Физические и электромагнитные способы воздействия на расплавленный металл

Физические и электромагнитные способы воздействия на расплавленный  металл.

 

1.  Сущность электромагнитных методов воздействия на расплавленный металл

Одним из перспективных методов физического  воздействия на расплав является способ, основанный на использовании высоковольтного электрического разряда в жидкости. В отличие от других способов воздействия на кристаллизующуюся заготовку (ультразвукового, электромагнитного) он характеризуется высокими энергетическими показателями в импульсе и, в то же время, меньшими общими затратами потребляемой энергии. Исследования ЦНИИТМаш показали, что метод наложения постоянного электрического поля на кристаллизующийся слиток обеспечивает значительное снижение, а иногда и полностью исключает зональную ликвацию серы в металле. Экономические показатели не позволили пока использовать этот метод в широких масштабах.

Особенность воздействия колебаний заключается  в том, что под их действием  некоторые расплавленные металлы  изменяют свои свойства при затвердевании. Например, возможно увеличение жидкотекучести расплавленного металла, повышение прочности затвердевшего металла и т. д.

Известно  средство воздействия на расплавленный  металл (медь) электромагнитных колебаний (см. Шипов Г.И. Теория физического  вакуума. М.: Наука, 1997, стр.251-253).

Суть  этого воздействия состоит в  том, что в качестве источника  колебаний используется генератор  синусоидальных колебаний с частотой 100 МГц. Генератор соединен с контуром, содержащим катушку и конденсатор. Внутрь конденсатора помещен ферромагнетик, который находится на оси конуса. Этот конус формирует диаграмму направленности поля. Поле действует на поверхность расплавленного металла, который находится в алундовом тигле.

Испытывались  два образца в одинаковых режимах  нагрева и охлаждения: контрольный  и облученный. У облученного образца отмечено увеличение прочности, пластичности и изменение структуры.

К недостаткам  этих средств воздействия следует  отнести малую производительность установки, т. к. облучается малое количество металла, поскольку воздействие  осуществляется через его поверхность.

Наиболее  близким по технической сущности к заявленному способу является способ воздействия лазерным излучением на расплавы, содержащие алюминий (см. Литейное производство. 1999 г., 9, стр.8). Суть способа заключается в облучении расплава непрерывным (лазер Комета - 2, частота ≈ 1014 Гц) или импульсным с синусоидальным заполнением (лазер Квант-15 частота ≈ 1015 Гц) электромагнитным излучением. Проводят обработку поверхности расплавленного металла сфокусированным лучом путем перемещения его по поверхности, либо расфокусированным лучом, который охватывает всю поверхность.

Отмечено, что после облучения изменяется фазовый состав и структура сплава АЛ-25. Отмечено также увеличение твердости  облученных образцов по сравнению с  необлученными.

Физику  воздействия излучения на металл авторы объясняют повышением температуры  в локальной области, где действует  излучение. Это приводит к изменению  структуры расплава и образованию  новых химических соединений: оксидов, нитридов, гидридов. Разный коэффициент поглощения излучения для различных элементов расплава приводит к разной величине поглощенной энергии, что может привести к распаду одних группировок элементов и возникновению новых.

К недостаткам  этого способа следует отнести  большую стоимость лазеров и небольшую эффективность из-за малой величины объема облучаемого металла, т. к. сфокусированный и расфокусированный лучи имеют малые диаметры, а воздействие осуществляется через поверхность расплавленного металла.

 

Электромагнитное воздействие (ЭМВ) на структуру затвердевающего металла – электромагнитное перемешивание (ЭМП) в процессе кристаллизации, ЭМП в ванне дуговой сталеплавильной печи, а также транспорт жидкого металла.

2. Управление жидкотекучестью и регулирование заполняемости форм

Жидкотекучесть - это способность сплава в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить ее очертания в отливке. Жидкотекучесть определяют по стандартной пробе в виде канала определенной длины и диаметра с литниковой чашей (рис 1).

 

Рис.1. Простейшая проба на жидкотекучесть.

 

 

 

 

 

 

Жидкотекучесть определяют по длине  пути, пройденному жидким металлом до затвердевания. Чем длиннее пруток, тем больше жидкотекучесть. Высокую жидкотекучесть (>700 мм) имеют силумины, серый чугун, кремнистая латунь;

среднюю жидкотекучесть (350-340 мм) имеют углеродистые стали, белый чугун, алюминиево-медные и алюминиево-магниевые сплавы;

низкую жидкотекучесть имеют магниевые сплавы.

С повышением температуры сплава жидкотекучесть увеличивается.

Жидкотекучесть — способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять литейную форму, четко воспроизводя контуры ее и поверхность. При низкой жидкотекучести движение расплава в форме может прекратиться раньше, чем она будет заполнена. Это наиболее вероятно при изготовлении крупных тонкостенных отливок, особенно если сплав в форме быстро охлаждается (например, при литье в металлические или сырые песчаные формы). Жидкотекучесть сказывается на заполняемости формы расплавом, четкости воспроизведения рельефа полости формы. На жидкотекучесть оказывают влияние многие факторы, связанные со свойствами, состоянием и строением расплава (его природа, температура при заливке, фазовый состав, вязкость, поверхностное натяжение, теплоемкость и теплопроводность, наличие включений, газонасыщенность, степень окисленности, интервал кристаллизации), а также с состоянием и свойствами формы (например, ее температура, теплофизические свойства, состояние поверхности, газотворность и газопроницаемость) и условиями заливки (конструкция и размеры литниковой системы, напор расплава, скорость заливки, характер движения потока и т. д.). 
Для определения жидкотекучести предложены различные пробы, отливаемые в формах специальной конструкции. Наиболее распространены различные разновидности спиральных проб. Формы для отливки таких проб имеют протяженный спиральный канал, расположенный в горизонтальной плоскости. Поперечное сечение канала постоянно по всей длине и имеет обычно форму трапеции высотой 8 мм, шириной вверху 8 мм и внизу 7 мм. Одна из конструкций спиральной пробы представлена на рис. 5.1. Жидкотекучесть оценивается в миллиметрах по длине отлитой спирали. Для удобства замеров в верхней части канала сделаны выступы, расстояния между которыми 50 мм.

 

 
Рис. 5.1. Проба на жидкотекучесть

 

Жидкотекучесть. Это- способность металлов и сплавов течь по каналам формы и заполнять ее.

Заполнение литейных форм является сложным гидродинамическим и  физико-химическим процессом. Главным  фактором, определяющим уровень жидкотекучести, являются свойства сплава в жидком состоянии: теплофизические свойства, особенности кристаллизации, вязкость, окисляемость.

Влияние литейной формы связано  главным образом с ее теплофизическими свойствами, со смачиваемостью жидким металлом, с условиями физико-химического  воздействия "металл - форма".

На жидкотекучесть влияют также  условия плавки и заливки, перегрев металла, насыщение металла посторонними включениями, условия подвода металла  к форме.

Количественные значения жидкотекучести определяют по длине заполнения канала литейной формы с определенной площадью поперечного сечения. Наибольшее распространения получали технологические спиральные пробы.

При теоретическом анализе характеристики жидкотекучести основным является определение  условий остановки движущегося  потока. Высказано несколько точек зрения на механизм остановки потока : выделение 20 % твердой фазы, образование на конце потока прочной твердой корочки, рост в канале литейной формы дендритов (древовидных кристаллов), препятствующих движению потока, накопление твердых кристаллов на конце потока.

Течение металла в литейной форме  сопровождается кристаллизацией. Поэтому  движущийся поток рассматривают  как гетерогенную жидкость. Из гидравлики известно, что движение таких жидкостей начинается только после того, как касательное напряжение становится больше определенного значения σ₀, называемого предельным напряжением сдвига.

В гидравлике все тела условно делятся  на несколько категорий в зависимости  от отношения предельного напряжения сдвига σ_o к плотности р (таблица 18).

Таблица 18. Категории  тел в гидравлике.

σo /р, см	Категория тела
0	Идеальная жидкость
0,5	Структурная жидкость
0,5-2,0	Жидкая паста
2,0-15,0	Густая паста
Св. 15,0	Твердое тело

Основываясь на положениях гидравлики и учитывая фактор смыва и накопления твердой фазы в движущемся металле, можно представить механизм остановки следующим образом.

При поступлении металла в канал  литейной формы на стенках канала и образуется твердая корочка  из-за высокой интенсивности охлаждения металла в начальные моменты. С течением времени, по мере прогревания формы, интенсивность теплоотвода уменьшается. Но перенос теплоты к корочке за счет поступления новых порций металла остается постоянным, и она начинает оплавлятся. Уменьшению размеров корочки способствует также смывание части кристаллов движущимися потоками. Накопление обломков кристаллов на конце потока приводит к постоянному нарастанию сил внутреннего трения. Условия течения металла заметно ухудшаются. Наконец в определенный момент количество накопившихся обломков становится несколько большим, а сопротивление внутреннему трению настолько значительным, что поток останавливается.

Изменение жидкотекучести сплавов  тесно связано сих диаграммами  состояния. Академик А.А. Босвар показал, что сплавы сохраняют основные свойства жидкого тела, в том числе способность к макроперемещениям, не во всем интервале температур между ликвидусом и солидусом, а только в той части, где кристаллы не образуют связанного каркаса, а движутся вместе с жидкостью. Профессор Ю.А. Нехендзи назвал температуру, при которой поток перестает течь, температурой нулевой жидкотекучести.

С увеличением температурного интервала  кристаллизации жидкотекучесть снижается. При этом большое значение имеют  размеры и форма первичных кристаллов.

Если первичные кристаллы растут в виде сильно разветвленных дендритов, граница нулевой жидкотекучести находится вблизи границы ликвидус. Примером могут служить доэвтектические  сплавы с широким интервалом кристаллизации и дендритной формой первичных кристаллов.

Если же первичные кристалл имеют  компактные формы и небольшие  размеры, граница нулевой жидкотекучести тяготеет к линии солидус. Несмотря на то что выделяется значительная часть твердой фазы, металл продолжает течь, поскольку выделившиеся первичные кристаллы не связаны между собой. В качестве примера можно привести заэвтектические чугуны.

Заполняемость. Она характеризует способность металлов и сплавов воспроизводить контур отливок в особо тонких сечениях, где в значительной степени проявляется действие капиллярных сил.

Заполнение тонких сечений отливок - это процесс взаимодействия металла  и формы. иногда этот процесс называют формовоспроизведением или формозаполнением. Эти термины следует признать менее удачными, поскольку заполнение острых кромок и тонких сечений в большей степени зависит от свойств металла.

Заполняемость обусловлена рядом  факторов: 
1. поверхностным натяжением сплава и смачиваемостью формы; 
2. вязкостью сплава, связанной с его теплофизическими свойствами; 
3. температурным интервалом кристаллизации; 
4. формой и размерами первичных кристаллов; 
5. склонностью сплава к пленообразованию; 
6. теплофизическими свойствами формы; 
7. способом заливки металла (стационарный или центробежный); 
8. конструктивными особенностями литниковой системы; 
9. наличием газов в форме и условиями ее вентиляции.

На примере титана модно оценить  влияние смачивания формы металлом на заполняемость. Угол смачивания титаном  электрокорунды составляет 120 ^oС, а в магнезите - 107 ^oС. заполняемость корундовой формы для изготовления пластины толщиной 9 мм значительно хуже, чем магнезитовой.

При заполнении каналов с малой  площадью поперечного сечения потку  производится преодолеть значительное давление, обусловленное действием  капиллярных сил. При незначительном удалении таких элементов от оси вращения необходима большая скорость вращения центробежного стола.

 

3. Воздействие на гидродинамику движения расплава на структуру и свойства металлов.

 

4. Интенсификация процессов тепло- и массообмена в процессе формирования отливки

Проблема производства качественных отливок была и остается самой важной задачей литейного производства. Затвердевание расплава литейных сплавов в форме является одним из этапов технологии литья, при этом происходит формирование большинства важнейших свойств отливки.

На процесс формирования отливки  влияют особенности теплообмена  между затвердевающим расплавом и литейной формой. В частности: характер течения жидкого металла, переохлаждение кристаллизующегося расплава, выделение теплоты кристаллизации в материале отливки, особенности механизма процесса затвердевания сплавов, геометрические и физические свойства отливки и формы, изменение зазора в процессе охлаждения отливки и нагрева формы, изменение теплофизических коэффициентов материалов отливки и формы и т.д. Однако учет всех перечисленных факторов связан с большими затруднениями экспериментального и теоретического характера. Исследователи при разработке математических моделей обычно сужают круг вопросов, подвергаемых анализу, прибегают к различного рода допущениям. Все это является причиной существенных иногда расхождений расчетных и экспериментальных данных.

Во многих отраслях техники задача интенсификации процесса теплообмена  и создания высокоэффективных теплообменных аппаратов весьма актуальна. Для интенсификации процессов теплообмена применяют следующие приемы: