Осуществление рассмотренных вариантов неоднородных тепловых полей требует регулирования как процесса нагрева, так и стадии заданного охлаждения слитка. Причем, если нагревом управлять относительно просто, то в производственных условиях цеха возможностей для регулирования охлаждения меньше.
Длительность и интенсивность охлаждения слитка перед ковкой должны выбираться такими, чтобы обеспечить наибольший перепад прочностных свойств металла в нужных зонах.
Измеряя температуру поверхности остывающих на воздухе заготовок (диаметром 360— 1820 мм), можно определить расчетным путем текущую температуру осевой зоны. По этим данным построен график зависимости наибольшего температурного перепада «АТ» в поперечном сечении от диаметра слитка D (рис. 3.5); температура на поверхности слитка соответствовала нижнему пределу температурного интервала ковки конструкционных сталей, т. е. 800 °С. На том же рисунке показана зависимость времени х достижения наибольшего температурного перепада от диаметра поковок D. Экспериментальные и расчетные величины «АГтах» и т, полученные многими исследователями, укладываются в областях, ограниченных линиями 1 и 2. Приближение к линии I характеризует более интенсивный отвод теплоты, а к линии 2 замедление охлаждения. Очищенная от окалины грань слитка опережает по температуре охлаждения другие грани на 80— 120 °С, удаление слоя печной окалины со всей поверхности слитка интенсифицирует теплоотдачу в 1,5—2 раза, а в процессе деформирования охлаждение заготовок с поверхности происходит примерно в 3 раза интенсивнее, чем на воздухе, за счет контакта с инструментом. Таким образом, целесообразно совмещать предварительное охлаждение поверхности слитка с обжатием на заготовительных операциях. Методика определения оптимальных параметров процесса предварительного охлаждения состоит в следующем. Вначале по графику, приведенному на рис. 3.5, находят для данного диаметра слитка и предполагаемой интенсивности охлаждения температурный перепад, соответствующий наибольшей разнице прочностных свойств металла, а затем определяют требуемое время охлаждения. Представляет интерес использование теплоты, содержащейся в слитке после его затвердевания. Кроме того, знание исходного поля температур облегчает расчет режимов нагрева и охлаждения. Для расчета поля температур при охлаждении слитка примем следующие допущения: 1) жидкий металл мгновенно заполняет полость изложницы; 2) слиток имеет форму цилиндра с высотой значительно большей поперечных размеров; 3) выделение теплоты плавления при кристаллизации металла учитывается эквивалентным повышением начальной температуры жидкого металла; 4) отвод теплоты происходит перпендикулярно к оси цилиндра. При расчете охлаждения металла используем дифференциальное уравнение теплопроводности для четвертого слоя преобразовали в конечно-разностную форму (рис. 3.6) Количество теплоты, подводимой к поверхности от оси слитка, где — коэффициент теплопроводности; Т0 —температура поверхности из ложницы. Теплообмен между наружной поверхностью изложницы и окружающей средой происходит при граничных условиях III рода: q = ат (Ти — Тв). Температура поверхности слитка где Тв — температура окружающей среды. Коэффициент температуропроводности а зависит от температуры и выбирается для каждой расчетной точки. На первом этапе расчет дает время полной кристаллизации после заливки металла в изложницу. Второй этап решения состоит в расчете температурного поля слитка после его извлечения из изложницы и дальнейшего охлаждения на воздухе при транспортировке для деформирования. Третий этап решения заключается в расчете температурных полей слитка при нагреве в печах с различной температурой (например, 800, 900, 1000, 1100, 1250 °С). Исходное распределение температур получают по результатам расчетов второго этапа решения, когда вычислена конкретная температура поверхности слитка после определенного времени извлечения его из изложницы.
Анализ графиков изменения температур по сечению слитка позволяет назначить оптимальные режимы ступенчатого нагрева для получения типовых тепловых полей (одного из показанных на рис. 3.1). Интегральный учет правомерности принятых допущений можно выполнить, измеряя температуру поверхности изложницы при кристаллизации слитка. Например, для слитка массой 100 т расхождение температур в трех точках поверхности изложницы составляет 5 % для подприбыльной и 8 % для поддонной частей. Это определяет погрешность, связанную с допущением об отсутствии теплоотвода через торцы слитка.
В модели теплового состояния надо предусмотреть процесс постепенного выделения скрытой теплоты плавления. При уточнении модели теплового состояния слитка изменим характер граничных условий: температуру поверхности изложницы получим экспериментально прямым измерением, т. е. воспользуемся граничными условиями первого рода.
Считаем температурное поле в каждом из выделенных таким образом кольцевых слоев однородным, соответствующим величинам Тц. Задача состоит в определении функции
I : решением уравнения теплопроводности При охлаждении слитка в изложнице начальным условием теплового состояния слитка является распределение температур по сечению в момент завершения кристаллизации металла: Т (г,
(г); граничное условие Тв = Тв (t). Решением уравнения теплопроводности с учетом выделения скрытой теплоты плавления при кристаллизации металла есть функция
Граничное условие Гв = Тв (t) определяем путем расчета температуры на поверхности слитка при известной температуре поверхности изложницы Т0 и с учетом теплопередачи между слоями металла слитка и в зазоре между изложницей и слитком. При охлаждении на воздухе, нагреве в печах с различными температурами второй и третий этапы теплового состояния объединяют, так как расчеты проводят по одному и тому же уравнению (соответственно изменяя начальные и граничные условия): Приемлемые для использования в производстве режимы нагрева и охлаждения зависят от массы слитка. Так, например, для слитка массой 100 т процесс нагрева включает следующие стадии: через 5—6 ч после затвердевания металла (через 19—20 ч после разливки) посад слитка в печь с температурой 1200 °С и нагрев в течение 3—3,5 ч, после чего выдача на воздух и выдержка в течение 1 ч. Для оперативного использования в производстве модели теплового состояния слитка строят номограммы. Вопрос о реализации заданных температурных полей в слитках в производственных условиях решают на основании экспериментальных данных по нагреву и охлаждению слитка с зачеканенными термопарами, которые располагают в плоскости поперечного сечения посередине его длины. Из эксперимента получают сведения об изменении перепада температур в каждой из трех зон поперечного сечения при нагреве, а затем о перепадах температур в тех же зонах при охлаждении слитка. Располагая данными о температурных полях при нагреве и охлаждении, по предложенной методике определяют режимы
нагрева слитков любой массы. Для режимов, обеспечивающих наведение заданных температурных полей, в слитках массой 100 т и 40 т построены номограммы. Разработанные модели теплового состояния слитков позволяют рассчитать и построить аналогичные номограммы для слитков любой массы.
Большое значение имеют тепловые напряжения, возникающие при неоднородных температурных полях в металле. Тепловые напряжения рассчитывают с применением теории термоупругости и экспериментальных данных о динамике тепловых процессов при комбинировании нагревов и охлаждений слитка. Слиток считают цилиндрическим; передачу теплоты в сечении, среднем по длине, принимают происходящей только в радиальном направлении. Формулы для расчета главных напряжений приведены ниже. Продольные напряжения. Тангенциальные напряжения. Здесь Е — модуль упругости; Щ — коэффициент пропорциональности; Kv — коэффициент Пуассона; wt — скорость изменения температуры на поверхности : слитка. Более точные данные о возможности разрушения слитка от тепловых напряжений дает расчет условия пластичности в виде
Результаты расчета позволяют гарантировать использование комбинированных режимов нагрева и охлаждения в процессах ковки.
