Затвердение металлического расплава при внешних воздействиях

На рис. 1.7. приведена зависимость числа вторичных зародышей от степени переохлаждения раствора. Число образующихся зародышей с увеличением степени переохлаждения постепенно стремится к некоторой постоянной величине.

Чем больше переохлаждение, следовательно, и пересыщение раствора, тем меньше размеры критических зародышей и тем большая часть из вновь образовавшихся вторичных зародышей продолжает расти до значительных размеров.

С точки зрения практического использования вторичное зародышеобразование имеет большое значение для систем, в которых кристаллизация происходит при низких пересыщениях.

Рис. 1.7. Зависимость числа вторичных зародышей от степени переохлаждения раствора



На скорость появления зародышей оказывают заметное влияние механические воздействия. Встряхивания, удары поверхности о поверхность, производимые в объеме пересыщенного раствора, перемешивание. Зачастую достаточно легкого встряхивания пересыщенного раствора или введения в него какого-нибудь твердого предмета, чтобы в нем началось образование зародышей. Скорость зародышеобразования сразу становится заметной. Прежде всего, это относится, конечно, к гомогенному зародышеобразованию. Точнее к образованию зародышей в отсутствие затравочных кристаллов.

Причиной начала фазового превращения в данном случае служат механические колебания. Механизм явления пока недостаточно ясен. При вторичном зародышеобразовании перемешивание играет существенную роль. При нем увеличивается число соударений и сама энергия удара, что оказывает значительное влияние на число образующихся вторичных зародышей.

Ультразвук и вибрация также влияют на зародышеобразование. Изменение частоты и напряженности электрического поля, магнитное поле, радиоактивное и рентгеновское излучения относятся к различного вида внешним воздействиям на процессы зародышеобразования. Исследование эффектов, сопровождающих затвердевание в условиях наложения внешних воздействий, представляется крайне важной научной задачей, имеющей свое развитие на практике.



2. ТЕНДЕНЦИИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СЛИТКОВ И ЗАГОТОВОК НА ЭТАПЕ ДОВОДКИ И РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛА

Исходные физико-механические свойства слитков и отливок слагаются из целого ряда факторов, включающих качество используемых шихтовых материалов, способы металлургических переделов и технологический уровень доводки металла, условия разливки и затвердевания и т.д. Особое значение качество литой заготовки имеет в условиях производства машин и агрегатов ответственного назначения. Между тем, широкий спектр производимых деталей при крайне разнообразных требованиях к их качеству предопределяет поиск универсальных технологических приемов, использование которых обеспечивает достижение положительного результата для существующих промышленных предприятий.

2.1 ОБЩИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СЛИТКОВ И ЗАГОТОВОК

Технологический процесс получения слитков и заготовок обычно осуществляется в рамках одного цеха (сталеплавильного или литейного) и включает в себя подготовку и дозирование шихтовых материалов, выплавку металла в плавильном металлургическом агрегате, доводку стали в ковше или ходе технологических переливов и разливку стали в изложницы или литейные форды. Выбор той или иной технологической схемы производства зависит от огромной совокупности факторов, включающих исторические условия развития региона, его состояние с точки зрения наличия дешевых энергоносителей, производственную программу предприятия, уровень требований к конкурентоспособности металлопродукции и т.п. Вместе с тем, большой интерес представляют универсальные технологические приемы, позволяющие обеспечивать гарантируемое качество металлургической продукции.

Не анализируя экономические и технологические аспекты выплавки стали в различных агрегатах, можно отметить, что зависимость между способом выплавки и качеством стали сравнительно легко прослеживается по уровню чистоты стали, то есть по содержанию химических элементов, отрицательно влияющих на служебные и технологические характеристики металла. В практике металлургического производства для повышения чистоты стали обычно предусматриваются специальные технологические мероприятия, сущность которых заключается в специальной обработке стали в ковше, в ходе технологических переливов, а также в процессе затвердевания. Известны различные методы обработки, которые в комбинации со спектром задач, стоящих перед доводкой стали, обеспечивают многочисленные технологические процессы, большая часть которых гарантируют рафинирование, модифицирование, делегирование стали и т.п. Технологические возможности большинства методов внепечной обработки стали достаточно широко изучены, что позволяет в каждом конкретном случае оптимизировать схему производства [3-14]. Вместе с тем, не следует ожидать, что внепечная обработка металла всегда может обеспечить необходимый положительный эффект. Это, в первую очередь, относится к такому технологическому процессу, в котором требуется незначительная доводка стали, так как при этом затраты, связанные с обработкой, не могут быть экономически оправданы.

Обобщая известные литературные данные по эффективности различных методов внепечной обработки, необходимо отметить, что для всех них характерно использование определенных технологических приемов, включающих принудительное перемешивание металла, введение реагентов и легирующих в ходе обработки, вакуумирование (при необходимости снижения содержания водорода, азота и кислорода), подогрев металла в ковше и пр. [15-30]. Совмещение вышеперечисленных технологических приемов в рамках одного агрегата способствовало созданию и распространению универсальных комплексных установок типа "ковш-печь". Однако практика последних десятилетий показывает, что, в зависимости от круга решаемых задач, могут быть созданы различные агрегаты и установки, обеспечивающие высокую эффективность применительно к конкретным условиям и учитывающие внутреннюю специфику предприятия. Вместе с тем, нельзя не отметить, что использование высокоэффективных агрегатов для внепечной обработки металла требует, как правило, существенных дополнительных затрат, входящих в себестоимость продукции. В целом же, на основании выполненного анализа, можно принять, что рациональный выбор агрегата для выплавки металла в совокупности с технологией его внепечной обработки ковше позволяет в большинстве случаев обеспечить высокое качество металла в ковше перед его разливкой. Следовательно, в дальнейшем качество слитков и заготовок во многом зависит от обеспечения соответствующего технологического уровня разливки металла и теплофизических условий его затвердевания в форме.

