Kinetyka krzepnięcia wlewka stalowego.pdf

(123 KB) Pobierz
Kinetyka krzepnięcia wlewka stalowego
I.
Część teoretyczna
Ciekła stal przechodzi we wlewnicy w stan stały. Kryształy wydzielające się z ciekłej
stali nazywają się kryształami pierwotnymi, a powstająca struktura – strukturą pierwotną w
odró nieniu od struktury wtórnej utworzonej w stanie stałym.
Postać utworzonej struktury pierwotnej wpływa na właściwości stali odlanej w postaci
wlewka, na jej dalsze zachowanie przy dalszej przeróbce i pewnym stopniu na właściwości
wyrobów gotowych. Z wymienionych powodów istotne jest zapoznanie się z przebiegiem
krystalizacji i szybkością krzepnięcia wlewka, jak równie z kolejnością krystalizacji jego
poszczególnych stref. Znajomość szybkości i kolejności krzepnięcia poszczególnych stref
umo liwia ustalenie optymalnego czasu wytrzymania wlewków we wlewnicach, warunków
potrzebnych do zasilania środkowych stref wlewka ciekłym metalem z nadstawki itp.
1. Warunki energetyczne procesu krystalizacji
W przyrodzie wszystkie przemiany przebiegają samorzutnie, czyli zarówno
krystalizacja jak i topnienie przebiegają samorzutnie wywołane są tym,
e nowy stan
skupienia jest w nowych warunkach bardziej stabilny, tzn. ma mniejszy zasób energii.
Ogólnie mo na stwierdzić, e im większa jest energia swobodna układu tym mniejsza
jest jego trwałość /stabilność/ i jeśli jest to tylko mo liwe , to w układzie zachodzą takie
zmiany aby energia układu w nowym stanie była mniejsza. Zawsze wraz ze zmianą
warunków zewnętrznych, np. temperatury, energia swobodna układu zmienia się, przy czym
przebieg tej zmiany jest inny w stanie ciekłym ni w stanie stałym. Na rys. 1 przedstawiono
schematycznie charakter zmiany energii swobodnej w stanie ciekłym i stałym zale nie od
temperatury.
1
Rys. 1. Zmiana energii swobodnej układu w stanie ciekłym i stałym w zale ności od
temperatury.
Powy ej temperatury T
s
mniejszą energię swobodną ma substancja w stanie ciekłym,
poni ej temperatury T
s
ta sama substancja w stanie stałym. Wynika stąd, ze powy ej
temperatury T
s
substancja powinna znajdować się w stanie stałym, a poni ej w stanie stałym
w postaci krystalicznej. Jest oczywiste, e przy temperaturze równej T
s
energia swobodna w
stanie ciekłym jest równa energii w stanie stałym i substancja występuje zarówno w stanie
ciekłym jak i stałym w stanie równowagi. Temperatura T
s
jest zatem temperaturą stanu
równowagi lub teoretyczną temperaturą krystalizacji. Je eli jednak chłodzimy ciecz to przy
temperaturze T
s
proces krystalizacji nie będzie przebiegał, poniewa przy tej temperaturze
F
c
=F krystalizacji. Aby krystalizacja mogła się rozpocząć konieczne jest zmniejszenie energii
swobodnej układu. Na podstawie krzywych zamieszczonych na rys. 1 mo na wnioskować, e
mo liwe jest to jedynie w przypadku gdy temperatura cieczy obni y się poni ej temperatury
T
s
. Temperaturę przy której rozpoczyna się krystalizacja nazywamy rzeczywistą temperaturą
krystalizacji.
Ochłodzenie
cieczy
poni ej
temperatury
równowagi
nazywa
się
przechłodzeniem cieczy, a wielkość przechłodzenia nazywa się stopniem przechłodzenia.
Mo na równie stwierdzić, e przemiana odwrotna, a mianowicie przejście ze stanu
stałego w stan ciekły, mo e odbywać się jedynie powy ej temperatury T
s
. Zjawisko to
nazywa się przegrzaniem.
Przedstawione powy ej rozwa ania dotyczą czystych substancji. Ciekła stal jest
2
wieloskładnikowym roztworem. Z tego powodu nale y uwzględnić jeszcze efekt
przechłodzenia stę eniowego, co jest wyczerpująco przedstawiane w ramach wykładu.
2 Szybkość krzepnięcia stali we wlewnicy
Krzepnięcie stali we wlewnicy jest procesem zło onym, a analiza procesu jest
utrudniona z następujących powodów:
-
-
-
stal nie krzepnie przy stałej temperaturze ale w pewnym zakresie temperatur,
na przekroju krzepnącego wlewka występuje ró nica temperatury,
własności fizyczne
rozszerzalności
eliwa /wlewnica/ i stali są ró ne, współczynnik
liniowej eliwa wynosi 0,10·10
-4
/ºC, współczynniki dla stali są
zmienne i wahają się w granicach 0,15·10
-4
/ºC do 0,25·10
-4
/ºC,
-
tworząca się szczelina pomiędzy wlewkiem a wlewnicą utrudnia przepływ ciepła
z wlewka do wlewnicy.
Wy ej wymienione trudności są przyczyną, e do chwili obecnej dla określenia
grubości zakrzepniętej warstwy wlewka posługujemy się wzorem D. Stefana:
d
=
k
⋅
t
gdzie:
d – grubość zakrzepniętej warstwy, cm,
k – współczynnik krzepnięcia, cm/min
-0,5
Przedstawione powy ej równanie zostało wyprowadzone w 1889 roku dla określenia
grubości lodu na biegunie i nazywane jest prawem pierwiastka kwadratowego. Skorygowany
wzór Stefana dla warunków krzepnięcia wlewka stalowego ma postać:
(1)
d
=
k t
−
C
gdzie:
C – stała uzale niona od stopnia przegrzania stali.
(2)
Współczynnik k nie jest wielkością stałą, ale zale y od czasu krzepnięcia wlewka,
materiału z jakiego wykonana jest wlewnica oraz od temperatury ścian wlewnicy.
3 Metody określania czasu krzepnięcia wlewka
1.
2.
Wylewanie wlewków w czasie ich krzepnięcia.
Analiza matematyczna.
3
3.
4.
5.
Wykorzystanie wyników pomiarów przewodności elektrycznej.
Pomiar temperatury krzepnących wlewków.
Badania modelowe z zastosowaniem parafiny lub naftalenu.
Dotychczasowe badania wykazały, e wartość współczynnika k w pierwszym okresie
krzepnięcia wlewków kwadratowych i płaskich waha się w granicach 22-24, a dla wlewków
okrągłych wynosi 22. Krzepnięcie wlewka w tym okresie jest zgodne z prawem pierwiastka
kwadratowego. W miarę upływu czasu szybkość krzepnięcia wzrasta wraz ze wzrostem
stosunku powierzchni odprowadzającej ciepło do ciekłej części wlewka.
II.
Cel ćwiczenia
Określenie współczynnika szybkości krzepnięcia k na podstawie badań modelowych.
III.
Opis stanowiska badawczego
Aparatura: kadź odlewnicza, wlewnice, ciecz modelowa – naftalen.
IV.
Przebieg ćwiczenia
-
-
-
-
roztopienie naftalenu,
odlanie naftalenu do 3-ch wlewnic,
po upływie 10, 30 i 40 minut wylanie z wlewnic nie zakrzepniętego naftalenu,
przecięcie w osi otrzymanych wlewków i zmierzenie w kilku punktach
zakrzepniętej warstwy.
V.
Opracowanie wyników
-
-
-
korzystając z wzoru Stefana obliczyć współczynnik krzepnięcia k,
wykonać wykres zale ności grubości warstwy zakrzepniętej od czasu krzepnięcia,
na podstawie otrzymanych wyników opracować wnioski.
Literatura:
1.
Cramb A.W.: The making, shaping and treating of steel 11
th
edition, Casting
volume 2003, CD.
2.
3.
Schwerdtfeger K.: Metallurgie des Stranggiessens, Stahleisen 1992.
Schrewe H.,F.: Continuous casting of steel, Stahleisen, 1989.
4

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin