Целью работы был выбор оптимальных технологических решений до стадии производства пробной отливки – прокатного валка исполнения ЛШ-57 с рабочей поверхностью его бочки из легированного и модифицированного чугуна и шейками и сердцевиной из серого чугуна, залитого методом полупромывки. Особенностью производства прокатных валков является то, что рабочие поверхности их бочек должны обладать высокой твердостью, а сердцевина и шейки, достаточной пластичностью. Для обеспечения высокой скорости кристаллизации бочки валка и получения необходимой твердости для её формирования используют чугунный кокиль с тонким слоем противопригарного покрытия толщиной до 0,5 мм. Чугун обладает высокой теплопроводностью 35…45 Вт/мºС, поэтому кокиль обеспечивает интенсивный теплоотвод от жидкого металла.

Методом компьютерного моделирования было исследовано изменение температуры залитого металла в зависимости от удаления от рабочей поверхности кокиля. Анализ изменения температур проводили на торцах бочки валка и в его центральной части. Показано, что с удалением от рабочей поверхности кокиля теплоотвод в отливку уменьшается, что свидетельствует о снижении скорости кристаллизации и соответственно изменении свойств материала. Кроме того, изменение температуры на торцах бочки валка одинаково, поэтому в дальнейших расчетах измерения проводили в центральной части бочки и в его верхней торцевой части. Так как структура и свойства чугуна зависят от скорости его кристаллизации, для сравнения были построены зависимости скорости кристаллизации чугуна рабочего слоя валка с удалением от рабочей поверхности кокиля. Скорость кристаллизации в центральной части бочки валка отличается от его торцевой части, что объясняется влиянием торцевого эффекта на кристаллизацию металла. Максимальная скорость кристаллизации металла возникает на границе жидкого металла и кокиля и уже на удалении 2 мм от рабочей поверхности кокиля она составляет 106 °С/мин (на торце бочки валка) и 74 °С/мин (в центральной части бочки валка). На удалении 25 мм от рабочей поверхности кокиля скорость кристаллизации составляет 26 °С/мин (на торце бочки валка) и 19 °С/мин (в центральной части бочки валка). Вместе с тем структура чугуна также будет отличаться по длине бочки валка и её глубине. Если принять, что структура чугуна напрямую зависит от скорости кристаллизации то, его структура на глубине 10 мм в торцевой части бочки валка будет соответствовать структуре на глубине 5 мм в её центральной части, так как скорости кристаллизации в этих точках будут одинаковы. При этом с удалением от поверхности кокиля структура будет выравниваться по длине бочки валка. Кривые изменения температуры жидкого металла в сердцевине валка показали, что теплоотвод в жидком металле выравнивается по высоте с удалением от рабочей поверхности кокиля. Таким образом, скорость кристаллизации жидкого чугуна в осевой зоне бочки валка должна быть одинаковой по высоте, при этом скорость кристаллизации в центральной части бочки валка немного выше, чем на торцах. Построенные зависимости свидетельствовали о том, что скорость кристаллизации резко снижается в диапазоне 45…155 мм от поверхности кокиля и составляет 18 и 2,5 °С/мин, соответственно. В центральной части бочки валка скорость кристаллизации минимальна и составляет 1,6 °С/мин на торце бочки валка и 1,8 °С/мин в её центральной части. В отличие от скорости кристаллизации, скорость продвижения фронта кристаллизации снижается на расстоянии 45…200 мм от поверхности кокиля с 7,8 до 3,2 мм/мин, а затем увеличивается и становится максимальной (28 мм/мин) в осевой части бочки валка, то есть в осевой части валка создаются предпосылки для кристаллизации цементита, поэтому предлагается вводить в полупромывной металл графитизирующие элементы: кремний, медь, титан или гафний, что обеспечивает необходимые свойства сердцевины прокатного валка.