определяет ход изменения и величины Re = = const·(?/н). Как видно из фиг. 159, эта величина уменьшается с изменением положения торца потока сплава. В реальных отливках существуют, однако, отношения более сложные.

Пока величина Re выше критического значения Reкр, которое длястали равно 3000, поток стали будет турбулентным, при Re < Rе_кр - ламинарным. Это имеет существенное влияние наэнергетические градиенты в потоке - температурный, скоростной и по концентрации. При турбулентном течении практически отпадают энергетические градиенты поперек потока, потому что происходит конвекционная диффузия. При ламинарном течении поперечные энергетические градиенты выражены весьма отчетливо. На границе отливка - форма градиенты также остаются относительно высокими, хотя и меньшими, чем в случае турбулентного течения.

Одновременное влияние Re и О_о на качество отливки. На фиг. 160 и 161 показаны разные сочетания возможностей изменения величин Re и 0_о во время заполнения полости формы для отливки одинаковой толщины и длиной l. Эта отливка представляет горизонтальную ось всех графиков. На всех графиках величина Rе_кр показана горизонтальной прямой, над которой располагается область турбулентного движения, а под ней - ламинарного. Другая горизонтальная прямая характеризует величину О_кр (FеО_кр); над ней - область образования эндогенных раковин, под ней - свободная от этих дефектов область. Кривые Re и О_о характеризуют изменение этих величин по длине отливки. Верхние границы столбиков с левой и правой сторон графиков показывают содержание кислорода в данном месте отливки и его распределение по поперечному сечению в момент окончания фазы IV. На протяжении фазы V содержание О_о на поверхности отливки может еще дополнительно подняться, если сталь остается достаточно долго в жидком состоянии.

Графики на фиг. 160 построены исходя из предположений об одинаковом изменении числа Re по длине отливки, причем во всех случаях Re выше Rе_кр. Однако каждый из этих графиков начинается с разного содержания кислорода О_о, дополнительно поступившего в сталь. На фиг. 160, а повсюду О_о< О_кр и поэтому отливка получается без эндогенных раковин. На фиг. 160, б от места, где величина О_o превысила О_кр, а величина СР еще до этого стала меньше 1, эндогенные раковины образуются равно мерно по всему сечению, поскольку кислород распределяется равномерно в поперечном сечении. На фиг.160, в уже с самого поступления стали в полость отливки O_о> О_крвследствие чего вся отливка поражается эндогенными раковинами; особенно густо они располагаются в правой части отливки. Здесь область образования раковин может еще расшириться в последующей фазе V, если существует жидкая фаза влево от границы области раковин у поверхности отливки.

Фиг. 160 Разная интенсивность дополнительного окисления в форме при турбулентном течении. Внизу схематически показано распределение эндогенных раковин



Фиг. 161 Разная интенсивность дополнительного окисления в форме при турбулентном и ламинарном течениях

Графики на фиг. 161, а и б построены исходя из одинакового содержания О_о в стали при входе в отливку. Однако случае фиг. 161, г величина Rе в точке 1 находится в начале подкритической области, т. е. в области ламинарного движения. Правее этого места от формы окисляется только поверхность потока (ветвь ), в то время как внутри поток уже не окисляется (ветвь горизонтальна). Окисленный поверхностный слой, по существу, предохраняет от окисления внутреннюю часть потока, причем естественной диффузии недостаточно для своевременной ликвидации этого градиента концентрации. Поскольку имеет место значительное насыщение поверхности кислородом, ход кривой отличается от хода кривой O_o. На фиг. 161, а величина СР больше единицы, и отливка будет здоровой по окончании фазы IV. На графике фиг. 161,б отливка по всей длине заполняется ламинарно, и поэтому уже с самого начала пунктирная кривая O_o заменяется ветвями (внутренняя часть потока) и (поверхность соприкосновения отливки с формой). В связи с этим практически во всех поперечных сечениях будет иметься градиент концентрации кислорода.

Как видно из фиг. 161, в, в точке 1 величина Re переходит в подкритическую. Дальше кривая O_o разделяетсяна (внутри отливки) и (на поверхности отливки). От точки 2 вправо образуются эндогенные раковины в техчастях, гдеО_о> О_кр, т. е. на поверхности отливки. В конце фазы IV вправо от точки 2 появится газовая сыпь.

На фиг. 161, г точка 2, в которой O_o = О_кр, расположена перед 1, где Re < Rе_кр. От 2 вправо в период фазы IV по всему сечению образуются эндогенные раковины, а правее точки 1, - кроме того, и подповерхностные раковины.

Конечно, у сложных отливок заполняющиеся ламинарно части могут находиться не в торце потока, а в разных местах. Кроме того, в этих отливках некоторые части заполняются ламинарно, некоторые же - турбулентно в зависимости от местных значений Re, которые в разных частях отливки могут значительно отличаться друг от друга.

Окислительное влияние атмосферы в полости формы. Во время заполнения полости формы изменяется отношение между поверхностью расплава, омывающего форму, F_ом и всей поверхностью расплава F. В процессе заливки увеличиваются и F_ом и F, но их соотношение может колебаться в зависимости от конфигурации полости формы. Имеет значение также разность F -F_ом = F_а, т. е. поверхность контакта сплава с атмосферой формы во время заполнения последней. Окислительное влияние атмосферы на сталь, правда, меньше, чем сырой формы. Тем не менее при определенных условиях под влиянием атмосферы формы окисление спокойно поднимающегося в форме зеркала стали может достигнуть величин, когда СР меньше единицы, а О_o выше О_кр. Это наблюдается при относительно низком исходном значении СР и при относительно большом дополнительном окислении в фазах I и II, иногда и III (в сырой форме). Окисление происходит под действием кислорода воздуха, водяных паров, поступающих из формы в полость, и влажного воздуха.

Эти отношения иллюстрирует фиг. 162, на которой слева показана часть отливки, заполняемой снизу, а на графиках а - в - разные условия течения и дополнительного окисления. На фиг. 162, а Rе > Rе_кр, а О_о< О_кр, причем О_о означает изменение содержания кислорода в стали вследствие окисления атмосферы. В данных условиях отливка получится здоровой, т. е. без раковин.

Фиг. 162, б показывает, что верхняя часть отливки заполняется ламинарно, нижняя - еще турбулентно. Исходная величина О_о одинакова, но в точке пересечения кривых Re и Rе_кр при дальнейшем подъеме зеркала кривая О_о разветвляется на (внутренняя область расплава) и (зеркало расплава). Кривая нигде не превышает О_кр, так что в конце фазы IV отливка будет без раковин (см. фиг. 162, б, внизу).

На фиг. 162, в в точке пересечения Re и Rе_кр численное значение О_онастолько увеличилось (главным образом предшествующих фазах), что сразу превышает О_круже с момента заполнения формы на зеркале стали образуется газовая сыпь в фазе IV, причем и в сухой форме.

Такие явления происходят преимущественно при следующих условия к:

Фиг. 162 Дополнительное окисление от атмосферы в полости формы

1) слишком низкое исходное значение СР;

2) высокая влажность воздуха;

3) медленный подъем зеркала стали, т. е. длительная реакция (фиг. 163).

Хотя высокая температура заливки стали повышает ее сродство к кислороду, но одновременно она расширяет область турбулентного течения до конца фазы IV. Подобным образом влияет и содержание углерода в стали: высокое содержание углерода снижает предел О_кр (потому что реакция углерода начинается при более низком содержании FeО в стали), однако при этом расширяется область турбулентного течения в связи с меньшей вязкостью стали. Высокое содержание углерода неблагоприятно сказывается только в фазе IV.

Фиг. 163 Результаты дополнительного окисления в полости формы

Аналогичным образом можно сравнивать сталь кислую и основную одного химического состава и одной температуры. Кислая сталь вследствие своей меньшей вязкости расширяет область турбулентного течения, т. е. действует благоприятно. В фазах III и

IV наблюдается меньшая склонность к градиентам концентрации, но в фазе V обе стали ведут себя одинаково по отношению к кислороду.

Фаза V

Химическое, физическое и механическое' взаимодействия стали и окружающей среды продолжаются и после заполнения формы, т. е. в фазе V (см. фиг.157). Эти взаимодействия тем сильнее, чем выше энергетические градиенты по окончании фазы IV и чем больше время реакции, т. е. чем дольше сталь остается в жидком состоянии при контакте с формой.

В фазе V продолжается окисление жидкой, но непротекающей стали на поверхности контакта с формой в тех местах, где после фазы IV: а) остался соответствующий градиент концентрации кислорода на границе отливка - форма и б) сталь пребывает надлежащее время в жидком состоянии в фазе V.

Более точно эти условия можно представить следующим образом:

1) более высокая температура стали в конце фазы IV (МФ);

2) более высокая влажность формы (ФФ);

3) кратковременное быстрое течение стали через данную часть формы в фазе V (ФФ, КФ);

4) чем выше содержание углерода, тем дольше сталь остается в жидком состоянии и тем больше ее склонность к окислению.

Факторы 1 и 3 в сухих формах значения не имеют, тогда как в сырых формах фактор 3 играет существенную роль.

В конце фазы IV торец потока окислен наиболее сильно. После турбулентного заполнения поверхностные участки стали способны еще присоединить некоторое количество кислорода в период фазы V, после ламинарного же практически этого никогда не наблюдается, даже если величина ф_II значительна.

В фазе V могут окисляться, следовательно, дополнительные поверхностные участки жидкой стали, главным образом после турбулентного течения в фазе IV. Внутренние части пассивированы, т. е. защищены от реакции с новыми количествами кислорода; диффузия кислорода в стали недостаточно сильна для устранения градиента концентрации перед затвердеванием корки отливки. Если в конце фазы IV содержание кислорода приближается к критическому значению, в фазе V может продолжаться окисление, в результате которого будет достигнуто неравенство FеO > FеО_кр, и в отливке образуются поверхностные раковины. Практически в фазе V может образоваться только газовая сыпь. В местах отливки, удаленных от торца потока, газовая сыпь не возникает, потому что содержание кислорода (из фазы IV) для этого недостаточно.

Когда сталь проходит в форме очень длинный путь, на отливке может образоваться целая закономерная шкала дефектов. Вблизи подвода питания форма перегревается наиболее сильно, но здесь еще высоко значение СР и велик период нахождения стали н жидком состоянии ф_II. На отливке появится механический пригар, иногда точечные вскипы или оба дефекта одновременно. На фиг. 164 показаны дефекты в направлении от стояка к торцу отливки: механический пригар (а), здоровая часть отливки (б), подповерхностные раковины - газовая сыпь (в) и внутренние газовые раковины (г). Торец потока может быть недолитым. Подобная комбинация дефектов вполне соответствует практике [51], и эффективные меры борьбы с ними надо искать в процессах формовки и заливки. Здесь нельзя обойтись без компромисса с точки зрения качества отливки.

Различия между эффектом дополнительного окисления в фазах IV и V видны на нижних частях фиг. 160, б и в;161, в и г; 162, б и в. Отсюда ясно, что газовая сыпь в разных частях поверхности отливки образуется неодновременно.

Фиг. 164 Возможная закономерная комбинация дефектов на отливке

Дополнительного окисления в фазе V практически не наблюдается при отсутствии значительного градиента концентраций кислорода в форме и стали. Это следует принять во внимание

при литье по-сухому и применении органических связующих. При этих условиях в период фазы V газовая сыпь не образуется.

При сложной конструкции отливки и при литье по-сырому может также появиться много различных дефектов, зависящих от энергетических градиентов. Взаимное расположение дефектов не бывает, конечно, таким правильным, как указывалось выше. Здесь решающее значение имеют конструкция отливки и техника формовки и заливки.

Спокойная сталь требует соответствующего внимания в период выпуска ее из печи до начала затвердевания отливки. В этот период необходимо принять следующие меры:

1. Все предметы, с которыми сталь соприкасается до входа в форму, т. е. печной желоб, раздаточный ковш, мелкие ковши и погружаемый инструментарий, должны оказывать возможно меньшее окислительное действие. Они должны быть хорошо высушены или прокалены, не иметь на себе окалины или ржавчины.

2. Необходимо, чтобы сырые формы имели оптимальную влажность. В смысле дополнительного окисления выгодны органические связующие или сухие формы. Из-за опасности получения раковин, конечно, нельзя отказаться от прогрессивного способа - получения стальных отливок в сырых песчано-бентонитных формах.

3. Окислительное действие сырых форм можно предупредить, припыливая рабочую поверхность форм цементом.

4. При заливке поверхность контакта стали с опасны ми средами должна быть возможно меньшей. Кроме того, необходимо, чтобы путь стали был наиболее длинным, а скорости заливки - наибольшими.

5. Необходимо считаться с окислительным действием формы, связанной бентонитом, с неблагоприятной конструкцией отливки и изменяющейся влажностью воздуха.

С этими условиями должна согласовываться исходная степень раскисленности стали.



2. ЛИТЬЕ В ПОЛУКОКИЛЬ (С РЕВЕРСИРОВАНИЕМ) СЕКЦИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ

Стальные коленчатые валы для автомобилей (фиг. 165) до последнего времени отливали в формах, изготовленных по моделям (фиг. 166), с применением большого числа стержней. На четыре отливки в форме с общим стояком приходилось 15 стержней, т. е. по 3,75 стержня на одну отливку. Плоскость разъема формы показана на фиг. 165. Питатели выполнялись в стержнях в нижней полуформе под поверхностью разъема и подводились изнутри в обе кольцевые фланцевые части отливки на середине их высоты. Прибыль была удалена от стояка и имела увеличенные размеры, чтобы компенсировать меньшее теплосодержание заполнявшей ее стали.

Большое количество стержней создавало опасность получения отливки с песочными раковинами. Применявшаяся техника заливки вызывала большую разницу температур в разных частях отливки, что вело к мелким трещинам наружных верхних



Фиг. 165 Форма для отливки секции коленчатого вала, но старой технологии

частей кольцевых фланцев еще в сыром состоянии.

Новый способ значительно проще. У отдельной отливки ликвидированы все стержни, кроме стержня, образующего полость в отливке. На фиг. 167 видна плоскость разъема и закрытая сферическая прибыль, присоединенная к шейке. Эта прибыль прилегает к стояку, вследствие чего сталь протекает по ней в течение всего периода заливки; это обеспечивает высокую эффективность прибыли. Первые порции протекающей стали теряют значительное количество тепла в стояке и в прибыли, а в оба кольцевых Фланцевых узла отливки поступает более холодная сталь. Позднее входящие порции стали становятся все горячей. В конце заливки в прибыли (и в стояке) сталь самая горячая, а в обоих фланцах, особенно в местах, наиболее удаленных от прибыли, - самая холодная. В системе отливка - прибыль образуется еще более выраженное температурное поле с высокой степенью направленного затвердевания, если форму заливать в наклонном положении так, чтобы сторона со стояком и прибылью занимала более низкое положение, чем противоположная. Очень малый термический узел, представляемый обоими фланцами отливки, переохлажден, потому что его удаленная от стояка часть абсолютно и относительно непроточна, тогда как относительная проточность более близкой к прибыли части ниже средней величины (имеется в виду малая отливка). На этом основании можно подойти к обезвреживанию этого узла за счет захолаживания снаружи так, чтобы он затвердевал обязательно раньше, чем шейка, а шейка - раньше, чем прибыль. Захолодить снаружи можно и более мощный узел.

