Повышение требований к качеству непрерывнолитой заготовки стимулировало развитие принципов «мягкого» обжатия с целью подавления осевой пористости и ликвации. В тоже время, дальнейшее совершенствование системы технологического проектирования метода «мягкого» обжатия непрерывнолитых блюмов и заготовок требует, в свою очередь, создания новых устройств и технологий для реализации процесса. При этом, учитывая высокую степень наукоемкости рассматриваемой технологии, проведение дальнейших исследований целесообразно осуществлять в двух направлениях:
- создание математических моделей процесса «мягкого» обжатия;
- исследование процесса «мягкого» обжатия на физических моделях.
Моделирование процесса «мягкого» обжатия с использованием физических моделей сопряжено с применением комплексного подхода, основанного на положениях теории конечных деформаций и закономерностях теории теплообмена.
в ходе физического моделирования на пластилиновых образцах, исследовалась динамика сближения фронтов кристаллизации при обжатии моделирующего образца. Определялась доля пластической и упругой составляющей деформации без учета наличия перепада температуры по сечению образца.
Как объект для моделирования был выбран непрерывнолитой блюм сечением 335x400 мм, который отливается в условиях блюмовой МНЛЗ ОАО «Днепровский металлургический комбинат им. Ф.Э. Дзержинского».
На первом этапе с помощью математического моделирования исследовалось тепловое состояние непрерывнолитого блюма в процессе разливки. Результатом выполненного моделирования стали геометрические модели поперечного сечения непрерывнолитого блюма для определенного времени кристаллизации, построенные на основе изучения перемещения границы фазового перехода «расплав – твердокристаллическое состояние».
Для проведения экспериментальных исследований изготавливались в масштабе 1:10 пустотелые пластилиновые образцы. Размер отверстия, моделирующего жидкую фазу, отвечал металлургической длине слитка 13, 15 и 17 м. Для изучения процесса деформации, на боковую и контактную поверхность образца наносилась координатная сетка в виде окружностей.
Принципиальным моментом для исследуемого процесса является вопрос обеспечения подобия распределения температур по сечению в натуральном непрерывнолитом слитке и физической модели. Именно данная составляющая разработанной комбинированной методики физического моделирования является наиболее сложной и требует детального изучения. Для обеспечения подобия распределения температур по сечению непрерывнолитого блюма был разработан новый способ моделирования [5], включающий в себя одновременный нагрев внутренней полости и охлаждение наружных граней. Для проведения экспериментальных исследований была разработана установка, позволяющая приблизится к натурным условиям в части достижения подобия распределения температуры по сечению раската. Схема установки приведена на рис. 2. В ходе выполнения эксперимента образец 7 помещался в калориметр 3 на специальную подставку 5. В дальнейшем, внутрь образца помещался трубчатый электронагревательный элемент 2, закрепленный на штативе 1, а полость образца заполнялась маслом 6. Для внешнего охлаждения образца использовалась смесь этилового спирта с углекислым газом. Температура смеси определялась на основании расчета гомологической температуры моделирующего материала. Контроль над температурой осуществлялся при помощи термопар 8, помещенных в различные точки и фиксировался через коммутационный блок 9 при помощи осциллографа.
Первичные эксперименты показали, что использование стенда в вышеописанном виде не позволяет обеспечить одинаковую температуру по высоте образца. Верхняя часть образца имела более высокую температуру, чем нижняя. Данное обстоятельство приводило к росту погрешности эксперимента. Для стабилизации температурного состояния по высоте моделирующего образца было предложено осуществлять продувку теплоносителя (масла) потоком воздуха подаваемого при помощи насоса.
Полученные зависимости динамики изменения температуры по сечению физических моделей были обработаны по первоначально разработанной программе расчета температурного состояния кристаллизирующегося блюма.
В результате выполненного математического моделирования была детализирована зависимость коэффициента теплоотдачи a от температуры хладагента для пластилиновых физических моделей. Последующие расчеты при помощи разработанной математической модели теплового состояния непрерывнолитого блюма для условий предложенной физической модели позволили определить необходимые температурно-временные параметры процесса «охлаждения-нагрева». В ходе математического моделирования температуру хладагента принимали равной гомологической температуре поверхностных слоев пластилина, соответствующих температуре поверхности слитка 1000, 900, и 800 °С.
Сопоставление полученных зависимостей с данными исследований по прокатке высоких полос позволяют говорить об адекватности полученных данных существующим положениям теории обработки металлов давлением и о возможности использования предложенного метода моделирования для исследования напряженно-деформированного состояния в непрерывнолитых блюмах с жидкой сердцевиной при реализации технологии «мягкого» обжатия.
Представлены результаты экспериментальной проверки применимости нового метода физического моделирования процесса «мягкого» обжатия непрерывнолитых блюмов для исследования напряженно-деформированного состояния на контактной и боковых гранях. В ходе лабораторных экспериментов отработана методика проведения опытов обеспечивающая максимальное тепловое подобие, а также показана принципиальная возможность использования предложенного подхода для определения показателей накопленной степени деформации L и ресурса пластичности Y в различных точках поверхности раската.