В большинстве случаев процесс разливки металла является достаточно ответственным технологическим этапом и имеет свои специфические особенности применительно к конкретным объектам. Основными задачами, решаемыми в процессе разливки металла, можно считать обеспечение необходимой скорости и температуры заливки в совокупности с эффективными приемами защиты струи металла от вторичного окисления [31, 32]. Практика последних десятилетий показала, что эффективная защита струи металла от вторичного окисления достигается либо при использовании разливки в специальных вакуумных камерах, либо с применением специальных огнеупорных изделий и защиты аргоном [31-35]. Так, при производстве крупных слитков большое распространение получил метод разливки в специальной вакуумной камере. По свидетельству различных исследователей при разливке стальных слитков в вакууме могут быть созданы вполне благоприятные условия для обеспечения защиты струи и удаления газов из металла [35].

Следовательно, в условиях обеспечения рациональных технологических условий выплавки, доводки и разливки стали, существенным резервом повышения качества металлопродукции может быть создание благоприятных условий затвердевания слитков, непрерывнолитых заготовок или отливок. Это следует объяснять тем, что в ходе затвердевания происходят сложные тепло- и массообменные процессы, вследствие которых химическая и физическая однородность металла в затвердевшем слитке или заготовке может существенно уменьшаться. Это, в конечном счете, приводит к значительному локальному (по объему заготовки) снижению качества металла в сравнении с его показателями в ковше перед разливкой. Наиболее распространенные виды дефектов макроструктуры, имеющие практические последствия, представлены на рис. 2.1. С достаточной степенью условности их можно разделить на дефекты усадочного характера (усадочная раковина, усадочная пористость и рыхлость) и дефекты макроликвации (полосчатость структуры, «А» и «V» - образная ликвация, положительная ликвация, развитая в осевой зоне слитка и, особенно, под прибылью, конус отрицательной ликвации). Формирование рассмотренных видов дефектов в значительной степени зависит от условий затвердевания. Например, проявление «А» - образной ликвации отмечается в слитках, масса которых превышает 3 тонны. Для непрерывнолитых заготовок наиболее распространенными дефектами следует считать полосчатость, осевую положительную ликвацию и осевую пористость.

В соответствии с современными представлениями об источниках и динамике развития дефектов макроструктуры можно предположить, что в основе происхождения большинства видов макродефектов лежит массоперенос в объеме затвердевающего слитка или отливки [2, 36 - 41]. При этом массоперенос вызывает ликвацию, термическую усадку и термогравитационную конвекцию.

В ходе затвердевания слитка или заготовки можно выделить процесс диффузии отдельных компонентов, процесс конвекции жидкости и процесс осаждения (перемещения) в расплаве затвердевших частиц. Известно, что максимальное расстояние, на которое может диффундировать растворенное вещество, описывается приближенным уравнением X ? (D*ф)0.5 (D - коэффициент диффузии, ф - время), что, в конечном счете, и обозначает область влияния диффузионных процессов.

Схематически перемещение расплава в жидкой ванне слитка обычно представляют следующим образом (рис.2.2.) [42-44]. Более холодный (а, следовательно, и более плотный) металл у фронта затвердевания опускается вниз, а более горячий по центру слитка поднимается вверх. Практические данные, полученные различными авторами в ходе экспериментальных исследований методами радиоактивных изотопов, позволяют достаточно полно представить общую картину перемещений расплава. В целом все экспериментальные данные [42, 43] свидетельствуют о том, что усадка металла при переходе его из жидкого в твердое состояние является одной из главных причин перемещений расплава вдоль фронта кристаллизации. При этом для начала кристаллизации металла в форме можно считать экспериментально доказанным наличие смешанного питания расплава из прибыли (пристеночного и объемного) жидкой сердцевины затвердевающего слитка или отливки. Момент окончания пристеночного питания при х/R ? 0,25-0,30 соответствует прекращению роста столбчатой зоны и началу образования центральной зоны равноосных кристаллов. Весьма характерным также является тот факт, что скорость потоков в начале затвердевания слитков массой 0,2- 40 т не зависит от их массы. Вместе с тем интенсивность потоков с течением времени заметно снижается (для слитков массой 8-40 т снижение примерно в 10 раз происходит через 1-2 часа) [44-46].



Рис. 2.2. Схема движения конвективных потоков в слитке спокойной стали в период роста зоны столбчатых кристаллов.

В зависимости от структуры, формирующейся в ходе затвердевания, характер конвективных потоков может быть различным. В конечном счете, конвекция в объеме расплава вызывает взаимодействие потоков и образование зон, обогащенных примесями. При формировании столбчатой дендритной структуры происходит вытеснение растворенных веществ их вершинами к оси слитка, что обуславливает формирование положительной ликвации. Обогащение растворенным веществом встречается только позади вершин дендритов. Если конвекция достаточно глубоко проникает в двухфазную область, то могут исчезнуть колебания состава растворенного вещества позади вершин дендритов, а сегрегация происходит по пути следования конвективного потока. Такое устранение растворенного вещества из зоны позади вершин дендритов может приводить к полосчатости, что иногда наблюдается в периферийных слоях слитков и заготовок.

Помимо рассмотренной термической конвекции в зоне жидко-твердой фазы наблюдается медленное сползание части жидкости по образовавшемуся каркасу, вызванное преимущественно усадкой при переходе из жидкой фазы в твердую и разницей плотности жидкости внутри жидко-твердой зоны. Достоверные количественные данные для реальных стальных сплавов об изменении плотности жидкости в междендритном пространстве отсутствуют. Расчеты, основанные на экспериментальных данных, показывают, что плотность расплава для одних сплавов увеличивается, а для других (например, для хромомолибденованадиевых) уменьшается [47-49]. Несмотря на малую скорость, междендритное течение представляется весьма важным с точки зрения формирования ликвации. Так, если основной поток совершает движение из области более горячего расплава в более холодную, образуется отрицательная ликвация. При движении потока из зоны более холодного расплава в более горячую образуется положительная ликвация, интенсивность которой зависит от скорости потока. Если поток жидкости достигает такой скорости, что он стекает в междендритное пространство, то при движении этой жидкости по сформировавшимся каналам происходит формирование шнуров внецентренной ликвации ("А"- образной ликвации).

Для получения слитков без «А» - образной ликвации рекомендуется выбирать химический состав стали, руководствуясь следующим соотношением [50]:

I = - 1,022 Si - 0,049 Mn + 0,208 Mo,

где I - интегральный параметр, значение которого должно стремиться к 0 для обеспечения производства слитков с минимальной ликвацией;

Si, Mn, Mo - содержание соответствующего элемента в массовых процентах.

Рекомендуемое соотношение было экспериментально проверено на слитках массой от 13 до 400 т при вакуум-углеродном раскислении или раскислении кремнием. Наибольший уровень ликвации углерода (отношение разности между максимальным значением углерода в пробе и содержанием углерода в ковшевой пробе к содержанию углерода в ковшевой пробе) отмечен в слитках массой 210 и 430 т (соответственно 41% и 38%). Несмотря на сравнительно большой уровень ликвации углерода во всех опытных слитках "А"- образная ликвация отсутствовала. В целом, приведенные практические данные подтверждают гипотезу о зависимости степени развития внецентренной ликвации от процессов движения жидкости в междендритном пространстве и характера их взаимодействия с термогравитационными конвективными потоками. Видимо, внецентренная ликвация формируется в том случае, когда скорость потока в междендритном пространстве превышает скорость движения изотерм.

Достаточно эффективным средством, позволяющим существенно влиять на характер движения конвективных потоков, может быть изменение геометрических размеров слитков (рис.2.3). Анализируя современный опыт оптимизации геометрии слитков, следует, в первую очередь, выделить тенденцию уменьшения отношения высоты слитка к диаметру в крупных кузнечных слитках. При этом, по свидетельствам многочисленных исследователей, наблюдается изменение расположения основных ликвационных зон (например, зоны

«А» - образной ликвации) [51-52]. Примером конструктивного подхода к рациональному выбору геометрических соотношений слитков в зависимости от их назначения может служить производство крупногабаритных листов и плит. Появившиеся в зарубежной и отечественной литературе данные [53-56] свидетельствуют о целесообразности использования в качестве исходных заготовок для таких листов и плит горизонтальных слитков массой 70 - 80 т. Как видно из рис. 2.3. г, в горизонтальном слитке существенно изменяется расположение ликвационных зон, что, видимо, также следует связывать со спецификой движения конвективных потоков в ходе затвердевания.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.3. Схематическое расположение основных видов дефектов в слитках различной геометрии: I-усадочная раковина; 2-полосчатость; 3-подусадочная ликвация; 4-внецентренная ликвация; 5-осевая ликвация; 6-конус осаждения.

Вместе с тем, нельзя не отметить, что изменение геометрии слитков на практике представляется весьма сложной организационной проблемой, которая включает в себя дополнительные затраты на создание нового парка изложниц и трудоемкие разработки по корректировке последующей пластической деформации слитков измененной геометрии (последнее должно быть жестко увязано с существующим кузнечно-прессовым или прокатным оборудованием, а также требованиями потребителей).

Таким образом, в промышленном производстве слитков и заготовок их качество определяется большой совокупностью технологических факторов, включающих условия выплавки, внепечной обработки и разливки металла, а также условия затвердевания металла в форме. Каждый из перечисленных факторов имеет самостоятельное значение с точки зрения получения металлопродукции высокого качества. Однако, процесс затвердевания слитков и заготовок, в ходе которого происходят различного рода усадочные и ликвационные явления в совокупности с весьма сложным массо- и теплопереносом в жидкой и твердой фазе представляется крайне важным технологическим этапом, позволяющим обеспечивать достижение максимального положительного результата посредством наложения дополнительных физических воздействий, которые изменяют характер развития конвективных потоков в жидкой ванне. Обобщение наиболее вероятных движущих источников возникновения макродефектов в слитках и заготовках и возможные пути их предотвращения с точки зрения наложения принудительного физического влияния на процессы массопереноса в затвердевающем объеме приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Дефекты макроструктуры, возникающие в слитках и за готовках, их основные источники и методы устранения

Тип дефекта	Движущий источник возникновения дефекта	Метод подавления или предотвращения дефекта
Усадочная раковина	Массоперенос расплава из прибыли в тело слитка для компенсации усадки	Выбор рационального режима охлаждения прибыли в зависимости от геометрии слитка
Полосчатость	Конвективные потоки, проникающие в двухфазную область	Подавление потоков термической конвекции. Ограничение скорости охлаждения слитка или заготовки
Подусадочная ликвация	Затруднение подпитки расплавом на завершающей стадии затвердевания	Улучшение условий питания, повышение доли твердой фазы в расплаве
Внецентренная ликвация	Отекание потоков обогащенной жидкости в междендритное пространство и ее движение по сформировавшимся каналам	Подавление междендритных потоков обогащенного расплава
Осевая ликвация	Отекание обогащенных потоков по щелевым полостям, формирующимся в твердом каркасе и компенсирующих усадку	Управление соотношением жидкой и твердой фазы в зоне формирования равноосной структуры
Конус осаждения	Движение междендритных потоков из зоны горячего расплава в холодную. Осаждение частиц твердой фазы в донную часть слитка	Подавление потоков междендритной жидкости. Управление процессом зарождения и перемещения частиц твердой фазы

С учетом выполненного анализа одним из наиболее эффективных путей воздействия на качество слитков и отливок, видимо, следует считать использование дополнительных внешних воздействий непосредственно в ходе затвердевания. При этом положительный эффект может быть достигнут при рациональной организации движения жидкой и твердой фазы, а также регламентации локальной концентрации частиц твердой фазы в определенных зонах в конкретные периоды времени.

2.2 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ КАК МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СЛИТКОВ И ЗАГОТОВОК В ХОДЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

В процессе производства слитков, заготовок и отливок для подавления и предотвращения дефектов получили распространение многочисленные технологические приемы, которые с определенной степенью условности можно разделить по способу воздействия на статические и динамические [57]. При этом статические методы направлены, главным образом, на оптимизацию условий затвердевания либо за счет организации рационального режима охлаждения, либо за счет придания им такой геометрической формы, которая бы обеспечила минимальную пораженность дефектами с точки зрения готового изделия. В основу динамических методов положен принцип принудительного физического воздействия на жидкую фазу в ходе затвердевания. Эти приемы обычно обеспечивают активное воздействие не только на тепло-массоперенос в жидкой фазе, но также существенно изменяют характер протекания процессов в двухфазной зоне. Конечно, в ряде случаев методы обработки слитков и заготовок включают в себя элементы статических и динамических воздействий одновременно.

К числу методов статического воздействия относятся управление тепловым режимом работы прибыли; изменение геометрии слитка или непрерывнолитой заготовки; модифицирование и микролегирование металла специальными добавками; введение в расплав различного рода макрохолодильников и т.п.

Управление тепловым режимом работы прибыли является одной из наиболее изученных и актуальных проблем [2, 40, 59-63]. Широкое распространение при этом получили разнообразные технологические приемы, в основу которых положено использование утепляющих и экзотермических смесей. Основной проблематикой применения этих смесей на практике является управление и регламентирование тепловых потоков в разные периоды затвердевания. Это объясняется тем, что физико-химические параметры смесей могут значительно изменяться в процессе их работы в прибыли. Функционально “идеальным” вариантом такого рода смесей представляется случай, когда в процессе затвердевания тепло через зеркало прибыли не подводится и не отводится [47]. Однако, на практике при использовании утеплительных смесей достигается лишь уменьшение теплового потока. Более широкие возможности управления тепловой работой прибыли существуют при использовании экзотермических смесей [64]. Тем не менее, крайне сложным представляется достижение равномерности процесса горения экзосмеси в течение всего периода затвердевания. Если же при горении экзосмеси осуществляется подвод тепла в прибыль, то, как показывают многочисленные исследования, следует ожидать усиления процессов развития поду садочной и осевой положительной ликвации.

Модифицирование и микролегирование металлов является весьма простым и высокоэффективным методом улучшения их структуры, механических и служебных свойств. Обычно под модифицированием понимается процесс активного регулирования первичной кристаллизации и изменения степени дисперсности кристаллизующихся фаз путем введения в расплав малых добавок отдельных химических элементов или соединений [66, 67]. При микролегировании роль легирующих элементов проявляется, главным образом, в твердом состоянии в результате образования растворов внедрения или замещения, воздействуя на степень дисперсности вторичных зерен. Современные модифицирующие лигатуры и смеси нередко содержат элементы, обусловливающие проявление эффекта микролегирования и наоборот. В таких случаях эффекты модифицирования и микролегирования могут накладываться, суммироваться, усиливать или ослаблять друг друга.

Модифицирование металла аналогично по характеру действия увеличению скорости охлаждения при кристаллизации. Безусловно эффект модифицирования зависит от активности вводимых добавок, окисленности и газонасыщенности металла, его загрязненности и газонасыщенности, физико-химических свойств и температуры расплава, длительности его выдержки в ковше и т.п. Поэтому из-за неизбежности колебаний вышеперечисленных параметров на практике существует достаточно серьезная проблема надежной воспроизводимости результатов модифицирования даже в условиях одного плавильного цеха.

Сильное модифицирующее (инокулирующее) воздействие, например, могут оказывать готовые кристаллы затвердевающей фазы вследствие полного смачивания и сходства их кристаллических решеток [68-71]. Наибольшие затруднения при реализации этой технологии обычно связываются с ее многоступенчатостью, включающей получение металлического порошка регламентированного химического и фракционного состава, его хранение (предотвращение окисления) и введение в расплав.

Совмещение процесса образования и введения инокуляторов непосредственно в ходе разливки удается достигнуть при вакуумной разливке стали. При этом распыляется периферийная часть струи расплава и затем твердые капли как инокуляторы попадают в слиток. Исследования эффективности этой технологии, выполненные, например, на слитках массой 24,2 т, показали, что в опытном слитке в 1,2-2.0 раза снизилось развитие ликвационной неоднородности металла и в 1,5-3.0 раза уменьшился разброс механических свойств по длине и сечению изделий [35].

Достаточно перспективным направлением технологии разливки стали с инокуляторами выглядит применение водоохлаждаемых холодильников при непрерывной разливке [57]. Качественно непрерывнолитые заготовки, полученные с использованием макрохолодильников, отличаются уменьшенной зоной столбчатых кристаллов. Кроме того, в таких заготовках отмечается снижение осевой ликвации и количества внутренних трещин, а также подавление осевой пористости и рыхлости.

Принцип введения макрохолодильников в слитки или отливки известен достаточно давно и широко применяется в литейной технологии для снятия перегрева металла в процессе затвердевания. По существу положительный эффект в этом случае достигается за счет более быстрого и равномерного затвердевания тела отливки [62,72]. Современным развитием технологии использования микрохолодильников является технология АКМ (армированный конструкционный материал) при получении заготовок для прокатки листов [73].

Целесообразность применения методов динамических (внешних) воздействий, обеспечивающих, принудительное перемешивание жидкой фазы слитков и непрерывнолитых заготовок, достаточно очевидна даже для подавления процессов массопереноса, способствующих развитию различных дефектов. Теоретические и технологические принципы динамической обработки жидкой фазы в процессе затвердевания слитков и заготовок развиты в трудах Г.Ф. Баландина, В.И. Добаткина, В.А. Ефимова, Дж. Кемпбелла, А. Оно, А.М. Скребцова, М. Флемингса, Н.И. Хворинова и др. [47, 63, 74-82]. Даже не выполняя подробный анализ результатов исследований, следует отметить, что применение того или иного метода воздействия во многом определяется качественными показателями (состояние поверхности, внутренние дефекты, загрязненность и усадочная рыхлость, проявление ликвационных явлений). Вероятно, достижение всех перечисленных эффектов в рамках одного метода невозможно, хотя чисто с практической точки зрения это далеко не всегда необходимо.

Судя по имеющимся данным, для достижения максимального эффекта необходимо ответить на определенную совокупность вопросов: а) какие энергетические показатели перемешивания наиболее рациональны; б) место приложения источника воздействия; в) какой объем расплава необходимо перемешивать (весь объем или локальную область); г) предпочтительное движение потоков (линейное или циркуляционное); д) целесообразность реверсирования движения потоков через определенный временной интервал; е) какая предельная скорость движения потоков допустима; ж) в какой степени требуется реконструкция существующего технологического оборудования при реализации предлагаемой схемы перемешивания.

Методы динамического воздействия на жидкую фазу расплава при его затвердевании, нашедшие практическое применение при производстве слитков и заготовок, по характеру физического воздействия можно условно разделить на две группы: методы электромагнитного и электрофизического воздействия и методы виброимпульсных воздействий.

Метод электромагнитного перемешивания получил широкое распространение для повышения качества непрерывнолитых заготовок [83-87]. Эффект перемешивания в этом случае достигается посредством наложения на расплав электромагнитного поля. При этом, регулируя параметры тока, подаваемого на расположенные у поверхности заготовки катушки, можно получить различную скорость движения потоков жидкой стали.

По мнению многочисленных исследователей, под действием потоков металла происходит повторное расплавление верхушек дендритов или просто их обрушение. В свою очередь, обломки дендритов, становясь дополнительными центрами кристаллизации, увеличивают зону равноосных кристаллов. Следовательно, принудительное перемешивание может остановить процесс роста зоны столбчатых кристаллов и способствовать началу образования зоны равноосных кристаллов. Помимо этого, перемешивание жидкого металла под затвердевающей корочкой отливаемой заготовки обеспечивает усреднение химического состава кристаллизующегося металла, что является эффективным средством предотвращения осевой зональной ликвации. Процесс микроликвации также ослабляется, поскольку ширина двухфазной зоны уменьшается, а какое бы то ни было накопление примеси, выталкиваемой в маточный раствор перед фронтом кристаллизации, затруднено вследствие вымывающего действия движущейся жидкой фазы. Потоки жидкого металла в незатвердевшей части заготовки уменьшают размеры всех выдвигающихся дендритов, предотвращая формирование мостов и перемычек, отсекающих нижние объемы кристаллизующейся жидкости; такое воздействие ограничивает возможности формирования усадочных дефектов в осевой зоне литой заготовки. Исследованиями установлено, что даже после того, как закристаллизовалось почти 60% жидкого металла, двухфазная смесь обладает характеристиками жидкости, что позволяет продолжить ее энергичное перемешивание [85,86].

Турбулентное движение, развивающееся при электромагнитном перемешивании, уменьшает тенденцию к осаждению на межфазной поверхности раздела уже существующих в стали оксидных включений; кроме того, отмечается их принудительная транспортировка к мениску, где они переходят в защитный шлаковый слой. Направленный поток также обеспечивает размывание локальных объемов обогащенных ликватами зон расплава. Формирующиеся в подобных условиях сульфиды мельче и более равномерно распределены в осевой зоне кристаллизующейся заготовки.

Не останавливаясь на анализе многочисленных исследований, имеющих в основном прикладное значение, отметим, что электромагнитное перемешивание в кристаллизаторе обеспечивает улучшение качества поверхности и подкорковой зоны, а применение электромагнитного перемешивания в зоне вторичного охлаждения обеспечивает улучшение внутренней структуры заготовок, а также уменьшает развитие ликвации и усадочной пористости в центральной зоне. Лучшие результаты достигаются при двухстадийном, а в отдельных случаях трехстадийном перемешивании. Использование электромагнитного перемешивания для управления качеством слитков и отливок представляется весьма проблематичным, поскольку по мере увеличения сечения заготовок существенно возрастают проблемы с обеспечением равномерного проникновения поля по всему сечению.

Электрофизические воздействия обладают большими потенциальными возможностями вследствие существенного влияния на структурно-чувствительные свойства, процессы кристаллизации и тепловые аспекты формирования литого металла [80, 81, 88]. Исследования, выполненные Д.А.Дюдкиным, показывают, что электрофизические воздействия позволяют уменьшить межфазное натяжение в расплаве, критический радиус зародыша и работу его образования, что способствует измельчению структуры отливок и повышению скорости кристаллизации. Эксперименты, выполненные на МНЛЗ ЭСПЦ Донецкого металлургического завода показали, что в заготовках, полученных в условиях электрофизического воздействия, улучшаются структура и механические свойства, сокращается газовая пористость, уменьшается содержание неметаллических включений при их более равномерном распределении [81].

Идея виброимпульсной обработки металла в процессе затвердевания слитков и отливок известна достаточно давно и была предложена Д. Черновым [89]. Большинство из многочисленных исследователей сходятся во мнении, что вибрационная обработка обеспечивает измельчение литой структуры, изменяет форму и глубину проникновения усадочной раковины, а также благоприятствует улучшению абсолютных показателей механических свойств (твердость, предел текучести и прочности, относительное удлинение и т.д.) при повышении физической и химической однородности [58, 63,75, 76. 90-93]. Вместе с тем, систематический анализ имеющихся в литературе практических результатов исследований представляется весьма затруднительным в силу того, что систематизации подлежат данные, в которых варьируется способ наложения вибрационного воздействия (рис. 2.4), его частота, химический состав и масса обрабатываемого слитка или отливки, а также критерии, используемые для оценки результатов воздействия. Более того, в ряде работ обсуждаются только достигнутые положительные результаты без анализа всей совокупности данных, характеризующей качество слитков и отливок. Обобщая имеющиеся в литературе теоретические концепции, практические выводы и рекомендации, следует отметить, что достижение определенных положительных показателей обычно связывается с проявлением в ходе вибрационной обработки различного рода физических эффектов: кавитационных явлений, волновых явлений на поверхности расплава, эффектов развития неустойчивости термогравитационных потоков и формирования зон с направленным принудительным перемешиванием жидкой фазы, эффект зарождения и роста в расплаве частиц твердой фазы и пр.



Как видно из рис.2.4, идея наложения на расплав виброимпульсного воздействия может быть реализована различными способами. Выбор способа наложения воздействия, видимо, во многом определяется спецификой каждого конкретного объекта, а также целями, которые решаются в ходе обработки. В общем случае виброимпульсное воздействие может прикладываться либо к литейной форме (изложнице), либо непосредственно вводиться в расплав с помощью специальных приспособлений.

Приложение виброимпульсного воздействия непосредственно к литейной форме (рис.2.4, а - б) представляет весьма значительный практический интерес, поскольку в этом случае оказывается возможной обработка нескольких слитков или отливок одновременно [94-97]. Вместе с тем, интенсивность обработки в этом случае может иметь определенные ограничения, которые связаны с прочностью литейной формы для отливок и устойчивостью изложниц на виброплатформе для слитков. В литературе также нет однозначного мнения, какому из направлений вибрации (горизонтальному, вертикальному или реверсивно-вращательному) отдать предпочтение? Вероятно, для ответа на этот вопрос требуется дополнительное развитие теории виброимпульсного воздействия в непосредственной привязке к конкретным объектам и типам подавляемых дефектов.

Акустические и ультразвуковые методы воздействия на жидкую фазу металла (рис.2.4. в) получили достаточно широкое распространение в металлургии цветных и специальных сплавов [78]. Благодаря высокой интенсивности, ультразвуковое воздействие оказывает влияние на протекание тепломассообменных процессов в жидкостях и газах, на структуру твердых тел и процессы контактного взаимодействия. По мнению 0.В.Абрамова и В. И. Добаткина, основные положительные эффекты, достигаемые при такой обработки следует связывать с эффектом интенсивного развития процессов кавитации. Вместе с тем, нельзя не отметить, что использование ультразвуковой обработки представляется весьма проблематичным для промышленных слитков большой массы, а также для всех фасонных отливок. Это объясняется тем фактом, что эффект ультразвуковой обработки расплава проявляется в весьма ограниченном объеме, прилегающем непосредственно к источнику колебаний.

Метод электрогидроимпульсной обработки (рис. 2.4, г) показал достаточно высокую эффективность в условиях металлургического производства на этапе промышленных опробований [57, 98]. Идея этого метода заключается в наложении короткоимпульсных большой мощности воздействий на затвердевающий слиток. При этом в ходе прохождения импульса формируется широкий спектр частот колебаний. Между тем, электрогидроимпульсная обработка обладает рядом особенностей, затрудняющих эффективную техническую реализацию метода в промышленности. В первую очередь, это относится к тому факту, что амплитуда колебаний выходных звеньев обычно невелика (порядка десятых долей миллиметров), а эффект такой обработки зависит от качества контакта рабочего органа с обрабатываемой поверхностью. По существу высокий положительный эффект обработки достигается только при условии так называемого "безотрывного контактирования", выполнение которого в случае воздействия на слитки и отливки представляется крайне затруднительным. Кроме того, использование системы боковых разрядных устройств в системе стенка изложницы - нарастающая оболочка - расплав связано с высокими потерями механической энергии через формирующуюся оболочку и через стенку изложницы, а также с сужением спектра генерируемых частот [99]. Можно предположить, что при этом основная часть энергии выделяется в двухфазной зоне, а часть энергии идет на развитие навигационных явлений вблизи фронта затвердевания, но на основную часть расплава генерируемые упругие колебания воздействуют слабо.

Обработка расплава погружаемым колеблющимся стержнем (рис.2.4, д) с частотой 0,2-3,0 Гц обеспечивает, главным образом, интенсификацию процесса зародышеобразования [100-102]. Зарождение кристаллов начинается симметрично от источника колебаний в областях, прилегающих одновременно к затвердевающей корочке и свободной поверхности расплава. Процесс носит лавинообразный характер, и мелкодисперсные кристаллы заполняют все пространство, окружающее вибрирующий стержень. По ходу обработки частицы твердой фазы оседают с малой скоростью на дно слитка. Исследованиями А.М. Скребцова [80, 100] установлена зависимость между степенью измельчения зерна и режимами обработки. Показано, что для измельчения зерна металла внутренний расплавляемый холодильник необходимо располагать на расстоянии 40-50% высоты отливки. Исследования, выполненные на промышленных (6 т) стальных слитках, свидетельствуют о более мелкозернистой структуре слитка в равноосной зоне при уменьшении протяженности зоны столбчатых кристаллов. При этом значительного изменения распределения ликвирующих элементов в опытных слитках не наблюдалось [101].

Начало развития и исследований метода пульсационного перемешивания (газоимпульсного воздействия) для обработки металлургических расплавов приходится на середину - конец 70-х годов [102-107]. Однако сам принцип перемешивания жидкостей пульсирующей затопленной струей сформулирован достаточно давно и нашел весьма широкое применение в химической технологии [108-109]. Вместе с тем специфика металлургических процессов (высокие температуры, интенсивность воздействия и пр.) потребовала принципиально новых теоретических и конструктивных разработок, обеспечивающих реализацию метода пульсационного перемешивания в металлургии. По мнению большинства исследователей [110-114], принципиальная схема этого метода обработки расплавленного металла должна включать в себя периодическое заполнение и вытеснение металла из погружаемой в расплав огнеупорной трубы. Колебания уровня металла в трубе достигается путем определенного изменения давления газа в ее внутренней полости. При обработке жидкой фазы слитков огнеупорную трубу располагают в центральной части прибыли [103]. Направленное циклическое движение вытесняемой струи металла существенно изменяет направление и скорость движения потоков в жидкой ванне [114-116]. Кроме того, в ходе обработки на расплав накладываются колебания достаточно высокой интенсивности, что позволяет ожидать развития кавитационных эффектов, которые сопутствуют ранее рассмотренным методам виброимпульсных воздействий.

Обобщение результатов анализа имеющихся в литературе данных по влиянию на качество слитков и заготовок различных методов статического и динамического воздействия приведено в табл.2.2.

Таблица 2.2.

Влияние различных методов воздействия на подавление дефектов и качество слитков, заготовок и отливок

Метод воздействия	Тип дефекта
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
I.Управление тепловым режимом прибыли	++	*	-	*	-	*	*	*	+	- *
2.Изменение геометрии слитка или заготовки	+	+	*	+	+	*	*	*	+	*
3.Модифициро-вание	+	*	*	*	+	-	++	*	+	++
4.Макрохоло-дильники и АКМ	+	*	+	+	*	+	-	*	+	+
5.Электромагнитное перемешивание	+	+	*	НД	+	*	++	+	+	+
6.Вибрационная обработка формы	++	+	+	*	*	-	-	++	+	++
7.Реверсивное вращательное движение	+	-	*	+	*	-	+	НД	+	*
8.Обработка ультразвуком	НД	*	НД	*	*	-	+	++	++	++
9.Электрогидроимпульсная обработка	+	-	*	*	*	-	+	+	++	++
10.Обработка колеблющимся стержнем	+	*	+ -	*	*	-	+	НД	++	++
11.Пульсацион-ное перемешивание	++	+	+	+	+	+	+	+	++	+
Примечания: «++» - оказывает значительное положительное влияние; «+» - оказывает положительное влияние; «*» - не оказывает значительного влияния; «-» - оказывает отрицательное влияние; «НД» - нет данных. Типы рассматриваемых дефектов: 1 - усадочная раковина; 2 - полосчатость; 3 - подусадочная ликвация; 4 - внецентренная ликвация; 5 - осевая ликвация; 6 - конус отрицательной ликвации; 7 - однородность кристаллической структуры; 8 - газовая пористость; 9 - повышение плотности; 10 - измельчение первичного зерна.

Как видно из приведенных данных, методы динамических воздействий обеспечивают разносторонние качественные эффекты, что делает их более предпочтительными с точки зрения кардинального повышения качества слитков и заготовок. Особенно высокая эффективность динамических воздействий достигается в случае наложения на расплав вибрационных импульсов в совокупности с регламентированным принудительным перемешиванием.

Таким образом, спектр задач, решаемых каждым конкретным методом принудительного физического воздействия, отличается друг от друга, что следует связывать со степенью проявления физических эффектов, которые могут возникать непосредственно в ходе обработки. Следовательно, обеспечение выбора рационального метода динамического воздействия на расплав в процессе затвердевания необходимо осуществлять в соответствии с теоретическими представлении о характере развития физических эффектов и степени их влияния на качественные и количественные показатели результатов обработки.

2.3 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ХАРАКТЕРЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ В УСЛОВИЯХ ВИБРОИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

К числу физических эффектов, возникновение которых обусловливается наложением виброимпульсного воздействия, можно отнести следующие процессы:

а) явление подавления потоков термогравитационной и развития потоков вынужденной конвекции;

б) явление развития волновых процессов на поверхности и в объеме расплава;

в) явление кавитации в объеме жидкой фазы;

г) явления зарождения и дробления частиц твердой фазы в расплаве;

д) явление роста частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве.

А. Явление подавления потоков термогравитационной и развития потоков вынужденной конвекции

Как было рассмотрено в разд. 2.1, процесс затвердевания слитков и заготовок происходит в условиях некоторого направленного перемещения потоков расплава. Кроме развития в объеме жидкой ванны потоков естественной конвекции необходимо также принимать во внимание эффект перемешивания жидкости падающей струёй при заливке [117,118]. В целом естественное движение расплава обусловливает формирование в слитке и заготовке определенной группы макродефектов. Поэтому наложение внешних воздействий может способствовать повышению качества слитков и заготовок за счет подавления потоков естественной конвекции.

Влияние вибрации полости с жидкостью на конвективную устойчивость равновесия исследовалось в ряде работ [119-126]. Показано, что модуляция параметров вибрационного воздействия оказывает существенное влияние на условия возникновения тепловой конвекции в статическом гравитационном поле неизотермической жидкости. В зависимости от режимов воздействия и способа приложения вибрации возможны следующие эффекты: а) стабилизация термоконвекционных течений; б) разрушение термокавитационных потоков вплоть до их полного подавления; в) формирование новых конвективных потоков, как во всем объеме жидкой фазы, так и локализация отдельных объемов жидкой ванны.

Анализируя известные практические данные по исследованию эффекта перемешивания жидкости методами вибрационного воздействия, следует отметить, что во всех случаях отмечается возможность интенсивного перемешивания локальных объемов жидкости при сравнительно низкой интенсивности перемешивания всего объема в целом. При этом максимальная интенсивность перемешивания наблюдается либо у поверхности расплава (при наложении вибрации на расплав вместе с емкостью), либо в зоне, непосредственно прилегающей к источнику вибрации. Более широкие возможности по перемешиванию замкнутых объемов расплавов обеспечивает метод пульсационного перемешивания [110], который будет рассмотрен в последующих разделах диссертации.

В целом практический интерес, с точки зрения повышения качества слитка или заготовки, представляет, в первую очередь, процесс подавление потоков термической конвекции и возможность формирования локальных зон с направленными конвективными потоками. Однако по мере затвердевания изменяются многие параметры жидкой фазы (скорость отвода тепла, вязкость расплава, геометрия ванны жидкой фазы и пр.), что, видимо, необходимо учитывать при назначении режимов воздействия.

Б. Явление развития волновых процессов на поверхности и в объеме расплава

Возникновение волн на поверхности расплава обычно связывается с проявлением эффекта резонанса [127,128]: совпадением частоты вынуждающего вибрационного воздействия с какой-либо гармоникой частоты собственных колебаний поверхности жидкости в сосуде. Волны на поверхности способствуют перемешиванию жидкой фазы слитка или заготовки. При этом глубина проникновения перемешивающего действия стоячих волн в расплав прямо пропорциональна длине волны (обычно высота слоя вовлекаемой в перемешивание жидкости примерно равна длине стоячей волны). Следовательно, максимальный эффект перемешивания жидкости может быть достигнут в том случае, когда половина длины волны равна диаметру сосуда. Развитие стоячих волн при высоких энергетических параметрах приводит к всплескам (выбросам) жидкости над поверхностью. Такие всплески металла над поверхностью наиболее характерны для низкой частоты вибрации. Например, по данным Дж. Кэмпбелла [75] скорость выброса алюминия при частоте I Гц примерно в 100 раз больше, чем при частоте 100 Гц.

Существо эффекта воздействия волн на процессы затвердевания, видимо, следует рассматривать также в аспекте разрушения формирующейся твердой фазы. Можно утверждать, что волновые процессы способствуют разрушению твердой корочки на поверхности расплава и разрушению вторичных и третичных ветвей дендритов в зоне жидко-твердой фазы. Вместе с тем, исследования, относящиеся к этим явлениям, носят в большей степени эмпирический характер и требуют соответствующих уточнений применительно к промышленным сплавам.

В. Явление кавитации в объеме жидкой фазы

С явлением кавитации многие исследователи связывают достижение многих положительных эффектов (измельчение структуры, дегазация, повышение плотности, а также пластических свойств и ударной вязкости и пр.) при виброимпульсной обработке. Весьма высокие качественные показатели, базирующиеся на эффекте кавитации, достигнуты многими исследователями при ультразвуковой обработке сплавов [68,78,90,129]. Вместе с тем, в литературе практически отсутствуют данные, позволяющие количественно связать способы и режимы виброимпульсного воздействия, степень развития кавитации и конечные результаты обработки.

Обычно под явлением кавитации большинство авторов подразумевает возникновение и исчезновение каверн (замкнутых газовых полостей) в жидкости под воздействием возмущающих факторов [130-133]. Процесс возникновения и развития кавитации зависит от состояния жидкости, включая ее вязкость и наличие в ней твердых или газообразных примесей, а также от поля давления в зоне кавитации. Различают перемещающуюся, присоединенную, вихревую и вибрационную кавитацию.

Силы, вызывающие образование и схлопывание каверн при вибрационной кавитации, представляют собой непрерывные колебания давления с большой амплитудой. Эти колебания могут создаваться любой поверхностью, погруженной в жидкость, которая вибрирует в направлении нормали и создает волны давления в жидкости. Каверны не образуются до тех пор, пока амплитуда пульсаций недостаточно велика и давление не падает до давления насыщенного пара или ниже [130]. Образующиеся в местах разрыва маленькие полости могут пульсировать, не меняя содержания внутри объема парогазовой смеси или интенсивно расти за счет действия растягивающих напряжений колебательных волн, или же начинать смыкаться (схлопываться) под действием сжимающих напряжений колебательных волн, порождая мельчайшие "осколки" пузырьков и развивая большие локальные давления вблизи мест схлопывания.

Параметры колебаний, обеспечивающих начало и развитие кавитационных явлений, в первом приближении можно оценить из условия достижения пиковыми значениями давления жидкости в поле вибрационных сил величин, приближающихся к нулю [75,134]. Так, при виброобработке жидкости вместе с емкостью, выражение для условия начала кавитационных явлений в идеальной жидкости имеет следующий вид:

где ѓ - частота колебаний, Гц; б - амплитуда колебаний, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; р = 3,14.

Расчетные диаграммы, иллюстрирующие максимальные давления, возникающие в жидкости при вибрации формы и при вибрации погружаемым стержнем, представлены на рис. 2.5. (данные [75]). Несмотря на тот факт, что приведенные зависимости получены расчетным путем с определенным уровнем допущений, данные, относящиеся к количественным значениям порога кавитации, хорошо согласуются с результатами практических исследований, выполненных многими авторами.



Конечно, для реальных жидкостей возможно заметное уменьшение порога кавитации в зависимости от наличия в них инородных примесей.

Некоторые исследователи предлагают определять порог кавитации приближенно по акустическому числу Маха (М), равному отношению колебательной скорости к скорости звука (Сзв) в жидкости [135]. Следовательно, для гармонических колебаний кавитация может развиваться при следующем условии: