ریخته گری
استفاده از خنک کننده آب در طول ریخته گری پیوسته ی آلیاژهای فولادی و شمش آلومینیومReviewed by Roka on Oct 2Rating:

استفاده از خنک کننده آب در طول ریخته گری پیوسته ی  آلیاژهای فولادی و شمش آلومینیوم
در ریخته گری پیوسته نوارهای باریک فولادی و ریخته گری تبریدی مستقیم  (DC) شمش‌های آلیاژ آلومینیوم، برای خنک کردن قالب، در مراحل اولیه انجماد و سپس در زیر قالب، جایی که در تماس مستقیم با سطح فلز تازه منجمد شده است، از آب استفاده می شود. خنک سازی با آب از دو طریق بر کیفیت محصول تأثیر می گذارد:
1- کنترل نرخ حذف حرارتی که پوسته جامد را ایجاد و خنک می کند
2- ایجاد تنش های حرارتی و کشش درون فلزهای منجمد شده
این کار وضعیت فعلی هنر خنک سازی با آب، برای هر دو فرآیند را بررسی می کند و با مقایسه و تقابل روش های مختلف مورد استفاده در هر فرآیند بینش‌هایی را ترسیم می کند.
برای اینکه دماي سطح فلز به صورت يكنواخت كاهش یابد، و زمان خنك شدن کامل شود، باید سرعت حذف گرما در سطح، با تقاضای گرماي نهان و گرمای محسوس هماهنگ باشد.
شکل های مختلف ریخته گری شامل شمش ها (مقطع مربع با ضخامت کمتر از 150 تا 175 میلی متر برای فولاد)، ورقه های ضخیم / شمش های ضخیم (مقطع عرضی مستطیلی با ضخامت بین 50 و 300 میلیمتر برای فولاد و تا 500 الی 750 میلیمتر برای آلیاژهای آلومینیومی)، ورقه های نازک (ضخامت بین 50 و 75 میلیمتر برای فولاد)، نوارها (ضخامت بین 1 و 12 میلیمتر برای فولاد و آلومینیوم) است.
در دهه های اخیر به دلیل افزایش قابل توجه بازده، صرفه جویی در انرژی و بهره وری بالای ریخته گری ایستا، رشد چشمگیری در تکنولوژی پردازش فلزات در صنایع فولاد و آلومینیوم صورت گرفته است.  به هر حال، پیشرفت تکنولوژیکی مسیرهای متفاوتی را برای این دو صنایع فلزی اتخاذ کرده است. در طول سالها، روشهای ریخته گری برای محصولات آلیاژهای فولادی و آلومینیومی، از لحاظ شیوه های ریخته گری، ماشین آلات و روش های فرآیند و کنترل کیفیت، ویژگی های متفاوتی را ایجاد کرده است.
بهره وری هر دو فرایند، توسط سرعت ریخته گری کنترل می شود، بنابراین همیشه  به دنبال سرعت های بالاتر هستیم. با این وجود، به دلایل مختلف، سرعت ریخته گری به طور خودسرانه نمی تواند افزایش یابد. در ابتدا روند انجماد از طریق افزایش عمق استخر مایع و دمای سطح رشته ها، افزایش می یابد و به طبع آن نیاز به خنک کننده نیز افزایش می یابد. در موارد شدید، ساختار ضعیف پوسته جامد ممکن است منجر به “شکستن” فلز مایع در زیر قالب،  یا به صورت تحدب و برآمدگی بیش از حد باشد. سرعت های بالا ريخته گري اغلب باعث شکستگی و تنش هاي گرمايي مي شود. محدوده عملیاتی سرعت بستگی به ترکیب آلیاژ و هندسه محصول دارد. با توجه به مشکلات ترک خوردگی، در ابتدا سرعت راه اندازی شمش آلومینیوم پایین است و از سرعت های 0.00075 تا 0.001 میلی ثانیه تا سرعت ثابت 0.001 تا 0.003 میلی ثانیه افزایش می یابد.
ماشین آلات ریخته گری پیوسته شامل سیستم های ثانویه خنک سازی با آب و قالب است؛ و برای استخراج فوق گرمایی از فلز مایع ورودی (5 درصد از کل مقدار حرارت در تماس با فلز)، گرمای نهان ذوب در پیش از انجماد (20 درصد از کل مقدار حرارت)، و حرارت انتقال فاز و گرمای محسوس (75 درصد از کل مقدار حرارت) از انجماد فلزات طراحی شده است.
با این حال، ویژگی های سیستم خنک کننده برای آلیاژهای ریخته گری فولاد و آلومینیوم بسیار متفاوت است، در شکل -الف (برای فولاد) و -ب (برای آلومینیوم) نشان داده شده است.


 الف) فرآیند ریخته گری پیوسته از نواررهای فولاد    ب) فرآیند ریخته گری تبریدی مستقیم شمش آلومینیوم

برخی از ویژگی های متضاد بین ریخته گری پیوسته فولاد و ریخته گری تبریدی مستقیم  (DC) آلومینیومی می توانند به تفاوت بین خواص ترموفیزیکی دو فلز نسبت داده شود.

  1. دمای ذوب آلیاژهای آلومینیوم به طور قابل توجهی پایین تر از فولاد است. در ننیجه، ماشین آلات ریخته گری پیوسته، باید حرارت بیشتری را در واحد جرم فولاد حذف کنند و در محیط با دمای بالاتری نسبت به آلومینیوم کار می کند.

  2. هدایت حرارتی آلیاژهای آلومینیوم میزان اهمیت بالاتری از فولاد دارد. این ترکیب با سرعت ریخته گری آهسته تر (10 برابر کندتر از ریخته گری پیوسته فولاد) باعث می شود، استخراج گرمای داخلی سریع تر شود.  شمش ها باید بدون خم شدن به صورت عمودی در قالب ریخته شوند، تا از ترک خوردگی رشته های جامد در ریخته گری تبریدی مستقیم (DC) جلوگیری شود. استخر فلزات مایع در طول ریخته گری از فولاد به خوبی در زیر قالب گسترش می یابد و برای تولید محصول نیمه جامد، یک رشته با ساختار پوسته مایع پر شده، که می تواند به راحتی خم و راست شود، به دست می آید.

  3. نفوذپذیری حرارتی آلومینیوم مایع حدود 6 برابر فولاد مایع است. این به این معنی است که برای یک  الگوی جریان، آلومینیوم مایع برای از دست دادن گرمای فوق گداز تمایل بیشتری از فولاد مایع دارد. بنابراین، پروفیل های دما در آلومینیوم جامد پاسخ سریعتری به تغییرات در حذف حرارت سطح میدهند.

  4. دامنه انقباض آلياژهای آلومينيوم تقريبا دو برابر فولاد است. بنابراین، تنشهای گرمای بیشتری را می توان در ناحیه “انجماد خمیری” با آلیاژهای آلومینیومی ایجاد کرد، که احتمال ایجاد ترک را به خصوص در آلیاژهای با دامنه ی انجماد طولانی بالا می برد. فرایندهای ریخته گری پیوسته برای آلیاژهای فولاد و آلومینیوم، به دلیل تفاوت در خواص ترموفیزیکی مانند نقطه ذوب، هدایت حرارتی، ضریب انقباض حرارتی و انقباض جامدات، طراحی فرایند و پارامترهای عملیاتی مختلفی را دارند. با این حال، فرایندهای انتقال حرارت اصلی که مشخص کننده حذف گرما، گرمای نهان و گرمای محسوس هستند، مشابه اند. قالب و آب نقش مهمی در پدیده های خنک کننده در هر دو حالت گذرا و ثابت دارند.
    این مقاله نشان می دهد که چگونه خنک سازی با آب، درجه حرارت رشته های فلزی را کنترل می کند؛ و اینکه چگونه مشکلات خنک سازی غیرمتقارن یا موضعی می تواند باعث نقص هایی شود که منجر به رد شدن راندمان بالا و بهره وری پایین می گردد. مشاهدات خاص عبارتند از:

  • روابط تجربی تنوع، ضریب انتقال حرارت آب جوش با نازل ، جداسازی نازل، فاصله نازل از سطح رشته و نرخ جریان آب برای خنک سازی ثانویه فولاد را توصیف می کند. با این حال، اثرات سطح و کیفیت آب / آلودگی بررسی نشده است. برای ریخته گری تبریدی مستقیم آلیاژهای آلومینیومی، همبستگی های منحنی های آب جوش عمدتا تحت شرایط ثابت است. فقط چند مطالعه برای آلومینیوم در دسترس است که می تواند انتقال حرارت آب جوش را در فاز گذرا را توصیف کند که در آن زمان ضریب انتقال حرارت می تواند یک تابع قوی از دمای سطح شمش ها، نرخ جریان آب، فاصله از نقطه خوردگی، و دمای نقطه خوردگی باشد.

  • خنک کننده ثانویه باید برای خنک کردن سطح رشته در یک روش کنترل شده و یکنواخت طراحی شود تا از نوسانات گرادیان دمایی که باعث ایجاد ترک می شوند جلوگیری کند. پیشرفت هایی مانند خنک کننده های مسطح، خنک کننده هوا و بخار غلیظ و کنترل آنلاین فرایند با استفاده از مدل های ریاضی کمک کرده است تا سرد شدن ثانویه را در ریخته گری پیوسته فولاد بهبود بخشد.

  •  با وجود اینکه دهه ها از آزمایش ماشین آلات کارخانه ها و افزایش اتوماسیون فرآیندها گذشته است، هنوز در صنعت ریخته گری پیوسته مشکلات کیفیت مربوط به خنک کننده آب از قبیل تاب لب به لب و ترک شکاف داغ دیده می شود. در حال حاضر انواع متغیرهای مختلف ریخته گری به عنوان تابعی از زمان و در هنگام راه اندازی آلیاژها، دستور العمل های خاصی  در شرکت های مختلف برای آلومینیوم استفاده می شود. شناخت های اخیر برای کمک به پیشرفت های بیشتر، از جمله بهینه سازی عملیات خنک سازی آب،  نیاز به مدل های ریاضی گرماده هی مستقل و مبنی بر فرایند ریخته گری تبریدی مستقیم وجود دارد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *