М = (2 р f б / Сзв ? (104 ...103 ) (2.2)

Соответственно, при скорости звука для черных металлов около 4500 м/с порог кавитации (Га) находится в пределах 0,07... 0,7 м/с [130].

Обобщая рекомендуемые в литературе зависимости по определению порога кавитации, нельзя не отметить, что все они носят полу эмпирический характер и сводятся к определению либо значений максимального ускорения, либо значений максимальной скорости в процессе виброимпульсного воздействия с введением эмпирических поправочных коэффициентов на условия обработки [75, 94, 135-143]. Поэтому их сходимость с имеющимися практическими данными других исследователей оказывается далеко не всегда удовлетворительной. Причиной этому, видимо, может быть наличие неучтенных факторов, к числу которых относится условия выплавки и заливки, вязкость жидкости, а также наличие в расплаве большого количество твердых и газообразных примесей и пр. В целом примеси могут играть заметную роль в процессе образования, роста и схлопывания каверн, однако результаты, полученные разными экспериментаторами, часто не согласуются количественно и имеют большой разброс в каждой отдельно взятой совокупности данных. По всей видимости, определение показателей кавитационной прочности и кавитационного порога для промышленных сплавов следует осуществлять только комбинированным методом, используя эмпирические зависимости с соответствующей их корректировкой в ходе лабораторных и промышленных экспериментов в привязке к конкретным условиям и методам воздействия.

Г. Явления зарождения и дробления частиц твердой фазы в расплаве

В основе теории образования центров кристаллизации в жидком расплаве лежат работы Дж. Гиббса, В.И. Данилова, Я.И. Френкеля, Б. Чалмерса и их последователей. Известно, что процесс кристаллизации начинается с возникновения определенного числа центров кристаллизации Nч в единице объема за единицу времени и последующего их роста со скоростью vр. При этом число центров кристаллизации Nч обычно выражают в следующим уравнением [78]:

где Сmk , - коэффициент, связанный с молекулярно-кинетическими особенностями процесса;

?Ак - работа по образованию зародыша критического размера;

U - энергия перехода атомов из жидкой в твердую фазу;

k - постоянная Больцмана;

Тe - температура расплава.

Как следует из уравнения, на увеличение числа центров кристаллизации влияет уменьшение величины работы образования центра кристаллизации и снижение энергии активации перехода атома жидкой фазы в твердую. Если принять, что наложение виброимпульсного воздействия при кристаллизации приводит к определенному уменьшению ?Ак и U, то сам процесс воздействия будет обеспечивать увеличение скорости зарождения центров кристаллизации и соответственно их количества в расплаве.

Процесс образования зародышей кристаллизации в затвердевающих расплавах происходит преимущественно на частицах нерастворимых примесей, поверхность которых полностью или частично смачивается расплавом. Принято считать [144,145], что только небольшая часть находящихся в расплаве микропримесей может стать центром кристаллизации. Достаточно устойчивыми в качестве центров кристаллизации оказываются лишь частицы, имеющие относительно глубокие микроне сплошности, которые заполнены матричным сплавом. Однако заполнению несплошностей во всех неметаллических частицах препятствует наличие в ней газовой фазы, с одной стороны, и эффект несмачиваемости поверхности неметаллической частицы, с другой стороны. Значительной активации неметаллических частиц как центров кристаллизации, видимо, можно достигнуть в случае наложения виброимпульсных воздействий. В этом случае упругие колебания способствуют очистке поверхности твердого тела от возможных загрязнений, а интенсивное движение около частицы примеси, обязанное возникновением микропотокам и различию в колебательных скоростях жидкой фазы и частицы примеси, может привести к заполнению жидкостью трещин на поверхности частицы. При этом частица может стать центром кристаллизации в той мере, как это определяется ее изоморфизмом с кристаллизующимся металлом. Процессы очистки поверхности примеси от загрязнений и скорость движения жидкости относительно частицы примеси связаны как с протеканием кавитационных процессов, так и с возникновением сил вязкого трения между частицей примеси и расплавом.

Другим не менее важным источником центров кристаллизации в затвердевающем расплаве являются "осколки" матричного сплава, отделившиеся по каким-либо причинам от растущего твердого каркаса. В условиях затвердевания слитков и заготовок без наложения принудительного внешнего воздействия количество таких частиц весьма мало. Однако при виброимпульсном воздействии создаются благоприятные условия для дробления частиц твердой фазы. Дополнительные частицы твердой фазы в расплаве могут образовываться благодаря следующим процессам (рис.2.6):

а) механическому разрушению твердой корочки на поверхности расплава при развитии волновых процессов;

б) разрушению вторичных и третичных ветвей дендритов на фронте кристаллизации под действием конвективных потоков и ударных нагрузок;

в) кавитационному разрушению частиц твердой фазы при схлопывании пузырьков.

Вероятность развития того или иного из вышеперечисленных процессов зависит от свойств сплава, условий затвердевания, способа и интенсивности виброимпульсного воздействия. Однако, в большинстве случаев эти процессы, видимо, идут параллельно, что подтверждается многими работами, в которых эффект измельчения кристаллической структуры фиксировался при режимах значительно ниже порога кавитации. Вместе с тем, в количественном отношении наиболее мощным источником, генерирующим новые твердые частицы в расплаве, следует считать кавитационный эффект.

В литературе известны несколько эмпирических гипотез, объясняющих положительное влияние кавитации на зарождение твердых частиц в расплаве. Ранее было рассмотрено влияние кавитации на зарождение центров кристаллизации на неметаллических включениях. Другой гипотезой о зарождении центров кристаллизации под действием кавитации является эффект разрушения твердой фазы при схлопывании навигационных пузырьков (рис. 2.6 в). Известно, что при схлопывании пузырька развиваются высокие ударные давления и локальные микротечения.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.6.Схематическое представление основных механизмов образования частиц твердой фазы в расплаве при виброимпульсном воздействии: а - развитие волн на поверхности расплава; б - разрушение вторичных и третичных ветвей дендритов; в, г - при развитии эффекта кавитации.

Эти процессы могут приводить к разрушению (дроблению) частиц твердой фазы, находящихся вблизи охлопывающихся пузырьков. В целом дробление частиц по этому механизму представляется весьма вероятным, поскольку эффект эрозии и разрушения твердых тел в жидкостях при кавитации достаточно широко подтвержден на практике [130]. Применительно к виброимпульсным воздействиям необходимо дополнительно заметить, что для дробления частиц необходимо, чтобы зона кавитации была максимально приближена к зоне плавающих частиц или фронту затвердевания. Учитывая технические особенности передачи импульсов воздействия расплаву, наиболее полное развитие эффекта дробления частиц в объеме расплава следует ожидать при наложении вибрации на емкость или при пульсационном перемешивании, обеспечивающем интенсивное перемешивание всей жидкой ванны.

Достаточно перспективной представляется гипотеза основанная на том, что для пульсирующего кавитационного пузырька во время полупериода растяжения происходит резкое увеличение его объема и, как следствие, испарение жидкости внутрь пузырька, способствующее понижению температуры ниже равновесной (рис. 2.6 г). Переохлаждение расплава на поверхности пузырька, в свою очередь, может привести к образованию в ней зародыша твердой фазы. При последующем сжатии образующийся зародыш должен оторваться от поверхности пузырька, вследствие разной скорости движения твердой и жидкой фазы, а ударная волна, возникающая при захлопывании пузырька, будет способствовать выносу зародившегося центра кристаллизации в объеме расплава [146].

В целом же прямым следствием кавитационных явлений, происходящих при виброимпульсной обработке, можно считать измельчение зерен первичной литой структуры во всем объеме слитка или заготовки. С этой точки зрения виброимпульсную обработку на режимах, соответствующих кавитационному порогу, следует рассматривать как достаточно перспективный путь повышения качества и физической однородности. Между тем, периодическая пульсация давлений может стать причиной не только возникновения в расплаве твердой или газообразной фазы, но и способствовать ее переходу в расплав. В этом случае могут возникнуть дефекты структуры в зоне фронта затвердевания, проявляющиеся в проплавлении полостей в твердой части фронта затвердевания [75, 133]. Другим возможным дефектом при проведении виброобработки в кавитационном режиме является повышение газовой пористости из-за невозможности удаления из тела слитка возникающих при кавитации газовых пузырьков [903].

Д. Явление роста частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве

Рост свободных частиц в расплаве возможен только в том случае, когда температура поверхности частицы выше, чем температура расплава, а выделенная теплота затвердевания может быть отведена в расплав [147-152]. Фундаментальные положения теории роста кристаллов в расплаве позволяют достаточно полно описывать основные тепловые и диффузионные процессы, происходящие в ходе роста частицы в объеме жидкой ванны. Вместе с тем, по-прежнему, до конца не установлены количественные зависимости между степенью переохлаждения, скоростью роста и формой кристаллов для многокомпонентных сплавов.

В течение всего процесса затвердевания в жидкой фазе слитка существует определенная зона переохлажденного расплава, которая расположена между направленно растущим фронтом затвердевания и зоной равновесной температуры ликвидус. При этом протяженность зоны переохлажденного расплава зависит от тепловых условий затвердевания, физико-химических свойств металла, конфигурации слитка или отливки и пр. С уменьшением величины перегрева (а, следовательно, и с уменьшением температурного градиента перед фронтом затвердевания) растет ширина зоны переохлажденного расплава. Чем шире переохлажденный слой, тем большее количество частиц твердой фазы могут в нем расти. Теплота, выделяющаяся при росте частиц, изменяет распределение температур в зоне переохлажденного расплава и из-за дополнительного потока тепла замедляет продвижение фронта затвердевания. В экстремальном случае переохлажденный граничный слой может занять весь объем жидкой ванны. Можно с уверенностью утверждать, что интенсивное принудительное перемешивание расплава при затвердевании может обеспечивать быстрое снятие перегрева и последующее формирование переохлаждения расплава практически во всем объеме жидкой фазы.

Практические данные по количественным оценкам характера роста частиц твердой фазы в железоуглеродистых расплавах в литературе отсутствуют. Вместе с тем, общие оценки особенностей затвердевания такой частицы могут быть выполнены расчетным путем при принятии определенных допущений. Так, исследования, выполненные Я. Липтоном на математической модели для различных марок сталей [152, 153], позволили установить, что величина радиуса шара (частицы) существенно зависит от величины переохлаждения расплава и крайне незначительно от концентрации (рис.2.7). Этот вывод следует связывать с тем фактом, что высокая начальная скорость затвердевания обеспечивает быстрый рост радиуса частицы. Между тем, скорость после дующего роста радиуса шара существенно замедляется.

Таким образом, при затвердевании стальных слитков и заготовок существует принципиальная возможность быстрого роста частиц твердой фазы, что при большом их количестве в локальном объеме может существенно изменить общую картину температурного поля в жидкой ванне и при определенных условиях повлиять на характер затвердевания в целом. При этом источником большого количества частиц твердой фазы может быть, как было показано ранее, дополнительная виброимпульсная обработка, осуществляемая в оптимальных режимах. Соответственно виброимпульсное воздействие при затвердевании можно рассматривать как фактор управления тепловым режимом затвердевания и качеством слитков и заготовок на базе эффектов генерирования и роста частиц твердой фазы в расплаве в совокупности с принудительным регламентированным перемешиванием жидкой фазы.



Рис. 2.7. Изменение размеров твердой частицы при ее росте в переохлажденном расплаве (Тl -температура ликвидус; Т? -температура расплава) : а - содержание углерода в стали 1%; б - содержание углерода 0,1%.



3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИБРОИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ СЛИТКА НА ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ

Исследования, выполненные в предыдущих разделах, позволили установить, что методы виброимпульсного воздействия обладают высокими технологическими возможностями. Особенно эффективным, на наш взгляд, может оказаться их применение для обработки жидкой фазы слитков. Вместе с тем, эффект пульсационного воздействия в этом случае следует рассматривать не только в плоскости принудительного регламентированного перемешивания, но также и с точки зрения проявления пульсационных (вибрационных) эффектов, значение которых было рассмотрено в первом разделе. Дифференциация этих эффектов в рамках метода пульсационного перемешивания представляется крайне затруднительной в техническом плане. В настоящем разделе выполнен обзор физического моделирования низкочастотной вибрационной обработки слитков, что в значительной мере расширило возможности сопоставительного анализа процессов, происходящих при затвердевании.

3.1 МЕТОДИКА ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ СЛИТКОВ В УСЛОВИЯХ ПУЛЬСАЦИОННОГО И ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Выбор методики физического моделирования процессов затвердевания слитков зависит, главным образом, от целей и задач исследований. В общем виде основные цели физического моделирования процессов затвердевания при пульсационном и вибрационном воздействии были определены как качественная и сравнительная количественная оценка характера роста твердой фазы, оценка динамики изменения температуры жидкой фазы в различных зонах слитка, идентификация источников образования частиц твердой фазы в расплаве и степени их влияния на процессы затвердевания. Соответственно, в плане постановки задача разработки методики физического моделирования процессов затвердевания при наложении внешнего воздействия должна включать следующие составляющие части:

а) обоснование выбора рабочего вещества, позволяющего обеспечить корректную оценку процессов затвердевания в соответствии с целями исследований;

б) обоснование выбора объекта моделирования и определение геометрических размеров физической модели в соответствии с выбранными критериями подобия;

в) выбор совокупности измеряемых в ходе моделирования физических величин и методик их определения в соответствии с задачами исследований.

Анализ литературных данных по вопросу выбора веществ, моделирующих процесс затвердевания, показывает, что нельзя выделить какие-либо универсальные рекомендации [154]. При этом в зависимости от того, какие конкретно показатели берутся во внимание и контролируются, выбирается химический состав сплава. Идеальным было бы проведение моделирования на прозрачном сплаве (для удобства визуального наблюдения процесса формирования отливки), обеспечивающем подобие в части кристаллической структуры и дающем возможность осуществлять последующую оценку физической и химической неоднородности в различных зонах исследуемого слитка. К сожалению, данные о такого рода сплавах в литературе отсутствуют. Известные модельные сплавы можно условно разбить на две группы: а) сплавы, которые имеют оптическую прозрачность в расплавленном виде, но не обеспечивающие полного подобия в части формирования кристаллической структуры, физической и химической неоднородности; б) сплавы легкоплавких металлов, которые достаточно хорошо воспроизводят особенности кристаллической структуры.

Рассматривая первую группу модельных веществ, к числу которых можно отнести, прежде всего, нафталин, парафин, тиосульфат натрия, салол и пр., следует отметить, что они обеспечивают достаточно полное воспроизведение процесса продвижения фронта затвердевания и одновременно дают представление о гидродинамической картине в процессе затвердевания. В то же время, несмотря на тот факт, что эти вещества в целом весьма чувствительны к изменению тех параметров, которые меняются в ходе затвердевании (в том числе это относится и к возмущающим воздействиям), нет оснований надеяться на адекватное воспроизведение количественных характеристик макро- и микроструктуры.

Вторая группа модельных веществ является, несомненно, более многочисленной и объединяет в себе металлические сплавы. Обычно для моделирования используются легкоплавкие металлические сплавы, которые хорошо поддаются механической обработке и химическому травлению на выявление первичной структуры. Нельзя не отметить при этом стремление многих авторов максимально приблизить модельные сплавы к соответствующим промышленным сплавам в части проявления эффектов формирования кристаллической структуры, сегрегации, усадки и пр.

Наиболее изученными модельными сплавами являются сплавы на основе алюминия, цинка, сурьмы, свинца, олова и т.п. [63,73,74, 155]. Учитывая возможность переноса выявленных закономерностей на отливки из железоуглеродистых сплавов, значительный интерес представляет алюминий и его сплавы. Это объясняется несколькими причинами, среди которых можно выделить высокий коэффициент объемной усадки алюминия (до 5%) и возможность его изменения в широких пределах за счет добавки кремния (в силуминах до 1,0-1,2%), а также широкие возможности по управлению интервалом между температурами солидус и ликвидус (например, за счет введения соответствующего количества меди). Помимо этого алюминиевые сплавы имеют хорошую травимость и поэтому исследования макроструктуры существенно упрощаются.

На основании вышеизложенного в настоящих исследованиях была принята схема моделирования, сущность которой заключается в том, что с целью обеспечения количественного сопоставительного анализа при визуализации отдельных стадий затвердевания, основные эксперименты выполнялись с использованием прозрачного рабочего вещества, тиосульфата натрия (Na2S2O3*5H2O), с последующей корректировкой полученных выводов на модельных слитках из алюминиевого сплава. Необходимость проверки полученных выводов на алюминиевых слитках объясняется, прежде всего, тем, что при затвердевании тиосульфата натрия происходит формирование кристаллогидрата, что по физической сущности соответствует выпадению твердых кристаллов в собственной влаге. Поэтому для оценки процессов структурообразования использовался алюминиевый сплав, который хорошо поддается механической обработке и химическому травлению на выявление первичной структуры.

Общая схема опытной установки для проведения экспериментов представлена на рис. 3.1. Установка состоит из следующих элементов [161, 162]:

(1) плоская изложница, боковые стенки которой представляют собой медные водоохлаждаемые элементы, а передняя и задняя стенки выполнены из прозрачной пластмассы с низкой теплопроводностью;

(2) аппаратура для пульсационного воздействия на жидкую фазу слитка;

(3) аппаратура для вибрационной обработки слитка;

(4) система термометров для фиксирования температуры охлаждающей жидкости на входе и выходе из кристаллизатора;

(5) система термопар для фиксирования температуры в различных зонах слитка.



Рис.3.1. Схема лабораторного стенда для оценки виброимпульсного воздействия при затвердевания: а - пульсационное воздействие; б - вибрационное воздействие (1 - водоохлаждаемая изложница; 2 - расплав; 3 - утеплители; 4 - труба; 5 - привод клапана; 6 - распределительный клапан; 7 - вентиль; 8 - ресивер; 9 - термометры; 10 - фотокамера; 11 - упругие прокладки; 12 - виброоснование; 13 - измеритель параметров вибрации; 14 - вибратор; I - III места установки термопар

Для сообщения изложнице вибрационных колебаний использовали механический вибратор эксцентрикового типа, вращение которому сообщали посредством электродвигателя постоянного тока типа УЛ-062 (мощность 250 Вт) [97]. Перед виброобработкой изложница и вибратор жестко крепились к массивной плите, установленной на упругих резиновых элементах. Изменение частоты вибрации осуществлялось в диапазоне 1-150 Гц посредством изменения питающего электродвигатель напряжения при помощи трансформатора.

В ходе лабораторных экспериментов с прозрачным рабочим веществом оценку влияния пульсационного и вибрационного воздействия на процесс затвердевания осуществляли в следующем порядке:

а) визуальная оценка характера перемешивания жидкой фазы на различных стадиях затвердевания в зависимости от режимов воздействия;

б) количественная оценка характера продвижения фронта затвердевания в различных направлениях;

в) количественная оценка числа частиц твердой фазы в зависимости от режимов воздействия;

г) оценка температурного градиента в различных зонах слитка.

Принимая во внимание тот факт, что при проведении моделирования с прозрачным рабочим веществом был принят ряд допущений, дополнительную проверку полученных результатов и выводов осуществляли в ходе "горячего" моделирования на алюминии и его сплавах. Этот этап рассматривался как промежуточный этап между "холодным" моделированием на плоской модели и промышленными экспериментами. Преимущество "горячего" моделирования заключалось в следующем:

а) в качестве моделирующего вещества используется металл, что исключает возможное проявление побочных эффектов (как, например, превращения кристаллогидрата у тиосульфата натрия);

б) модельный слиток отливается объемным с теми же геометрическими размерами, что и при моделировании с прозрачным рабочим веществом;

в) использование алюминия и его сплавов в качестве моделирующего вещества позволяет с высокой степенью точности оценить влияние пульсационного и вибрационного воздействия на проявление усадочных дефектов и изменение макроструктуры слитков.

Сплав алюминия расплавляли в цилиндрическом графитовом тигле, помещенном в электрическую шахтную печь СШО-2,0х4,0/10. Сплав во время плавки предохраняли от окисления слоем активированного угля. В ходе опытов получали слитки, которые заливались в специально подготовленную песчано-глинистую форму. Выбор песчано-глинистой смеси в качестве материала для стенки изложницы объясняется, прежде всего, стремлением привести в определенное соответствие с критериями моделирования условий теплоотвода при затвердевании. Одновременно с опытными слитками отливали сравнительные, получаемые без приложения внешнего воздействия. Для проведения металлографических и прочностных исследований из всех слитков вырезались продольные осевые темплеты.

3.2 СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПУЛЬСАЦИОННОГО И ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЦЕССЫ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ В МОДЕЛЬНЫХ СЛИТКАХ

При проведении исследований было выполнено свыше 100 экспериментов, в ходе которых модельные слитки подвергались пульсационному или вибрационному воздействию на различных режимах. В качестве варьируемых параметров были выбраны частота и длительность воздействия (параметры режимов воздействия), а также температура заливки рабочего вещества в условиях теплоотвода в прибыли слитка.

Для осуществления сравнительного анализа получали также слитки без наложения дополнительного воздействия.

Процесс формирования слитков, затвердевающих при наложении пульсационного перемешивания, в сравнении со слитками, затвердевающими без наложения внешнего воздействия, характеризуется несколькими четко выраженными этапами [163], которые можно видеть на рис. 3.2:

а) образование в начале процесса затвердевания большого количества частиц твердой фазы в расплаве;

б) укрупнение (рост) образовавшихся частиц и их постепенное оседание в донную часть слитка (0,05-0,25 общего времени затвердевания);

в) уменьшение в расплаве количества твердых частиц и снижение интенсивности перемешивания с последующим зарастанием внутренней полости пульсационной трубы.

Количественно влияние принудительного перемешивания жидкой фазы на продвижение фронта затвердевания оценивали в двух направлениях: 1) горизонтальном - на уровне 2/3 полной высоты слитка; 2) вертикальном - от дна слитка вдоль его вертикальной оси.

В ходе экспериментов установлено, что при варьировании режимов пульсационной обработки (частота пульсаций, глубина и диаметр погружаемой трубы) значительное увеличение скорости продвижения фронта затвердевания в вертикальном направлении достигается в случае обеспечения интенсивного перемешивания во всем объеме жидкой фазы слитка за счет оседания частиц твердой фазы. Это, как было показано ранее, примерно соответствует резонансному режиму пульсаций. Вместе с тем, практически для всех проведенных экспериментов не было замечено существенных изменений в характере продвижения фронта затвердевания в горизонтальном направлении. Максимальная скорость продвижения фронта затвердевания в вертикальном направлении достигалась при погружении трубы в расплав на уровне 0,70-0,85 от высоты налива расплава в прибыли.



Рис. 3.2. Изменение разности температур ДТ в головной части слитка для различных режимов пульсационной (а) и вибрационной (б) обработки

В этом случае, как показали наблюдения, в перемешивание вовлекается практически весь объем жидкой ванны слитка. При большем погружении трубы значительно снижается перемешивание верхних объемов расплава, вовлечение которых в движение в основном зависит от режима всасывания и места расположения нижнего среза трубы.

При увеличении паузы между моментом окончания заливки и моментом начала пульсационной обработки скорость продвижения фронта затвердевания в период пульсационного воздействия несколько уменьшается в сравнении с обработкой, которая начинается сразу после окончания заливки. Весьма примечательной особенностью позднего начала пульсационного воздействия (например, после 0,3-0,4 периода затвердевания) является достаточно ярко выраженное изменение формы периметра жидкой ванны в процессе обработки. Это, главным образом, проявляется в изменении вертикальной границы фронта затвердевания. При этом в слитке, подвергнутом пульсационной обработке, граница фронта затвердевания представляет собой вогнутую (по отношению к стенке изложницы) кривую. В то время как в сравнительном слитке на этих же стадиях граница фронта затвердевания имеет четко выраженную выпуклость.

Момент начала увеличения скорости продвижения фронта затвердевания при наложении пульсационного воздействия непосредственно после окончания процесса заливки зависит от величины перегрева расплава. Между тем, длительность процесса снятия перегрева в условиях пульсационного перемешивания значительно уменьшается. Этот факт, видимо, следует связывать с увеличением количества отводимого через зеркало расплава тепла в совокупности с интенсивным перемешиванием всей жидкой ванны. Дополнительным фактором, обеспечивающим снятие перегрева, является также наличие определенного количества частиц твердой фазы, вносимой в жидкую ванну в ходе перемешивания.

Исследования по оценке изменения температуры расплава показали, что наибольшие различия для опытных и сравнительных слитков наблюдается в зоне, расположенной в нижней части прибыли и головной части слитка. Наиболее характерные результаты, полученные при установке термопар в точке, расположенной в прибыли слитка ниже среза погружаемой трубы (точка 1), ив точке, расположенной на 25 мм ниже первой (точка 2), приведены на рис. 3.2. а. Как видно из приведенных данных, влияние пульсационного воздействия наиболее сильно проявляется при частотах вытеснения расплава из трубы, близких к частоте собственных колебаний жидкости в системе "жидкая фаза слитка - погружаемая труба". Сравнивая динамику изменения разности температур ?Т в точках 1 и 2 для опытных (с пульсационной обработкой) и сравнительных (без обработки) слитков можно выделить следующие закономерности:

а) уменьшение разности температур ?Т для слитков с пульсационной обработкой в течение начальных 0,20-0,25 периода затвердевания;

б) последующее возрастание разности температур ?Т для слитков с пульсационной обработкой до момента достижения фронтом затвердевания термопары в точке 2.

Выравнивание разности температур ?Т в начальные 0,20-0,25 периода затвердевания можно рассматривать как дополнительное подтверждение широких возможностей пульсационного перемешивания в части усреднения жидкой фазы. При этом величина ?Т оказывается также весьма чувствительна к режимам пульсационного воздействия. Так, при пульсациях, близких к резонансному режиму, удается достигнуть даже изменения направления градиента температур в подприбыльной части. Фактически это соответствует более благоприятному распределению поля температур в жидкой ванне слитка. Другими словами, в ходе пульсационного перемешивания жидкой ванны слитка при определенных режимах воздействия могут быть созданы более благоприятные условия для тепловой работы головной части слитка и прибыли. После прекращения пульсационного воздействия происходит постепенное увеличение разности температур ?Т, что, в первую очередь, связано с приближением фронта затвердевания к точке 2. Последующее резкое увеличение разности температур соответствует моменту перехода фронта затвердевания через точку 2.

Основной целью физического моделирования влияния низкочастотной виброобработки на процессы затвердевания слитка с использованием тиосульфата натрия была оценка степени развития эффекта образования частиц твердой фазы в расплаве в условиях отсутствия интенсивного принудительного перемешивания (в отличие от пульсационного воздействия). В ходе визуальных наблюдений установлено, что практически для всего исследуемого диапазона частот в зоне, прилегающей к поверхности расплава, формируются слабые направленные циркуляционные потоки. Интенсивность перемешивания в зоне этих потоков зависит, главным образом, от развития волновых процессов на поверхности расплава. В остальном объеме жидкой фазы существенных отклонений от традиционной картины движения термогравитационных потоков в слитке отмечено не было.

Сравнивая характер затвердевания опытных слитков, подвергнутых виброобработке, с затвердеванием слитков без принудительного воздействия, можно выделить следующие особенности:

- при определенных режимах вибрационного воздействия (частота и амплитуда колебаний) значительно интенсифицируется процесс образования в расплаве частиц твердой фазы;

- за счет осаждения частиц твердой фазы в донную часть слитка заметно увеличивается скорость продвижения фронта затвердевания в вертикальном направлении;

- для слитков, подвергнутых вибровоздействию, отмечено уменьшение продолжительности затвердевания в среднем на 20-40%.

Одним из основных источников частиц твердой фазы, как показали визуальные наблюдения, является твердая корочка, формирующаяся на поверхности расплава. В случае наложения вибрационного воздействия эта корочка разрушается благодаря развитию волновых процессов. В ходе физического моделирования установлено, что разрушение твердой корочки наблюдается уже при частотах в диапазоне 0,5-2,5 Гц в режимах, которые далеки от порога кавитации. По нашему мнению, разрушение корочки происходит путем ее механического разрушения за счет одно-, и двух- и трехузловых стоячих волн (а также любых стоячих волн низкого порядка). При этом твердые частицы попадают в расплав прибыли, где может происходить либо их расплавление, либо рост (в зависимости от температуры расплава). В дальнейшем частицы оседают на дно слитка, двигаясь непосредственно с термогравитационными потоками.

Совершенно другая картина образования частиц твердой фазы выявлена при увеличении частоты виброобработки (10-50 Гц). В этом случае на поверхности расплава могут развиваться не только стоячие волны высокого порядка, но также нестабильные бегущие волны сверхкритического размера (по сути представляющие собой всплески). Такого рода всплески способствуют не только разрушению твердой корочки, но также и активному вовлечению в жидкую ванну достаточно крупных частиц твердой фазы. Довольно часто наибольший линейный размер таких частиц достигал порядка нескольких миллиметров. Для сравнения, при частоте виброобработки, соответствующей образованию стоячих волн первого или второго порядка, размеры частиц, оседающих на дно слитка, не превышали 1,0-1,5 мм, а их общее количество было значительно меньше. Кроме того, на режимах, близких к кавитационным по всему объему слитков отмечено возникновение большого количества крайне мелких частиц осколочной формы. Видимо, при таких параметрах виброобработки создаются благоприятные условия для кавитационного разрушения находящихся в расплаве частиц, что и обеспечивает резкое увеличение их в расплаве.

Таким образом, характерной особенностью затвердевания слитков в условиях низкочастотной вибрационной обработки является разрушение твердой корочки на поверхности расплава, которая фактически выполняет роль источника частиц твердой фазы. Безусловно, эффективность разрушения этой корочки во многом зависит от режимов вибровоздействия. Однако, образование частиц твердой фазы в совокупности с замкнутыми циркуляционными потоками в прибыли, видимо, существенно улучшают условия ее тепловой работы. Например, при определенных режимах виброобработки зеркало расплава не перекрывалось твердым "мостом" в течение 0,7-0,8 периода затвердевания. В то время как в сравнительных слитках без дополнительного воздействия твердый "мост" образовывался уже через 0,10-0,15 периода затвердевания.

Количественную оценку влияния виброобработки на характер затвердевания осуществляли посредством сравнения продвижения фронта кристаллизации в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

В условиях проведенных экспериментов наложение вибровоздействия на модельный слиток не оказывает заметного влияния на продвижение фронта затвердевания в горизонтальном направлении. Напротив, процесс продвижения фронта затвердевания в вертикальной плоскости весьма сильно зависит от режимов воздействия. При виброобработке с частотой 35 Гц и амплитудой, обеспечивающей развитие волновых процессов на поверхности расплава, продвижение фронта затвердевания в вертикальном направлении, например, начинает несколько замедляться уже через 0,20-0,25 периода затвердевания. Для интенсификации процесса образования частиц твердой фазы в рассматриваемых опытах осуществляли сканирование частоты колебаний в диапазоне 38-52 Гц (кривая 3) с целью обеспечения подстройки на частоту, обеспечивающую максимальное развитие волновых процессов при развитии явлений кавитации.

Таким образом, выполненные на прозрачной физической модели исследования позволили установить некоторые общие закономерности, проявляющиеся при наложении пульсационного и вибрационного воздействия на затвердевающий слиток:

а) при определенных параметрах обработки наложение на затвердевающий слиток пульсационного и вибрационного воздействия значительно увеличивает количество частиц твердой фазы в расплаве;

б) в слитках, подвергнутых пульсационному и вибрационному воздействию, увеличивается скорость продвижения фронта затвердевания в вертикальном направлении за счет осаждения частиц твердой фазы;

в) одним из основных источников частиц твердой фазы является формирующаяся на поверхности расплава твердая корочка, которая разрушается благодаря развитию волновых процессов;

г) количество частиц твердой фазы в расплаве резко возрастает при достижении режимов развития кавитации, что следует связывать с механизмом кавитационного разрушения частиц твердой фазы под действием переменных нагрузок;

д) наложение пульсационного и вибрационного воздействия изменяет общую картину распределения температурных полей в жидкой ванне и создает более благоприятные условия для тепловой работы прибыли, в том числе и за счет выделения тепла при росте частиц твердой фазы.

3.3 АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЕМ СЛИТКОВ С ПОМОЩЬЮ ПУЛЬСАЦИОННОГО И ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Рассмотренные выше экспериментальные данные свидетельствуют о том, что виброимпульсное воздействие при определенных режимах может существенно изменять характер затвердевания слитка. С достаточной степенью уверенности можно предположить, что изменение поля температур в жидкой ванне следует связывать образованием большого количества частиц твердой фазы в расплаве и интенсивным его перемешиванием. При этом, как было уже показано в разд. 2.3., в переохлажденном расплаве может происходить рост частиц твердой фазы с выделением тепла в окружающую жидкость. Соответственно при достижении определенной концентрации твердых частиц может произойти перекрытие их температурных полей, что обеспечит некоторый локальный подогрев определенной зоны жидкой ванны относительно других областей (необогащенных твердыми частицами). Косвенным экспериментальным подтверждением развития эффекта локального подогрева расплава, видимо, можно считать приведенные на рис.3.2 данные по изменению температуры модельного сплава в головной части слитка.

Приближенно характер перекрытия температурных полей двух растущих в переохлажденном расплаве частиц можно рассчитать при следующих допущениях [153,154, 156]:

-физические свойства расплава остаются одинаковыми для всех точек исследуемой области;

-конвективные потоки в исследуемой области отсутствуют;

-температурное поле в исследуемом объеме стационарно для всех точек;

-внутри исследуемой области отсутствуют дополнительные источники и стоки тепла (границами области принимаются поверхности частиц и ширина их пограничного слоя);

-расчетная геометрическая форма частиц - сфера, а доля в ней твердой фазы учитывается специальным поправочным коэффициентом.

При этом уравнение теплопроводности, записанное в частных производных для полярной системы координат и плоской модели, принимает следующий вид:

затвердение металл расплав кристаллизация

где r - линейная полярная координата;

щ - угловая полярная координата.

Для решения уравнения приняты следующие допущения:

при r равном радиусу сферы температура поверхности частицы равна Т=Тч;

- при r стремящемся в бесконечность температура расплава принимается равной температуре ликвидус T=Т?.

Для удобства представления результатов в расчетную модель введен показатель относительной температуры Т° = (Т - Т?)/(Тч - Т?), в соответствии с которым для поверхности каждой из частиц Т°= 1, а при бесконечном удалении Т°= О. Численное решение уравнения (3.1) выполнено методом последовательных смещений. На рис. 3.3. представлены некоторые характерные результаты расчетов распределения поля температур между двумя растущими в жидкой стали частицами. С учетом точности выполненных расчетов можно условно принять, что для создания локального перегрева достаточно иметь 40-50% разницу температур в поле действия частиц и окружающем расплаве. Сравнивая расчетную долю частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве, требуемую для перекрытия температурных полей, для различных условных радиусов, следует отметить, что более эффективно процесс перекрытия происходит для мелких частиц радиусом 0,1-0,2 мм, что, видимо, объясняется их более быстрым ростом. В этом случае перекрытие температурных полей достигается уже на расстоянии 15-20 радиусов частиц при доле твердой фазы на уровне 0,1%. Вместе с тем, на практике в расплаве одновременно могут находиться частицы различных размеров. Однако и для частиц больших радиусов доля частиц твердой фазы составляет порядка нескольких процентов, что не может существенно влиять на физические свойства жидкой фазы в ходе обработки.

Таким образом, выполненные расчеты позволяют сделать вывод о том, что эффект перекрытия температурных полей при росте частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве оказывается возможным при сравнительно низкой их концентрации. При этом максимальный эффект достигается для более мелких частиц, например, радиусом 0,1-0,2 мм, рост которых происходит значительно быстрее. На основании выполненных в работе исследований, можно предположить, что образование большого числа мелких частиц твердой фазы в расплаве может быть достигнуто при пульсационной и вибрационной обработке на режимах, близких к кавитации, так как схлопывание кавитационных пузырьков будет обеспечивать интенсивное дробление частиц твердой фазы.

Однако рассмотренные выше результаты расчетов следует рассматривать в большей степени как качественные оценки, раскрывающие механизм воздействия роста частиц на состояние окружающего расплава, так как для более точных количественных расчетов, применительно к пульсационному и вибрационному воздействию, тепловое поле следует рассчитывать для движущейся среды (с учетом отвода тепла), в которой скорость и направление потоков изменяются по достаточно сложным зависимостям. Соответственно, описание процессов движения расплава в условиях наложения пульсационного и вибрационного воздействия на базе уравнения движения Навье - Стокса и уравнения неразрывности требует принятия весьма существенных допущений и упрощений при введении граничных условий (с учетом выноса частиц твердой фазы), что также значительно снижает точность выполняемых расчетов.

Таблица 3.1.

Сравнение удельной доли частиц твердой фазы в расплаве, обеспечивающей перекрытие температурных полей, в зависимости от их радиуса

Радиус частицы R, мм	Расстояние, обеспечи-вающее перекрытие, мм	Относительное расстояние между частицами, r/R	Число частиц в 1 см3, штук	Удельное содержание твердой фазы в расплаве, %
0,1	2,2	22	216	0,09
0,2	4,0	20	29	0,10
0,3	5,0	16	27	0,31
0,5	6,2	12	25	1,31
0,8	7,4	9	8	1,72
1,0	8,0	8	8	3,35

При этом теплообмен между твердыми частицами и окружающим расплавом осуществляется путем конвекции, что делает недостаточным использование в расчетах только дифференциального уравнения теплопроводности. Например, по данным Л. Шмрги [164] удельная теплопроводность жидкой стали, в стационарных условиях, составляет примерно 28 Вт м-1, а в условиях конвективного перемешивания "эффективный" коэффициент теплопроводности возрастает в 10-30 раз.

Достаточно объективные количественные оценки можно получить с помощью физического моделирования. Влияние тепловых процессов, связанных с образованием, ростом и перемещением частиц твердой фазы при пульсационном перемешивании, представляется возможным проследить на всех стадиях затвердевания [157, 165]:



Рис. 3.3. Характер распределения температурного поля между двумя частицами при их росте в переохлажденном расплаве стали в зависимости от расстояния между ними и их радиусов: а - R=0,1 мм; б - R=0,3 мм; в - R=1 мм.

а) в начальный период затвердевания частицы твердой фазы, образующейся при наложении пульсаций, ускоряют процесс снятия перегрева за счет их расплавления в "горячих" зонах жидкой ванны;

б) в ходе снятия перегрева в силу интенсивного перемешивания происходит быстрое усреднение жидкой фазы, что по достижении определенной степени переохлаждения создает благоприятные условия для роста частиц твердой фазы;

в) последующий рост частиц твердой фазы происходит во всем объеме расплава, однако в силу специфики пульсационного перемешивания (расплав из прибыли выталкивается в глубину жидкой ванны) концентрация их в осевой зоне, расположенной под нижним срезом пульсационной трубы оказывается максимальной, что обуславливает относительное повышение температуры расплава в этой зоне (рис 3.2.);

г) по мере затвердевания слитка происходит падение уровня расплава в прибыли и увеличение его вязкости, что значительно уменьшает глубину проникновения пульсирующей струи и соответственно ускоряет оседание частиц на дно слитка; при этом происходит быстрое вертикальное продвижение фронта затвердевания, что способствует смещению теплового центра в более высокие горизонты;

д) дальнейшее снижение интенсивности воздействия локализует зону перемешивания, ограничивая ее нижней половиной прибыли и головной частью слитка; соответственно для этой зоны сохраняются благоприятные условия для роста частиц твердой фазы, что способствует относительному повышению температуры расплава в прибыли и. как следствие, улучшает условия питания тела слитка.

Для слитков, затвердевающих в условиях вибрационного воздействия, влияние тепловых процессов, связанных с образованием, ростом и перемещением твердой фазы, находящимися в жидкой ванне, носит следующий характер:

а) в начальный период затвердевания скорость охлаждения расплава в прибыли слитка без обработки и слитка, подвергнутого вибрации, практически не отличается, что вполне соответствует ранее полученным данным о характере перемешивания жидкой фазы при виброобработке;

б) по мере снятия перегрева и накопления в расплаве частиц твердой фазы, начиная с 15-16 минуты, происходит некоторое увеличение температуры расплава при одновременном смещении теплового центра в более высокие горизонты жидкой ванны, что, видимо, можно связывать с повышением концентрации частиц в нижней части прибыли слитка и выделения тепла в окружающий расплав в процессе их роста;

в) в ходе дальнейшего затвердевания слитка происходит постепенное продвижение вверх фронта затвердевания, сопровождающееся повышением концентрации частиц во всем объеме жидкой ванны и общим выравниванием в ней температуры расплава.

Динамика изменения температуры расплава в нижней части прибыли опытного слитка, подвергнутого виброобработке, представлена на рис. 3.4.

Таким образом, наблюдаемое визуально значительное увеличение частиц твердой фазы в расплаве в ходе пульсационной и вибрационной обработки, видимо, следует считать основным фактором, обеспечивающим изменение температурного поля в отдельных зонах жидкой ванны. При этом наибольший эффект достигается в зонах, непосредственно прилегающих к источникам возникновения частиц твердой фазы и в зонах, преимущественного движения формируемых в процессе обработки конвективных потоков (для пульсационного перемешивания - это область движения пульсирующей струи; для вибрационной обработки - это зоны наибольшего возмущения жидкости). Следовательно, управление процессами формирования слитка может осуществляться посредством улучшения тепловой работы прибыли (или других локальных зон жидкой ванны) за счет выделения тепла при росте частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве.



Рис. 3.4. Изменение температуры расплава в прибыли (точка ІІІ) (а) и разности температур ДТ (между точками ІІІ и І) (б) для слитка: І - без воздействия; 2 - с пульсационным воздействием; 3 - с вибрационной обработкой; 4 - с комбинированным воздействием.

Однако оптимизация процесса обработки слитка в этом случае может обеспечиваться рациональным выбором параметров воздействия, при котором в качестве управляющего фактора должны быть приняты во внимание источники зарождения частиц твердой фазы.

Для идентификации источников частиц твердой фазы в расплаве в условиях пульсационного и вибрационного воздействия выполнены специальные исследования на физической модели [166]. При этом во внимание были приняты все рассмотренные в разделе 2.3. основные механизмы зарождения частиц твердой фазы: разрушающаяся в ходе воздействия твердая корочка, формирующаяся на поверхности расплава; кавитационные эффекты; разрушающиеся в процессе воздействия элементы твердого каркаса.

В результате визуальных оценок, выполненных на физической модели, в условиях наложения пульсационного перемешивания отмечено, что количество частиц твердой фазы в расплаве резко возрастает при режимах обработки, которые близки к значениям амплитуды и частоты колебаний, соответствующим расчетному кавитационному порогу по Дж. Кэмпбеллу [75]. При этом частицы твердой фазы имеют сравнительно небольшие размеры и неправильную форму. Для подтверждения навигационного происхождения частиц твердой фазы в расплаве были проведены дополнительные эксперименты, в ходе которых зеркало расплава в слитке подогревали посредством теплового излучения. Интенсивность подогрева выбиралась из условия предотвращения образования твердой корочки на поверхности слитка. Количество частиц твердой фазы в расплаве подсчитывали по фотографиям, полученным для разных стадий обработки. Некоторые характерные результаты исследований приведены в табл. 3.2. Поскольку на режимах, близких к кавитационному порогу, уменьшение количества частиц твердой фазы составило 20-30%, полученные результаты можно рассматривать как свидетельство того, что в ходе пульсационной обработки кавитация является одним из основных источников частиц твердой фазы в расплаве. Подтверждением этому может также служить тот факт, что для пульсационных режимов, далеких от кавитационного порога наблюдается значительно большее уменьшение частиц твердой фазы (как относительное, так и абсолютное) при подогреве зеркала прибыли. При этом увеличение количества частиц твердой фазы по мере увеличения длительности обработки, видимо, следует связывать с разрушающим эффектом действия пульсирующей струи на твердые частицы.

Вместе с тем, количество твердых частиц в расплаве в случае отсутствия дополнительного подогрева зеркала прибыли значительно больше, чем при наличии подогрева. По нашему мнению, этот факт следует рассматривать, как подтверждение гипотезы о том, что твердая корочка на поверхности расплава является источником твердых частиц. В дальнейшем эти частицы погружаются в расплав, где под воздействием кавитации и пульсационных потоков происходит их измельчение. Подтверждением этой гипотезы можно, видимо, считать наличие в расплаве преимущественно твердых частиц неправильной (осколочной формы).

Аналогичные исследования выполнены для слитков, подвергаемых низкочастотной виброобработке (табл. 3.2). Для режимов виброобработки, соответствующих формированию на поверхности расплава одноузловых стоячих волн, при подогреве зеркала расплава в прибыли число частиц твердой фазы в жидкой ванне снижалось практически до нескольких единиц. Это свидетельствует о том, что основным механизмом зарождения частиц твердой фазы для таких режимов вибрации является разрушение твердой корочки на поверхности расплава в прибыли. Аналогичный механизм образования частиц твердой фазы характерен и для режима нестационарных стоячих волн на частотах 10-20 Гц и более (до кавитационного порога).



Таблица 3.2.

Сравнение числа частиц твердой фазы в расплаве в зависимости от режимов обработки