Литьё намораживанием.

Возможности метода намораживания сейчас сильно расширились в связи с тем, что удается очень гибко управлять процессом намерзания корки и получать фронт кристаллизации весьма сложных очертаний.

 

Фото. Поршневые и уплотнительные кольца, втулки, диски и другие детали типа тел вращения различного назначения из специальных легированных износостойких чугунов, полученные методом «намораживания» на заводе «Технолит».

Для процесса литья намораживанием важное значение имеет механизм образования и сохранения корки.
Он осложняется тем, что иногда наблюдается подплавление корки теплотой перегрева, что может ухудшить качество отливки.
В начальный период охлаждения расплавленного металла интенсивный отвод тепла от прилегающей к форме части расплава в форму, естественно, приводит к образованию твердой корки.
Но отдача тепла от более нагретой сердцевины к форме продолжается. Именно в этот момент теплообмен может ухудшиться (например, вследствие образования газового зазора между коркой и формой). А в результате, под действием оставшегося перегрева, корка частично или полностью расплавляется, так как скорость подвода тепла от перегретого расплава к корке превышает скорость отвода тепла от наружной поверхности к форме. По мере уменьшения перегрева теплоотвод начинает превалировать, и вновь начинается затвердевание металла, которое уже не нарушается до самого конца процесса.

Процесс намерзания и однократного расплавления корки характеризуется большой скоростью, поэтому получить устойчивые результаты при очень малой толщине отливки весьма сложно.
Следовательно, при изготовлении тонкостенных отливок методом намораживания целесообразно выбирать такие условия, при которых не происходит подплавления начальной корки.
Возможности метода намораживания зависят также от того, насколько эффективно удается воздействовать на конфигурацию самой отливки.
  Намораживание – единственный метод, позволяющий изготавливать очень тонкостенные трубы из чугуна, покрытые изнутри слоем коррозионностойкой пластмассы, которые с успехом могут быть использованы в химической промышленности и других отраслях техники.
Эти трубы требуют малого расхода металла и очень дешевы.
Наиболее перспективным следует считать процесс непрерывного намораживания.
Но при осуществлении этого процесса приходится сталкиваться с некоторыми особенностями механизма образования начальной корки, которые существенно влияют на технологию и качество изделия.
При классификации условий литья намораживанием целесообразно различать отдельные случаи по признаку относительного движения намерзающей корки и кристаллизатора и по признаку относительного движения корки и жидкого металла.
Этими признаками определяются главные черты механизма процесса формирования отливки в условиях намораживания.

Первая группа признаков включает два характерных случая: литье при отсутствии относительного движения твердой корки и формы-кристаллизатора (первый принцип) и литье при наличии этого движения (второй принцип).

Промежуточный случай (третий принцип) состоит из двух первых: корма при литье часть времени остается неподвижной относительно кристаллизатора и часть времени движется относительно него (прерывистый характер движения).

Вторая группа признаков включает аналогичные характерные случаи: расплав может быть неподвижным относительно корки и может перемещаться относительно неё.

Возможен также промежуточный случай, когда создается прерывистый режим движения расплава и корки относительно друг друга.

Наиболее простым является случай литья, когда образовавшаяся корка металла неподвижна относительно формы, а расплав (или жидкая фаза) неподвижен относительно корки. Пример такого случая – описанное выше намораживание методом выливания, когда кристаллизовавшаяся корка повторила конфигурацию формы, а оставшаяся жидкая фаза неподвижно «налита» в застывшую корку.

Если же корка начнет перемещаться вдоль формы, то при этом возникнут силы трения, которые могут разрушить корку, в результате чего процесс литья нарушается.

Поэтому в рассматриваемых условиях скорость процесса лимитируется прочностью начальной корки при высоких температурах.
Именно такой процесс и осуществляется при непрерывном намораживании труб.
Если же относительного движения  корки и формы нет, то скорость процесса не лимитируется прочностью металла.
Такой процесс в условиях непрерывного намораживания может быть осуществлен лишь благодаря применению в качестве кристаллизатора валков, гусениц, лент.

Суть процесса непрерывного литья труб намораживанием (рис. 1) заключается в следующем.
Из ковша 2 в сифонную литниковую систему 3 заливается металл, попадающий в водоохлаждаемый кристаллизатор 4.

Намерзающая на его внутренней поверхности корка и есть образующаяся труба, причем внутренний диаметр кристаллизатора является внешним диаметром намораживаемой трубы.
Усадка металла при кристаллизации образует зазор, который позволяет пульсирующему цанговому механизму непрерывно вытягивать готовую трубу вверх.
Корка (труба) вытягивается периодически.
Остановки трубы улучшают процесс кристаллизации металла и способствуют резкому повышению скорости литья.

При наличии относительного движения корки и формы максимальная скорость литья может достигать 0,6 м/сек, или 2,1 км/час.

Эти цифры получены для наиболее благоприятных условий отливки чугунных труб методом намораживания.

В данном случае скорость литья лимитируется прочностью начальной корки.

Если корка неподвижна относительно кристаллизатора, то предельная скорость литья определяется интенсивностью теплообмена и высотой жидкой ванны.

Для чугуна её максимальное значение 0,35 м/сек, или 1,3 км/час.
Если корка часть времени остается неподвижной, а часть времени перемещается относительно кристаллизатора (промежуточный случай), то предельная скорость литья для чугуна составляет 0,4 м/сек, или 1,5 км/час.

Как видно, непрерывное одностороннее намораживание позволяет достичь очень высоких скоростей литья.
При этом металл получается плотным вследствие идеальных условий питания корки жидкой фазой.
В практике непрерывной отливки труб при помощи внутреннего кристаллизатора все эти преимущества отсутствуют.

Применяемая схема (рис. 2) неудачна тем, что в условиях непрерывного литья корка образуется с двух сторон отливки одновременно.
При этом для получения плотного металла необходимо создавать условия, благоприятные для питания жидкой фазой средней части отливки.
Но именно этот процесс крайне затрудняется, так как расплав с трудом фильтруется между сеткой кристаллов, образовавшейся между двумя сходящимися корками.

А поэтому процесс фильтрации отличается крайне низкой интенсивностью, и предельная скорость литья составляет для стали 0,01 м/сек, или 36 м/час, что ничтожно по сравнению с вышеприведенными данными.

Кроме того, принципиальным преимуществом схемы непрерывного литья намораживанием, по сравнению с обычной схемой непрерывного литья, является отсутствие внутреннего стержня, «образующего» отверстие в трубе, так как при усадке отливаемой трубы такой стержень легко зажимается ею, что приводит или к возникновению чрезмерных усилий, или вообще к остановке процесса.

При отливке изделий методом намораживания важно уметь получать трубы с чистой и ровной внутренней поверхностью, т.е. той самой, которая омывается расплавом.
С увеличением скорости литья интенсивнее омывается и оплавляется внутренняя поверхность корки.
В результате труба получается более гладкой и чистой.
Исключительно большое значение здесь имеет величина уровня жидкого металла.
Если уровень жидкого металла располагается ниже верхнего конца кристаллизатора, то на внутренней поверхности образуются кольцевые выступы высотой 1-1,5 мм и более.

Это объясняется тем, что в месте соприкосновения мениска расплава с трубой тепло передается не только через корку в кристаллизатор, но и вверх, вдоль корки и с поднятием мениска.

Если уровень жидкого металла поднять на 50-100 мм над кристаллизатором (а это вполне осуществимо – достаточно лишь на столько же поднять сифон), то расплав поднимется по трубе. При этом уже вышеуказанных кольцевых выступов образовываться не будет.

При температуре заливаемого металла ниже 1275ºС на поверхности жидкой ванны образуется корка, которая захватывается движущейся трубой и образует наросты и неровности.
При температуре 1275-1300ºС температура мениска превышает температуру ликвидуса, и поверхностная корка не образуется.
На качество же наружной поверхности трубы также влияют все основные режимные параметры литья.
Наибольший практический интерес представляют свойства того места наружной поверхности, где происходит сваривание начальной корки с последующей, намерзшей на начальную после рывка.

При отливке чугунных труб методом намораживания можно управлять структурой получаемого металла.
При расположении мениска жидкого расплава внутри кристаллизатора отливаемые трубы получают полный или частичный отбел корки с явно выраженной ледебуритной структурой, что, естественно, ухудшает качественные характеристики труб.
Но этот отбел легко ликвидируется. Для этого достаточно точно поднять мениск расплава выше зоны кристаллизатора, причем от подвода тепла от жидкой фазы стенка трубы разогревается до 1000-1050ºС.
В результате происходит самоотжиг первоначально отбеленной корки и структура вновь улучшается.

Химический анализ чугуна показывает, что содержание элементов вдоль трубы практически не изменяется.
Благодаря сифонной заливке и идеальным условиям питания корки жидкой фазой не наблюдается ни усадочной, ни газовой пористости, ни шлаковых включений.

Гидравлические испытания труб с толщиной стенки 3-4 мм показывают, что они свободно выдерживают давление воды 50·10⁵ н/м² и не дают течи.
Благоприятные условия формирования отливки позволяют получать трубы с высокими механическими свойствами.
Так, например, модуль кольцевой пробы трубы, отлитой при соблюдении необходимых условий, составляет 52·10⁷ ÷ 59·10⁷ н/м², в то время как по ГОСТу предусмотрено лишь 40·10⁷ н/м².

Метод намораживания позволяет получать трубы различной толщины без изменения машины и смены кристаллизатора.
Толщина стенки труб может колебаться от 1 мм и выше (до сплошной заготовки).
Это позволяет получать дешевые двухслойные трубы, металлическая оболочка которых состоит из чугуна, внутренний слой из специальной пластмассы, не подверженной действию кислот, щелочей и других веществ.
Такие двухслойные трубы могут найти широкое применение в химической промышленности.
Если трубу покрыть изнутри смесью цемента М-500 (45%), песка речного (45%) и стабилизированного латекса (10%), то её можно использовать для водопровода и канализации.

Особенно возрастает скорость литья при изготовлении тонкостенных труб.
Никакими другими способами отливать такие тонкостенные трубы невозможно, а ведь именно они применяются для покрытия химически стойкими веществами. Сифонная заливка металла, применяемая при литье труб методом намораживания, обеспечивает весьма благоприятные условия для создания высокопроизводительных многоручьевых машин (рис. 3).
При этом (благодаря закону сообщающихся сосудов) не возникает проблема равномерного распределения жидкого металла между отдельными ручьями, как это бывает при заливке сверху (обычный непрерывный метод литья труб).

 

Известно огромное количество схем устройств, с помощью которых предлагается отливать непрерывные изделия в условиях, когда твердая корка пребывает в неподвижном относительно кристаллизатора состоянии.
Среди подобного рода устройств существуют вращающиеся валки, движущиеся кристаллизаторы гусеничного типа, ленточные кристаллизаторы и т.д.
Наибольшей простотой отличаются кристаллизаторы в виде вращающихся валков.
На них можно отливать непрерывным методом намораживания весьма разнообразные изделия, причем возможности таких кристаллизаторов ещё далеко не исчерпаны.

На машине, схема работы которой изображена на рис. 4, можно отливать не только плоские, но и более сложные по конфигурации отливки.

Металл заливается сверху.

На поверхностях водоохлаждаемых валков 1 намерзают две корки 2, которые снимаются специальными скребками (ножами) и затем подхватываются другими направляющими валками.

Если рабочие валки гладкие и интенсивность теплообмена одинакова по всей их поверхности, то получаются две плоские ленты.
Одна из поверхностей каждой такой ленты сформирована валками, а другая представляет собой поверхность (фронт) затвердевания металла.

Если же поверхности валков неоднородны в термическом отношении, т.е. обладают различными термическими сопротивлениями на разных участках, то, естественно, вследствие разной теплопроводности намерзающая на них корка будет неодинаковой толщины по площади.

Таким непрерывным способом можно отлить ленты с продольными или поперечными утолщениями (ребрами), с бобышками и т.д.
Вообще ленты могут быть непохожими одна на другую, в случае если валки будут отличаться друг от друга конфигурацией или термическим сопротивлением.

В рассматриваемых случаях усложнение конфигурации свободной поверхности отливки (т.е. не прилегающей к валку) достигается посредством воздействия на термические условия затвердевания металла.
Если сделать валки сложного профиля и расположить между ними герметизирующую гребенку, то поверхности отливки, соприкасающиеся с валками, также будут иметь сложную конфигурацию.
Сочетание же термической неоднородности валков с их профилированием позволяет получать непрерывным намораживанием изделия весьма сложной конфигурации, причем обе непрерывные отливки могут иметь различную конфигурацию.

В процессе исследований были изучены два варианта процесса намораживания на валках.
В первом варианте использовались гладкие валки с неоднородным термическим сопротивлением на поверхности.
Неоднородность достигалась путем изготовления валков из сплава АЛ9 и частичного анодирования поверхности.
Причем анодированию не подвергались три узких пояска на поверхности валков.

Таким образом, валки обладали различным термическим сопротивлением, так как теплообмен между поверхностью, анодированной с расплавом и неанодированной, естественно, различный.

Кроме того, необходимую неоднородность можно также создать путем использования водоохлаждаемых валков (т.е. полых, в которых циркулирует вода), с резко различающейся по поверхности толщиной стенки.
А также путем изготовления сборных валков, состоящих из металлов различной теплопроводности (сталь, чугун, медь, алюминий) и т.д.
Вставки из алюминия и меди дадут такой же эффект, как и водоохлаждаемые валки.
Если же на валках нарезать канавки, то создается неодинаковая интенсивность теплообмена на различных участках профиля.
И в результате корка во впадинах получается толще, чем в перемычках. Так получают гофрированные панели из алюминия.


 Вейник А.И. , Лифшиц Л.Л., "Металлургия и физика". Серия IV, № 7 (Техника), М.: "Знание", 1966, 48 с.