НАЦИОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Сребрянський Григорій Олександрович

УДК 669.18.046.518:621.74.047:658.56:539.219

УПРАВЛІННЯ ЯКІСТЮ МЕТАЛЕВИХ СТРІЧОК НА ОСНОВІ ВДОСКОНАЛЕННЯ РЕЖИМУ РОЗЛИВУ РОЗПЛАВУ

05.16.02 – Металургія чорних металів

АВТОРЕФЕРАТ

Дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національної металургійної академії України

Міністерства освіти та науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Стовпченко Ганна Петрівна

Національна металургійна академія України,

професор кафедри покриттів, композиційних матеріалів і захисту металів, м. Дніпропетровськ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Тарасевич Микола Іванович,

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

НАН України, зав. відділом математичних методів дослідження і комп’ютерних технологій, м. Київ

доктор технічних наук, професор

Білоусов В’ячеслав Володимирович

Донецький національний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри фізики нерівноважних процесів, метрології та екології, м. Донецьк

Провідна установа: Дніпродзержинський державній технічний університет, Міністерство освіти та науки України,

м. Дніпродзержинськ

Захист відбудеться “24” квітня 2007р. о 12-30 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 в Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий “ 19 березня 2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Л. В. Камкина

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасних наукомістких металургійних технологій є пріоритетною задачею металургійної промисловості України. Один з таких процесів – одержання тонкого листа безпосередньо з розплаву методами безперервного розливу, дозволяє заощадити значну кількість енерго- і працевтрат. Практичне застосування цей спосіб, що веде свій початок від патенту Генрі Бессемера на спосіб розливу сталі між двома валками, знайшов в останні десятиріччя в проектах Eurostrіp (Німеччина, Італія, Франція, Австрія), Castrіp (США, Австралія, Японія) і фірм Nіppon Steel і Mіtsubіshі Heavy Іndustrіes (Японія), де одержують стрічку товщиною 1 – 5 мм із розплаву різних сталей. Граничним випадком цього процесу є формування стрічок товщиною менш 0,1 мм при розливу розплаву на рухому поверхню, що охолоджує, наприклад, барабан - кристалізатор, який обертається. При такому способі реалізуються швидкості охолодження 105 – 107 К/с, що дозволяє одержати в стрічках мікрокристалічну структуру з розміром зерна 1 – 5 мкм і менш, а для ряду сплавів – твердий аморфний стан. Основними промисловими способами одержання таких стрічок на сьогоднішній день є метод спинінгування розплаву (CBMS) або розлив плоского потоку (PFC) на зовнішню поверхню барабана - кристалізатора, що обертається. Технології розливу на барабан є енергозберігаючими, оскільки металева стрічка (як мікрокристалічна, так і аморфна) мікронної (20 – 80 мкм) товщини виходить усього за одну металургійну переробку, минаючи операції кування, гарячої і холодної прокатки і проміжні відпали.

Аналіз стану виробництва тонких стрічок і сучасних тенденцій розвитку металургійних технологій їхнього одержання показує необхідність більш детального вивчення процесу формування стрічки з розплаву методом CBMS або PFC. Технологія промислового виробництва аморфних і мікрокристалічних сплавів вимагає подальшого удосконалення, оскільки від геометрії і якості поверхні стрічки залежить рівень одержаних властивостей. Складність контролю процесу зв'язана з тим, що на утворення стрічки одночасно впливають численні гідродинамічні і теплофізичні фактори металу, що розливається, технологічні і конструктивні параметри обладнання і навіть навколишнє середовище (причому за період часу, який обмежується частками секунди).

У цьому зв'язку дослідження, що спрямовані на вивчення умов одержання аморфних і мікрокристалічних стрічок, встановлення залежностей між технологічними параметрами і їхнього впливу на характеристики стрічки, з'ясування механізму її формування, а також оптимізацію конструктивних елементів устаткування для промислового виробництва, є актуальними і логічно зв'язані з загальною тенденцією розвитку іноваційних технологій в металургії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язано з програмою “КП НТП СЕВ 4.3.2” (1989 – 1991рр.) і планами НДР Національної металургійної академії України “Розвиток теорії будівлі металевих і оксидних розплавів і дослідження механізму їхньої взаємодії з метою одержання високоефективних реагентів, що рафінують, і виробництва принципово нових сталей і комплектуючих матеріалів” (№ держреєстрації 0103U003214).

Мета і задачі дослідження. Вдосконалення технології одержання аморфних і мікрокристалічних стрічок сплавів на основі заліза, що одержують за одновалковою схемою розливу розплаву, і встановлення залежностей між технологічними параметрами, які забезпечують стабільність рідкої ванни в зазорі “сопло – барабан”, та якістю поверхні і магнітними властивостями одержаних стрічок.

Для досягнення поставленої мети в роботі були поставлені наступні задачі:

Проаналізувати умови одержання металевої стрічки з розплаву (поданого на барабан - кристалізатор по різним схемам) і визначити фактори, що впливають на характеристики стрічки.

Встановити механізм формування стрічки, що враховує максимальну кількість фізичних факторів і технологічних параметрів.

Вивчити особливості виробництва аморфної стрічки при різному обсязі металу, що розливається, і розробити рекомендації з удосконалення конструктивних елементів обладнання.

Дослідити вплив технологічних параметрів на стабільність процесу розливу металевих стрічок, визначити роль цих параметрів на кожному з етапів процесу і їхній вплив на геометрію і властивості стрічки.

Оптимізувати технологію одержання аморфної і мікрокристалічної стрічки в промислових умовах на установках різної конструкції.

Об'єкт дослідження. Технологія одержання аморфної і мікрокристалічної стрічки зі сплавів на основі заліза.

Предмет дослідження. Вплив технологічних факторів (схеми розливу розплаву на барабан – кристалізатор, характер течії розплаву, умови охолодження і взаємодії з навколишнім середовищем), що визначають якість і властивості продукції, на процес формування аморфних і мікрокристалічних стрічок.

Методи дослідження. Процес одержання стрічки досліджували з врахуванням максимально можливої кількості контрольованих технологічних параметрів. За допомогою спеціальної аеродинамічної мікронасадки вивчали характеристики повітряного примежового шару (товщину і розподіл швидкостей) на поверхні барабана, що обертається. Визначення температури плавлення сплавів Sendust і теплоємкості аморфної стрічки здійснювали методами диференційного термічного аналізу на термоанализаторі “Дюпон 990”. Якість поверхні одержаних стрічок вивчали методами кількісної металографії на мікроскопі “Quantіmet-720” і профілографі “Сартронікс-3П”. Структурні дослідження виконані методами оптичної і скануючої електронної мікроскопії (для мікрокристалічних стрічок) і рентгеноструктурного аналізу (для аморфних). Результати експериментального визначення коефіцієнту теплопередачі на межі “розплав (стрічка) – барабан” і середньої швидкості охолодження стрічки обробляли за допомогою методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше за критеріями подібності (Re, Eu, We, S, Pr, Ec, Pe, St, Nu, Bі і Fo) виконаний комплексний розрахунково-теоретичний аналіз умов формування металевої стрічки, отриманої з розплаву методами CBMS і PFC, що дає можливість прогнозувати поводження розплаву і стрічки на всіх стадіях формування, і показує взаємозв'язок процесів, що протікають на кожній стадії.

Запропоновано механізм формування стрічки, що враховує конкуренцію переносу тепла і маси розплаву в рідкій ванні, який на основі розрахункових значень критеріїв подібності (102 Re 105,
410-2 Pr 0,6, 10-6 Ec 10-4) показує, що затвердіння стрічки відбувається за межами ванни.

Показано, що геометрію і якість поверхні одержаних стрічок визначає стан ванни розплаву (характер течії розплаву і взаємодія з навколишньою атмосферою), а їхню товщину – довжина ванни. При цьому, остання залежить від більшості технологічних параметрів (швидкостей барабану і витікання розплаву, величини зазору, температури розплаву) і стабільність ванни порушується при її довжині більш ніж 6 – 7 мм для сплавів на основі заліза.

Встановлено, що відмінність у середній швидкості охолодження стрічки (2 – 4,5105 К/с) на барабанах з міді і сталі незначна (при різниці в їх теплопровідності 8 разів), що обумовлено різною площею контактної поверхні стрічки (60 – 70 та 90 – 95 %, відповідно) внаслідок різних умов прилипання розплаву до поверхні барабану.

Вперше експериментально вивчено розподіл швидкостей по товщині повітряного примежового шару (5 – 8 мм) на поверхні барабану, що обертається, і встановлена ефективна товщина шару ~ 1 мм, яка впливає на умови витікання розплаву із сопла і однорідність одержаних стрічок.

Встановлено, що за межами барабана - кристалізатора на поверхні стрічки внаслідок високої швидкості її польоту (20 – 40 м/с) виникає турбулентний шар навколишнього повітря, що обумовлює швидкість охолодження до 6103 К/с.

Практичне значення отриманих результатів. Обґрунтовано вплив примежового повітряного шару на стабільність процесу отримання та якість стрічок на барабані, що обертається, розроблено засоби його видалення (створення розрідження в зоні ванни).

Вперше експериментально встановлено, що магнітні властивості стрічки промислових аморфних сплавів системи Fe-Sі-C-B безпосередньо зв'язані з якістю її контактної поверхні.

Встановлено характер впливу конструктивних особливостей устаткування на стабільність формування, геометрію, якість і властивості одержаних стрічок і на основі цього розроблені оригінальні конструкції стрічкознімача, захисного екрану, розливного сопла, що дозволило стабілізувати одержання аморфних і мікрокристалічних стрічок у промислових умовах.

Вперше показано, що збільшення маси металу, що розливається за робочий цикл, вимагає внесення змін у конструкцію устаткування і технологію промислового виробництва аморфних стрічок: збільшення діаметру і організації примусового охолодження барабана – кристалізатора (в тому числі подачі гарячої і холодної води при розливці), відновлення його робочої поверхні при розливці та керування зазором.

Отримані результати дозволили оптимізувати параметри виробництва аморфної стрічки на установці “Сиріус” і, тим самим, поліпшити її якість в умовах ВАТ “Ашинський металургійний завод” (м. Аша Челябінської області, Росія) і “Гаммамет” (м. Єкатеринбург, Росія). Запропонована оригінальна конструкція газового стрічкознімача дозволила підвищити вихід придатної продукції на 20 %. Засіб контролю геометричних розмірів рідкої ванни в зазорі “сопло – барабан” (АС СССР № 1764787) спростив керування процесом виробництва аморфної стрічки і забезпечив зниження кількості повітряних каверн на контактній поверхні (на 20 – 30 %), що значно поліпшило якість стрічки зі сплавів системи Fe-Sі-C-B. Запропоновано пристрій для отримання в промислових умовах стрічок сплаву Sendust (АС СССР № 1764788).

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні й експериментальні результати отримані автором особисто. Автор брав безпосередню участь у розробці концепції і створенні експериментальної лабораторної установки й іншого устаткування. Ідея і розробка методу виміру характеристик примежового шару повітря належить авторові. Здобувач брав безпосередню участь у розробці промислової технології одержання аморфної стрічки на установці “Сиріус”. Розрахунки, аналіз, обробка й узагальнення отриманих результатів проведені автором особисто. Автор не використовував у роботі ідей і розробок, що належать співавторам спільних опублікованих робіт.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідені й обговорені на Міжнародних науково-технічних конференціях: “Ливарне виробництво: високоякісні виливки на основі ефективних технологій” (2004 р., м. Київ), V Mіedzynarodowa Sesja Naukowa “Nowe technologіe і osіаgnіecіa w metalurgіі і іngynіerіі materіalowej” (2004 р., м. Ченстохова, Польща), 66 Міжнародна науково-практична конференція “Проблеми і перспективи розвитку залізничного транспорту” (2006 р., м. Дніпропетровськ), ІV Міжнародна науково-практична конференція “Інноваційні технології життєвого циклу об'єктів житло-цивільного, промислового і транспортного призначення” (2006 р., смт. Гаспра).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 7 статей в спеціалізованих наукових журналах, 2 авторських посвідчення і 3 тез доповідей конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, списку використаних джерел і додатків. Матеріали роботи викладені на 183 сторінках, містять 7 таблиць, 65 малюнків, 3 додатків, 223 найменування у списку використаних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ присвячений аналізу способів отримання стрічки з розплаву методами CBMS і PFC, вивченню механізмів і умов формування стрічок та їх впливу на якість і властивості.

Аналіз науково-технічної і патентної літератури показав, що умови утворення аморфних і мікрокристалічних стрічок при розливці розплаву на зовнішню поверхню барабана – кристалізатора, одночасно залежать від різних факторів і технологічних параметрів (у тому числі і конструктивних особливостей устаткування). Вплив останніх на процес формування й охолодження стрічки неоднаковий і, деколи протилежний на різних стадіях процесу. Незважаючи на велику кількість опублікованих досліджень, достовірні дані про конструкції устаткування по одержанню стрічки відсутні. Немає однозначної думки щодо характеру впливу технологічних параметрів на геометрію і властивості стрічки при розливці різних об’ємів металу. Відомі два взаємовиключних механізми формування стрічки, кожний з яких не в повній мірі пояснює залежність геометрії і властивостей стрічки від технологічних параметрів. Тому, дослідження умов одержання аморфних і мікрокристалічних стрічок, з'ясування механізму їх формування (що враховує максимальну кількість впливаючих факторів), оптимізація технологічних параметрів промислового виробництва і розробка рекомендацій з удосконалення конструктивних елементів устаткування залишаються актуальними. Рішення цих питань дозволить керувати якістю стрічки за рахунок стабілізації режимів розливу.

Другий розділ присвячений розрахунково-теоретичному аналізу умов одержання стрічки з розплаву. Розраховано критерії подібності (Re, Eu, We, S, Pr, Ec, Pe, Ma, St, Nu, Bі, і Fo) для всіх стадій процесу по відомим теплофізичним константам, характеристикам матеріалів і технологічним параметрам. На основі значень різних критеріїв встановлено, що процес формування стрічки стабільний (S << 1), витікання розплаву з тигля може бути ламінарним або турбулентним (102 Re 5·103), причому суттєве значення мають сили поверхневого натягу на зрізі й у каналі сопла (10-2 We 102).

Показано, що у ванні розплаву в зазорі “сопло – барабан” одночасно протікають гідродинамічні і теплові процеси, керування якими дозволяє впливати на геометрію і якість одержаних стрічок. Через перевагу в ній переносу тепла над переносом маси розплаву (4•10-2 Pr 0,6;
10-6  Ec 10-4) затвердіння стрічки відбувається за її межами. Далі стрічка охолоджується на поверхні барабана і за його межами при двосторонньому контакті з повітряним потоком. Сформульовано рекомендації з вдосконалення технології виробництва стрічки, що добре погоджуються з проведеною теоретичною оцінкою механізму формування аморфної стрічки з використанной теорієй примежового шару в наближенні Блазіуса.

Третій розділ присвячений опису експериментальних методів дослідження і конструктивних елементів устаткування. Експерименти проводили на сплавах систем Fe-Cr-P-C, Fe-B, Fe-Al-Sі в лабораторних умовах і Fe-Cr-Sі-B, Fe-Sі-C-B на промисловій установці. Умови одержання стрічки вивчали при подачі розплаву на барабан – кристалізатор зверху, знизу і через пром’ємкість, а розроблена лабораторна установка (рис. 1) дозволяла контролювати швидкість обертання барабану, температуру розплаву, тиск інертного газу на розплав, встановлювати геометрію сопла і технологічний зазор, точку знімання стрічки і матеріали барабану та стрічкознімача.

Рис. 1. Схема лабораторної установки: 1 – вібропоглинаючі основи; 2 – приводний двигун; 3 – робочий стіл; 4 – барабан - кристалізатор; 5 – підшипники; 6, 7 – приводні шків і ремінь; 8 – тигель-сопло з розплавом; 9 – індукційний нагрівач; 10, 11 – штуцери для термопари і подачі інертного газу; 12 – стрічкознімач; 13 – колона механізму кріплення і переміщення тиглю; 14, 15 – механізм переміщення тиглю і його масивна станина; 16 – пружні елементи (м'яка жорсткість); 17 – стробоскопічний малюнок на бічній поверхні барабану;18, 19 – джерело і приймач світлового променю; 20 – частотомір, що показує швидкість обертання барабану (при необхідності звертатись в НМетАУ).

Формування стрічки (рідку ванну) знімали на кіноплівку. Товщину стрічок вимірювали мікрометром і на профілографі “Сартронікс”. Характеристики примежового шару повітря й умови охолодження вивчали за спеціальними методиками (рис. 2). Структурні дослідження мікрокристалічних стрічок проводили за допомогою оптичного мікроскопу “Неофот-2” або скануючого “JSM-35”. Контактну сторону аморфних стрічок вивчали на оптичних мікроскопах “Епітип-2” і “Quantіmet-720” зі статистичною обробкою результатів сканування зображення.

Рис. 2. Вимірювання характеристик примежового газового шару: а) схема вимірювання; б) конструкція мікронасадку: 1 – барабан;

2 – мікронасадок; 3 – U-мікроманометр (при необхідності звертатись в НМетАУ).

Ступінь окрихчувания аморфних стрічок оцінювали за критичним діаметром загину до руйнування.

У четвертому розділі приведені результати експериментального вивчення умов охолодження стрічки і впливу повітряного примежового шару на її формування.

Визначення коефіцієнту теплопередачі і швидкості охолодження при розливу на сталевий і мідний барабани сплаву Fe83B17 показало, що ці величини одного порядку (б = (5,22 3,79)·104 Вт/м2•K, V = (2,68 0,67)·105 K/c для сталі 45 і б = (9,94 3,37)·104 Вт/м2•K, V = (3,69 1,17)·105 K/c для міді), хоча різниця в теплопровідності цих металів 8 разів. Феномен обумовлений ефективною площею контакту розплаву (стрічки) з поверхнею барабану. Залишивши барабан – кристалізатор, стрічка охолоджується на стрічкознімачу і у навколишньому повітряному середовищі. Встановлено, що для аморфних стрічок усіх складів окрихчування починається з контактної сторони, а критична товщина окрихчування залежить від хімічного складу сплаву. Для аморфних стрічок сплаву Fe83B17 вона зростає, коли їх відділення від поверхні барабану здійснюється мідним стрічкознімачем (рис. 3).

Рис. 3. Залежність діаметру зламу аморфної стрічки сплаву Fe83B17 від її товщини з використанням: а) сталевого або фторопластового стрічкознімача; б) мідного стрічкознімача довжиною 40 мм (“” барабан із міді; “ ” барабан із нержавіючої сталі; “” – вільною, “0” – контактною стороною стрічки назовні) (при необхідності звертатись в НМетАУ)..

Після стрічкознімача стрічка охолоджується зі швидкістю
(3,7 6,9)103 K/c (визначена експериментально) внаслідок двостороннього контакту з турбулентним потоком повітря. Утворюється “доріжка Кармана”, яка викликає коливання стрічки, що летить (швидкість польоту 20 м/с), як відзначено в лабораторних і промислових умовах (рис. 4).

Рис. 4. Фотографії, що ілюструють ефект коливання стрічки на лабораторній (а) і промисловій (б) установках (при необхідності звертатись в НМетАУ).

На формування стрічки впливає повітряний примежовий шар товщиною 5 – 8 мм, в якому інтенсивна зміна місцевої швидкості відбувається в межах 1 мм. Середні значення місцевих швидкостей для різної товщини примежового шару наведені в таблиці 1. Моделювання поводження шару в зазорі “сопло – барабан” показало, що найбільш ефективний засіб його вилучення з поверхні барабана – спеціальний вакуумний відсікач, що створює розрідження перед соплом.

Таблиця 1

Середня швидкість примежового шару

Товщина

шару, мм | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | Значення f в uср?f(Vб) | 0,91 | 0,78 | 0,73 | 0,68 | 0,65 | 0,64 | 0,63 | 0,62 | 0,61 | 0,60 | За допомогою прискореної кінозйомки встановили різні види впливу примежового шару повітря на розплав, що витікає з сопла. При зазорах “сопло – барабан” ? 0,5 мм і збільшенні нахилу струменю спостерігали нестабільність рідкої ванни, її відрив від поверхні барабану (рис. 5), замерзання струменю розплаву при витіканні із сопла або його коливання. Тому рекомендовано проводити розливку при зазорах не більш 0,2 - 0,3 мм (особливо в процесі PFC). Кут нахилу струменю розплаву варто вибирати в межах 85 700 (між струменем і дотичною в точці контакту розплаву з поверхнею барабану)

.Рис. 5. Кінограма розливу при збільшенні зазору (а) і нахилу струменю розплаву (б) х6 (при необхідності звертатись в НМетАУ).

У п'ятому розділі вивчено вплив параметрів розливу і конструктивних особливостей устаткування на процес одержання і характеристики аморфних і мікрокристалічних стрічок.

Результати експериментів показали пряму залежність товщини одержаної стрічки від довжини ванни розплаву в зазорі “сопло – барабан” (рис. 6).

Рис. 6. Залежність товщини стрічки від довжини ванни (при необхідності звертатись в НМетАУ).

З огляду на те, що довжина ванни розплаву (L) залежить практично від усіх відомих параметрів розливу, доцільно перейти від декількох залежностей товщини стрічки (t): t = f(Vб), t = f(?P), t = f(T), t = f(h), t = f(б) и t = f(S), до однієї загальної – t = f(L). При цьому залежності t = f(T) і
L = f(T) носять немонотонний характер, обумовлений конкуренцією двох ефектів: зменшення товщини стрічки (за рахунок зниження в'язкості) і її збільшення (за рахунок росту витрат розплаву через зниження в'язкості і зміни вихідного отвору сопла внаслідок теплового розширення). Тому у визначеному інтервалі температур збільшення витрат стає переважним і відбувається ріст t і L.

Показано, що площа контакту (площа стрічки за винятком повітряних каверн на одній зі сторін стрічки) також залежить від декількох параметрів: надлишкового тиску на розплав, його температури, кута нахилу струменю розплаву до поверхні барабана (б), швидкості його обертання, умов прилипання розплаву, геометрії сопла та величини зазору. Найбільш сильний вплив на кількість повітряних каверн на контактній поверхні стрічки роблять: надлишковий тиск інертного газу на розплав, температура останнього й умови прилипання його до матеріалу барабана (рис. 7).

Рис. 7. Залежність площі контактної поверхні стрічки від параметрів розливу (при необхідності звертатись в НМетАУ).

Повітряні каверни послаблюють відведення тепла від стрічки і викликають виникнення напружень, які знижують рівень магнітних властивостей промислових аморфних стрічок сплаву Fe82Si12B4C2 (рис. 8).

Рис. 8. Залежність індукції В (Тл) від середнього відхилення профілю на контактній поверхні у магнітному полі: Н: 1 – 100; 2 – 1000; 3 – 2500 А/м (при необхідності звертатись в НМетАУ).

Результати рентгеноструктурного аналізу показали, що в аморфних стрічках сплавів системи Fe-Cr-P-C, отриманих на барабанах з матеріалів з різною теплопровідністю, відбуваються структурні зміни в рамках аморфного стану. Це пояснюється різною кількістю атомів у кластерному угрупованні, що обумовлено різними швидкостями охолодження.

У мікрокристалічному сплаві Sendust збільшення швидкості охолодження приводить до подрібнення зерна і підвищення технологічної пластичності. Однак, спад температури при затвердінні на поверхні барабану є уповільненим (у порівнянні з аморфними сплавами) через приховану теплоту кристалізації. Відзначено також, що сильний перегрів розплаву перед розливанням викликає короблення стрічки.

Вплив конструктивних особливостей устаткування на процес одержання стрічки і її якість вивчали для варіантів подачі розплаву на барабан – кристалізатор зверху (при “малотоннажному” і “крупнотонажному” виробництві), знизу і через пром’ємкість. Розрахунок швидкості витікання розплаву крізь сопло й експерименти для “ампульної” технології і “крупнотонажного” промислового виробництва (подача розплаву зверху) дозволили сформулювати рекомендації для збільшення продуктивності ампульних установок і оптимізації режиму розливання в промислових умовах. Запропоновано висоту розплаву в тиглі задавати рівною його внутрішньому діаметру 8 см, при розливі на сталевий барабан розміщувати між ним і індуктором водоохолоджуємий мідний екран, відношення висоти щілинного каналу розливного сопла до ширини самої щілини (у методі PFC) не повинне перевищувати 7. При “крупнотонажному” виробництві слід використовувати барабан – кристалізатор діаметром не менш 800 мм з примусовим охолодженням; підтримувати сталість зазору “сопло – барабан” і температури барабану на рівні 600С; обновляти його поверхню, створюючи на ній визначений мікрорельєф; знімання стрічки здійснювати газовим стрічкознімачем.

Подача розплаву знизу ліквідує вплив стовпа розплаву при розливі і є безпечною в процесі експлуатації в разі аварійного руйнування сопла. Розлив через пром’ємкість найбільш прийнятний для безперервного промислового виробництва. Основна його перевага – стабілізація процесу тільки регулюванням висоти стовпа розплаву в пром’ємкості. Модельні експерименти зі сплавами на основі Sn і Al показали, що критичний рівень розплаву в пром’ємкості (коли починає формуватися стрічка) набагато нижче розрахункового (50 60 мм замість 200 210 мм). Більш того, при зазорі менш 0,25 мм барабан, подібно насосу, витягує розплав з сопла повністю (після припинення подачі розплаву в пром’ємкість).

Порівняння умов одержання аморфних і мікрокристалічних стрічок на лабораторних і промислових установках показало, що примусове зняття стрічки сплаву Sendust неможливе через її крихкість, тому на установці “Ротор” використовували газовий стрічкознімач, що не деформує стрічку і поверхню барабана – кристалізатора.

Виконані експерименти й аналіз умов одержання металевих стрічок одновалковим розливом (CBMS і PFC) дозволили виразити взаємозв'язок технологічних параметрів і конструктивних особливостей устаткування, їх сумарний вплив на геометрію і властивості стрічки схемою, що наведено на рис. 9.

Рис. 9. Схема сумарного впливу параметрів процесу і фізичних факторів на геометрію і властивості швидкозагартованої стрічки (при необхідності звертатись в НМетАУ).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В результаті проведених досліджень в роботі встановлено закономірності формування аморфних і мікрокристалічних стрічок розливом розплаву, що дозволило вдосконалити устаткування і технологію їх виробництва.

Проведено розрахунково-теоретичний аналіз умов одержання металевої стрічки методами CBMS і PFC за критеріями подібності (Re, Eu, We, S, Pr, Pe, St, Nu, Bі і Fo), який дає можливість прогнозувати поводження розплаву і стрічки на різних стадіях формування, і показує взаємозв'язок процесів, що відбуваються на кожній стадії. Запропоновано механізм формування стрічки, згідно якого її затвердіння відбувається за межами рідкої ванни.

Показано, що однорідність і товщина аморфних і мікрокристалічних стрічок зі сплавів на основі заліза визначається стабільністю і довжиною ванни розплаву, яка залежить від більшості технологічних параметрів (швидкостей обертання барабану і витікання розплаву крізь сопло, величини зазору “сопло – барабан”, температури розплаву). Вихід значення довжини ванни за 6 – 7 мм приводить до порушення стабільності процесу.

Визначені коефіцієнт теплопередачі на межі розподілу “розплав (стрічка) – барабан” (2·104 – 1,4·105 Вт/м2·К) і середня швидкість охолодження на поверхні барабанів з міді і сталі (2 – 4,5·105 К/с). Незначна відмінність у середній швидкості охолодження стрічки на поверхні цих барабанів (при різниці їх теплопровідності у 8 разів) обумовлена різною площею її контактної поверхні (60 – 70 та 90 – 95 % відповідно), яка залежить від прилипання розплаву до поверхні барабану.

Встановлено, що за межами барабана – кристалізатора стрічка, що летить (швидкість польоту 20 – 40 м/с), охолоджується зі швидкістю до 6·103 К/c внаслідок турбулентного примежового шару повітря на її поверхні.

Вперше експериментально вивчено розподіл швидкостей по товщині повітряного примежового шару (5 – 8 мм) на поверхні барабану, що обертається, і встановлено найбільш інтенсивне зниження місцевої швидкості в ефективній товщині шару 1 мм, яка впливає на умови витікання розплаву з сопла, якість контактної поверхні і геометрію одержаних стрічок. Показано, що найбільш ефективним засобом видалення примежового шару є створення розрідження перед зоною подачі розплаву на барабан.

Вперше експериментально встановлена залежність магнітних властивостей аморфних стрічок промислових сплавів на основі заліза від їх товщини і якості контактної поверхні. При зниженні середньої шорсткості останньої (Rак < 0,8 мкм) магнітна індукція зростає на 0,15 – 0,25 Тл.

Встановлено вплив конструктивних особливостей устаткування на стабільність процесу формування, геометрію, якість і властивості одержаних стрічок; розроблені оригінальні конструкції стрічкознімача і захисного екрану, оптимізована геометрія розливного сопла, що дозволило стабілізувати одержання аморфних і мікрокристалічних стрічок в промислових умовах.

Вперше показано, що збільшення маси металу, що розливається за робочий цикл, вимагає змінення конструкції установок і технології промислового виробництва аморфних стрічок внаслідок необхідності відводу великих кількостей тепла і відмінністю технологічних параметрів початкового періоду розливу від стаціонарного. Показана необхідність збільшення діаметру і організації примусового охолодження барабана – кристалізатора (в тому числі подачі гарячої та холодної води при розливу), підвищення стійкості його поверхні або відновлення останньої безпосередньо в процесі розливу та керування зазором “сопло – барабан”.

Оптимізовані параметри промислової технології виробництва аморфної стрічки на установках “Сиріус” в умовах ВАТ “Ашинській металургійний завод” (м. Аша Челябінської області, Росія) і “Гаммамет” (м. Єкатеринбург, Росія). Запропонована оригінальна конструкція газового стрічкознімача дозволила підвищити вихід придатної продукції на 20 %, а засіб контролю розмірів ванни розплаву в зазорі “сопло - барабан” спростив керування процесом при промисловому виробництві аморфних стрічок системи Fe-C-Sі-B і забезпечив підвищення їх якості шляхом зниження кількості каверн на контактній поверхні (на 20 – 30 %).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ:

1. Сребрянский Г. А., Стародубцев Ю. Н. Основные принципы совершенствования технологии производства аморфной ленты// Сталь. – 1991. – № 9. – С. 73 – 78.

2. Сребрянский Г. А., Стовпченко А. П. Экспериментальное определение коэффициента теплопередачи и скорости охлаждения при формировании металлической ленты из расплава// Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. – Випуск 5 (46). – Дніпропетровськ, 2006. – С. 40 – 47.

3. Сребрянский Г. А., Стовпченко А. П. Изучение условий охлаждения металлической ленты за пределами барабана – кристаллизатора// Строительство, материаловедение и машиностроение. Вып. 37.-Дн-вск, ПГАСА, 2006.-С.458 – 464.

4. Борисов В. Т., Сребрянский Г. А. О формировании аморфной металлической ленты при закалке расплава// Изв. АН СССР. Металлы. – 1984. – № 4. – С. 82 – 85.

5. Сребрянский Г. А., Стовпченко А. П., Чудная В. Л. Анализ условий формирования металлической ленты при закалке расплава на вращающемся барабане// Сучасні проблеми металлургії. Наукові праці. – том 7. Дніпропетровськ: Системні технології, 2005. – С. 54 – 68.

6. Маркелов Н. Д., Серебрянский Г. А. Зависимость структурных факторов аморфных лент от условий закалки расплава// Расплавы. – 1990. – № 1. – С. 91 – 93.

7. Стародубцев Ю. Н., Сребрянский Г. А., Шутин А. М., Коробка О. Б. Рельеф контактной и свободной поверхностей аморфной ленты// Физика и химия обработки материалов. – 1992. – № 4. – С. 142 – 147.

8. А. с. 1764787 СССР, МКИ3 B 22 D 11/06. Способ получения быстрозакаленной ленты/ В. П. Овчаров, В. Ф. Птицын, А. К. Фелингер,
Г. А. Сребрянский, В. Т. Борисов. – № 4736853/02; Заявлено 31.07.89; Опубл. 30.09.92, Бюл. № 36.

9. А. с. 1764788 СССР, МКИ3 B 22 D 11/06. Устройство для получения металлической ленты из расплава/ С. В. Орлов, В. П. Овчаров, Г. А. Сребрянский, И. Г. Андрюнин, П. Г. Сабинин. – № 4741743/02; Заявлено 27.09.89; Опубл. 30.09.92, Бюл. № 36.

10. Сребрянский Г. А., Стовпченко А. П. Гидродинамическая и теплофизическая оценка процесса формирования аморфных и микрокристаллических лент при закалке расплава/ Материалы международного научно-технического конгресса “Литейное производство: высококачественные отливки на основе эффективных технологий”, тезисы докладов. Киев: – 2004. – С. 91 – 92.

11. Сребрянский Г. А., Стовпченко А. П. Аморфные сплавы – перспективный материал для использования в железнодорожном транспорте/ LXVI Международная научно-практическая конференция, тезисы докладов. Днепропетровск: – 2006. – С. 374 – 375.

12. Сребрянский Г. А., Стовпченко А. П. Новый подход к получению порошковых материалов/Materialy V Miedzynarodowa Sasja Naukowa “Nowe Technologie i osiagniecia w metalurgii inzynierii materialowej”, (Польша), Politechnica Czestochowska, Widawnictwo Wipmifs: – 2004. – P. 618 – 621.

Особистий внесок здобувача в роботах, що опубліковані в співавторстві: [1, 5, 10] – комплексний аналіз процесу формування металевої стрічки по критеріям подібності; [2, 3] – розробка методик досліджень, визначення умов охолодження стрічки та її взаємодії з повітряним примежовим шаром; [4, 5] – визначення механізму формування стрічки на поверхні барабану, що обертається; [6] – визначення впливу умов охолодження на структурне становище аморфної стрічки; [7] – проведення експериментів, встановлення зв’язку між якістю контактної поверхні стрічки з магнітними властивостями; [8, 9] – розробка засобу контролю за ванною розплаву, розробка обладнання для технології промислового виробництва стрічок сплаву Sendust; [11, 12] – визначення нових галузей використання аморфних стрічок.

АНОТАЦІЯ

Сребрянський Г. О. Управління якістю металевих стрічок на основі вдосконалення режиму розливу розплаву. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за фахом 05.16.02. – Металургія чорних металів. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена вдосконаленню технології одержання аморфних і мікрокристалічних стрічок сплавів на основі заліза за одновалковою схемою розливу розплаву і встановленню залежностей між технологічними параметрами і стабільністю рідкої ванни розплаву в зазорі “сопло – барабан”, магнітними властивостями та якістю поверхні одержаних стрічок.

В роботі проведений теоретичний аналіз всіх стадій формування металевої стрічки з розплаву і взаємозв'язку процесів на кожній стадії. Експериментально визначені коефіцієнти теплопередачі і швидкості охолодження розплаву і стрічки на поверхні барабана – кристалізатора, вивчено поведінку стрічки за межами барабану. Визначені характеристики повітряного примежового шару на барабані, що обертається, які впливають на потік розплаву і якість одержаної стрічки. Запропоновано механізм формування стрічки, згідно якого затвердіння відбувається за межами рідкої ванни, довжина якої визначає товщину одержаних стрічок. Встановлено вплив конструктивних особливостей устаткування і маси металу, що розливається, на технологію одержання аморфних і мікрокристалічних стрічок в промислових умовах.

Результати роботи використані в промисловому виробництві аморфних і мікрокристалічних стрічок на установках типу “Сиріус” і “Ротор”.

Ключові слова: аморфна і мікрокристалічна стрічка, барабан – кристалізатор, сопло, зазор, рідка ванна розплаву, стрічкознімач, примежовий газовий шар, повітряні каверни.

Summary

Srebrjansky G. A. Quality management of metal ribbon on the base of regimes improving of melt casting. – Manuscript.

Dissertation for the degree of the Candidate of Engineering Science, Speciality 05.16.02. – Metallurgy of ferrous metals. – National metallurgical academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2006.

The dissertation is devoted to the improving of technology of amorphous and microcrystalline ribbons manufacture are made on ferrous base by one-wheel scheme casting melt and to finding dependencies between technological parameters and stability of a liquid melt bath in a nozzle-drum gap, magnetic properties and surface quality of received ribbons. The theoretical analysis of metal ribbon at all stages of formation from melt and interrelations of processes at each stage was made in this work. Heat transfer coefficient and cooling rate for melt and ribbon on a surface of drum – crystallizer were obtained experimentally. The behaviour of a ribbon outside a drum was also investigated. Characteristics of air boundary layer on the rotating drum that effects on a stream melt and quality of a received ribbon were determined. Ribbon formation mechanism was proposed for case of solidification completion outside a liquid bath. Liquid bath length defines thickness of received ribbons. It was shown, equipment constructive features and casting metal weight effects on a technology of reception of amorphous and microcrystalline ribbons in industrial conditions.

This work results are used for amorphous and microcrystalline ribbons industrial manufacture on Sirius and Rotor type equipment.

Key words: amorphous and microcrystalline ribbon, drum – crystallizer, nozzle, gap, liquid bath melt, ribbon knife, boundary gas layer, air cavities.

АННОТАЦИЯ

Сребрянский Г. А. Управление качеством металлических лент на основе совершенствования режима разливки расплава. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02. – Металлургия чёрных металлов. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена совершенствованию технологии получения аморфных и микрокристаллических лент сплавов на основе железа по одновалковой схеме разливки расплава и установлению зависимостей между технологическими параметрами и стабильностью жидкой ванны в зазоре “сопло – барабан”, магнитными свойствами и качеством поверхности получаемых лент.

В работе проанализированы условия формирования металлической ленты при разливке расплава на поверхность вращающегося барабана – кристаллизатора по различным схемам, на различных установках и с разным объёмом разливаемого металла, их влияние на её геометрию и свойства. По критериям подобия (Re, Eu, We, S, Pr, Ec,Pe, St, Nu, Bi и Fo) выполнен комплексный расчётно-теоретический анализ условий формирования ленты из расплава методами CBMS и PFC, выявивший взаимосвязь всех стадий процесса. Предложен механизм формирования ленты, учитывающий конкуренцию между переносом тепла и массы расплава в жидкой ванне, согласно которого затвердевание ленты происходит за пределами ванны (102 Re 105, 410-2 Pr 0,6, 10-6 Ec 10-4).

Экспериментально определены коэффициент теплопередачи на границе раздела “расплав (лента) – барабан” (2104 – 1,4105 Вт/ м2К) и средняя скорость охлаждения ленты на поверхности барабана
(2 – ,5105 К/с), согласующиеся с теоретическими оценками. Несмотря на различие теплопроводности барабанов из меди и стали в 8 раз, значения скорости охлаждения ленты находятся в рамках одного порядка. Это объясняется различными условиями прилипания и теплопередачи на границе “расплав (лента) – барабан” для данных материалов. За пределами барабана – кристаллизатора скорость охлаждения достигает 6103 К/с за счёт взаимодействия с воздушной средой.

Показано, что состояние жидкой ванны расплава определяет геометрию и качество аморфных и микрокристаллических лент из сплавов на основе железа, а её длина – их толщину. Длина ванны зависит от большинства технологических параметров (скорости барабана, расхода расплава, его температуры, зазора и т.д.), каждый из которых нарушает стабильность процесса, если его значение выходит за определённые пределы. Установлено, что аморфизующиеся составы охлаждаются быстрее, а при получении микрокристаллических лент выделяется скрытая теплота кристаллизации, замедляющая снижение температуры в процессе затвердевания.

Впервые экспериментально изучены характеристики воздушного пограничного слоя (толщина и распределение местных скоростей) на вращающемся барабане – кристаллизаторе и их влияние на