Фиг. 166 Модельная плита на четыре секции коленчатого вала

Фиг. 168 Модельные плиты на три секции коленчатого вала

Фиг. 167 Форма для отливки секции коленчатого вала по новой технологии

Фиг. 169 Опока-полукокиль (чертеж)

После заливки форму надо повернуть так; чтобы выше всего располагалась наиболее горячая прибыль, т. е. чтобы к наиболее выгодному температурному полю добавлялось и наиболее выгодное силовое поле.

Фиг. 170 Опока-полукокиль (фото)

Чтобы сделать новый способ еще более экономичным, на одну плиту поместили три секции коленчатых валов (фиг. 168). Установки кольцевого холодильника в форме избежали, заменив обычную опоку опокой-полукокилем, показанной на фиг. 169 и 170. Полукокиль одновременно служит и обычной опокой. Только кольцевые части каждой из трех отливок тесно прилегают к опоке, охлаждаясь ею, все остальное изготовляется из формовочной смеси. На фиг. 171 показан разрез формы в плоскости разъема, а на фиг. 172 - нижняя полуформа с установленными стержнями и атмосферными стерженьками в прибылях; на фиг. 173 дан вид верхней полуформы. На фиг. 172 и 173 видны вентиляционные каналы из металлической опоры стержневого знака для облегчения вывода газов из стержней в атмосферу.



Фиг. 171 Разрез по плоскости разъема формы

Фиг. 172 Нижняя полуформа



Фиг. 173 Верхняя полуформа

Фиг. 174 Форма подготовленная к заливке

Фиг. 175 Форма, аовертнутая после заливки

Фиг. 176 Куст из трех отливок

Тонкая часть поперечной опоки сделана волнистой, чтобы опока не была жесткой и не треснула от тепловой нагрузки и в то же время не коробилась значительно в частях, близко прилегающих к отливке. Вообще от этих тонких частей можно было бы отказаться. Однако они были оставлены для сообщения некоторой жесткости опоке.

Фиг. 177 Разрезанная отливка

Вид на форму в сборе, подготовленную к заливке, дан на фиг. 174. При заливке сторона со стояком должна быть ниже, чем противоположная. В этом положении форму надо подпереть тем или иным способом. После заливки подпорка убирается, и залитая форма поворачивается так, чтобы ее прибыльная часть заняла наиболее высокое положение (фиг. 175). Распределение веса залитой формы и положение поворотных цапф согласованы между собой так, что неподпертая форма под действием собственного веса становится в положение, необходимое при затвердевании.

Отлитый и очищенный куст из трех отливок с общим литником приведен на фиг. 176. Коленчатые валы получаются без дефектов (фиг. 177).

3. ЭКОНОМИЧНОСТЬ СПОСОБА

В табл. 5 сопоставлены главные экономические параметры нового и прежнего способов отливки коленчатых валов.

При плановой цене одной отливки 99,60 чешской кроны прибыль на 1 отливку составит 3,34 кроны при прежнем и 21,29 кроны при новом способе. На годовой серии в 10 000 шт. достигаемая прибыль будет соответственно 33 400 и 212 900 крон.

В данном сравнении не учитывается, что при новом способе расход смеси на 1 отливку меньше, поэтому высота формы, особенно верхней полуформы, значительно меньше. Отливка может иметь меньший вес за счет меньших припусков на обработку, потому что в полукокиле отливка получается с более точными размерами. Накладные рас ходы также в действительности будут меньше.

Недостатками предложенного способа можно считать увеличенные затраты на кокильные опоки по сравнению с обычными



Таблица 5

Сравнение экономических показателей при новом и старом способах литья

Параметр	Прежний способ	Новый способ	Процент по отношению к затратам при старом способе
А. Использование металла
Черный вес отливки (с прибылью и литниками), кг	4 отливки в форме 138,0	3 отливки в форме 83,5
	Черный вес	Черный вес
	1 отливки	34,5	1 отливки	27,8
Вес холодной завалки на 1 отливку (12% потери), кг	39,2	31,6
Вес отливки (без прибыли и литников), кг	19,5	19,5
Вес прибыли и литников на 1 отливку, кг	15,0	8,3
Выход годного по жидкой стали, %	56,5	70,0
Выход годного по холодной завалке, %	49,7	61,7
Б. Затраты на материал на 1 отливку
1. Материал на отливку с прибылью и литниками, кроны	39,2Ч 0,342=13,40	31,6 Ч 0,34 = 10,82	80,6
2. Материал на прибыль и стояк, кроны	15,0Ч0,29 = 4,35	8,3 Ч 0,29 = 2,42	55,7
3. Материал на отливку без прибыли и литников (1 - 2), кроны	9,05	8,40	92,8
4. Затраты на плавку, кроны	Включая 15% брака, 39,2 Ч 0,47 Ч 1,15 = 21,20	Включая 7% брака, 31,6 Ч 0,47 Ч 1,07 = 15,85	70,1
5. Общие затраты на материал (3+4), кроны	30,25	24,25	80,0
В. Заработная плата и накладные расходы
1. Зарплата на отливку, кроны	8,41	6,91	82,0
2. Накладные расходы 635% (включая брак), кроны	53,40	43,90	82,2
3. Убыток от брака, кроны	4,20	3,45	82,2
4. Общие затраты (1 - 2+3), кроны	66,01	54,26	82,2
Г. Полные расходы на 1 отливку
(Б5 + В4), кроны	96,26	78,41	81,3

в связи с требованием большей точности размеров и большую потребность в формовочной площади, если залитые формы поворачивали бы не на специальных козлах, а прямо на формовочном плацу.

Существуют разные типы литых стальных коленчатых валов, у которых фланцы представляют сравнительно небольшие термические узлы. Если бы и при литье в песчаные формы была гарантирована достаточная точность размеров отливки, можно было бы и на торцовой части фланцев уменьшить припуски на обработку. Новый способ потребовал бы литья не в кокильные опоки, а только в обычные, но, конечно, с использованием поворотных способов (тупоугольное реверсирование) по приведенной технологии. Тем самым были бы существенно снижены затраты на производственную оснастку.

4. УСТАНОВЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОСЕВОЙ РЫХЛОСТИ В ПОЛЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОТЛИВКАХ

Положение и форма тепловой оси интересуют литейщика потому, что качество отливки бывает, как правило, наихудшим на тепловой оси. У сплавов, затвердевающих с наличием двухфазной области, появляется осевая рыхлость независимо от того, затвердевала ли стенка одновременно по всему объему или с малой степенью направленности затвердевания.

Степень направленности затвердевания ц можно определить как угол щ, образуемый двухфазными зонами, продвигающимися от обеих поверхностей, или отношением (t₁ - t₂)/l, где t₁ и t₂ - температура в разных участках тепловой оси, l - расстояние между этим участками, измеренное по тепловой оси (фиг. 178) [52]. При этом t₁ замеряется ближе к прибыли. Если дробь имеет положительный знак, затвердевание будет положительно направленным, если отрицательный - отрицательно направленным, если же равна нулю - одновременным (специальный случай).

При отрицательно направленном затвердевании на тепловой оси образуется осевая усадочная раковина, которая у сплавов с незначительным

Фиг. 178 Схема для определения степени направленности затвердевания

или нулевым интервалом затвердевания может привести к полному расслоению стенки отливки (фиг. 179). Осевая рыхлость не образуется только в том случае, если степень направленности затвердевания в стенке отливки превысит при данных условиях определенную критическую величину, так что свободный расплав сможет в течение всего периода затвердевания восполнять убыль объема, возникающую в результате усадки затвердевающих частей. Но и в этом случае, однако, отливку нельзя считать однородной, потому что в результате процесса ликвации в стенке отливки создается химическая неоднородность, характеризуемая большим скоплением ликвирующих элементов на тепловой оси и подле нее.

Очевидно, что положение тепловой оси должно интересовать литейщика не только в связи с опасностью возникновения осевой рыхлости или осевой усадочной раковины, но и в связи с ликвацией. Механические и другие свойства материала на тепловой оси обычно отличаются, причем иногда весьма значительно, от свойств у поверхности. Особенно резко различаются те свойства,

Фиг. 179 Осевая усадочная раковина на тепловой оси

которые характеризуют пластичность материала - удлинение и сужение.

5. ТЕПЛОВАЯ ОСЬ ОТЛИВКИ

Тепловая ось или тепловой центр отливки - это место, где последние части сплава переходят из жидкого состояния в твердое. В момент, когда кончается затвердевание стенки отливки, на тепловой оси самая высокая температура (этим объясняется и название оси). Тепловую ось определяют как геометрическое место точек, где в момент конца затвердевания температура наивысшая.

Конфигурация и положение тепловой оси у отливок имеют большое практическое значение. Конфигурация тепловой оси определяется конфигурацией затвердевающего тела. На фиг. 180 показаны геометрически простые тела. У бесконечной прямой плиты, если не учитывать влияния ее кромок, тепловой осью является плоскость (фиг. 180, а). У бесконечного цилиндра или призмы осью будет прямая линия (фиг. 180, в), а у шара и куба - точка (фиг. 180, г).Тепловая ось полого цилиндра имеет форму цилиндрической поверхности (фиг. 181, а), тепловая же ось полого шара - шаровой поверхности (фиг. 181, б). Если цилиндрсвернуть в кольцо, то тепловой осью станет окружность (фиг. 182). У тел, более сложных, чем геометрически простые, конфигурация тепловой оси зависит от конфигурации тела и условий охлаждения.

Фиг. 180 Тепловые оси у геометрически простых тел. 1 - тепловая ось; 2 - геометрическая ось. (На всех последующих фигурах эти оси обозначены так же.)

Положение тепловой оси в стенке отливки не совпадает с геометрической осью, потому что неодинаковы условия затвердевания от обеих поверхностей стенки (фиг. 180, б). Только в особом случае, т. е. при совершенно определенной конфигурации отливки и при одинаковой скорости затвердевания от обеих поверхностей положение тепловой и геометрической осей может совпасть. Примером такого особого случая может послужить прямая плита, отлитая в вертикальном положении и заформованная с обеих сторон в материал с одинаковой теплопроницаемостью, причем с обеих сторон одинаковы формовочная смесь и исходная температура формы (фиг. 180, а).

Фиг. 181 Тепловые оси у полого цилиндра и полго шара



Фиг. 182 Тепловая ось у кольца из свернутого цилиндра

6. ПОДКРИТИЧЕСКАЯ И СВЕРХКРИТИЧЕСКАЯ СТЕПЕНИ НАПРАВЛЕННОСТИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

Хотя данный вопрос не главный в настоящей работе, однако заранее необходимо указать на существующие общие закономерности, чтобы выявить широкие зависимости. При этом имеется в виду только направленное затвердевание, когда величина ц = (t₁ - t₂)/l положительная, потому что литейщик располагает средствами не допустить грубой ошибки - отрицательно направленного или одновременного затвердевания в стенках, где по условиям эксплуатации не должно быть осевой рыхлости. Что касается ликвации, то, к сожалению, имеются лишь весьма ограниченные возможности предотвратить ее.

Фиг. 183 Выбор уклона стенки

В области направленного затвердевания существует определенная критическая степень направленности затвердевания ц_кр: при ц > ц_кр отливка получается здоровойна тепловой оси, при ц < ц_кр в отливке образуется осевая рыхлость.

...