Підвищення якості литого металу методом електрогідроімпульсної обробки розплаву

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"Київський політехнічний інститут"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки

ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ ЛИТОГО МЕТАЛУ МЕТОДОМ ЕЛЕКТРОГІДРОІМПУЛЬСНОЇ ОБРОБКИ РОЗПЛАВУ

Сінчук Алла Вадимівна

Київ - 2007

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасних галузей промисловості ставить гостру проблему підвищення якості металовиробів. Один із шляхів вирішення цієї проблеми полягає у розробці нових і вдосконаленні існуючих методів обробки металів, що базуються на використанні висококонцентрованих джерел енергії.

В процесі виготовлення будь-який металовиріб проходить через стадію розплавлення з наступною кристалізацією, тому його структура і властивості певною мірою визначаються структурою і властивостями рідкого металу. Фундаментальні наукові дослідження з вивчення металевих рідин переконливо свідчать, що мікронеоднорідність, структурованість, нерівноважність розплавів мають безпосередній вплив на якість твердого металу. Тому рідкий стан металу становить значимість як об'єкт, для якого різними методами необхідно створити оптимальні умови тверднення.

Одним з таких методів є електрогідроімпульсна обробка (ЕГІО) розплаву, суть якої полягає в генеруванні періодичних імпульсів тиску, що створюються під час високовольтного пробою води в спеціальному пристрої, та в передачі цих імпульсів в розплав через хвилеводно-випромінювальну систему. ЕГІО характеризується високою миттєвою потужністю (від 1 до 10 МВт), широким спектром частот, незначними питомими енерговитратами (до 2 кВтгод/т), легкістю впровадження в існуючий технологічний процес, можливістю оброблювати великі об'єми розплаву. Проведені на чорних та кольорових металах дослідження довели, що ЕГІО дегазує, рафінує розплав від домішок і неметалевих включень, інтенсифікує процеси тепло- і масообміну, збільшує рідиноплинність. Металознавчі дослідження підтвердили позитивний вплив ЕГІО на структуру і властивості сплавів. Однак широке використання цього методу в промисловості сьогодні стримується недостатньою стабільністю і повторюваністю позитивних результатів, слабкою керованістю процесом обробки та недостатньою ефективністю ЕГІО великих об'ємів розплаву.

Підвищити ефективність методу можна за рахунок вдосконалення самого джерела енергії шляхом пошуку стабільного і ефективного режиму високовольтного розряду та оптимальних параметрів обробки, які б забезпечували суттєве підвищення якості литого металу. Це тісно пов'язано з необхідністю більш детально вивчити фізичні процеси, що проходять у розплаві під дією нестаціонарного поля тиску, та мати чітку уяву про електрогідроімпульсну оброблюваність різних сплавів, механізм електрогідроімпульсного впливу на стан розплаву перед кристалізацією і на умови зародкоутворення. Необхідно також оптимізувати вибір параметрів хвилеводної системи, яка є однією із найбільш навантажених елементів обладнання, оскільки зазнає дію потужних силових навантажень та агресивних факторів високотемпературного середовища.

Розв'язок цих питань в дисертаційній роботі є актуальним, оскільки дозволяє вирішити важливу науково-технічну задачу вдосконалення методу електрогідроімпульсної обробки розплаву, спрямовану на розширення його функціональних можливостей щодо підвищення якості ливарних сплавів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати, наведені в цій роботі, отримано під час виконання науково-дослідних робіт тематичного плану Інституту імпульсних процесів і технологій (ІІПТ) НАН України, м. Миколаїв, по основному науковому напрямку його діяльності „Дослідження імпульсної дії високоінтенсивних потоків енергії на багатофазні середовища, різноманітні матеріали і конструкції і створення на цій основі нових технологій”, який затверджено Постановою Президії НАН України “№113 від 22.04.91 і підтверджено Постановою Бюро ВФТПМ НАН України (протокол №12 від 20.09.2005):

а) НДР №480 “Дослідити умови графітоутворення в високовуглецевих сплавах, які піддані електрогідроімпульсній обробці, та встановити параметри, що забезпечують створення екологічно чистих, низько енергоємних процесів лиття”, №ДР0195U020695, яка виконана згідно з Постановою Бюро ВФТПМ НАН України (протокол №16 від 07.11.98);

б) НДР №497 "Дослідження способів сумісного впливу електрогідроімпульсної обробки і модифікування на структуроутворення, механічні і службові властивості високоміцного чавуну", №ДР0100U004077, яка виконана згідно з Постановою Бюро ВФТПМ НАН України (протокол №8 від 16.05.2000);

в) НДР №506 “Дослідження особливостей структурних змін алюмінієвих і залізовуглецевих сплавів, що обумовлені імпульсним впливом на розплав”, №ДР0102U004250, яка виконана згідно з Постановою Бюро ВФТПМ НАН України (протокол №3 від 05.02.2002).

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження полягала в тому, щоб на основі вивчення процесів, які відбуваються в розплаві в умовах імпульсного силового навантаження, та аналізу їх впливу на твердий метал вдосконалити функціональні можливості методу ЕГІО щодо підвищення якості литого металу і визначити технологічні фактори, які забезпечують покращення оброблюваності ливарних сплавів.

Поставлено наступні задачі:

1. Проаналізувати можливості методів обробки рідких матеріалів, що засновані на використанні висококонцентрованих джерел енергії, щодо підвищення якості металопродукції. Систематизувати експериментальні і теоретичні результати з ЕГІО металевих розплавів.

2. Виконати теоретичний аналіз збурень, що утворюються в розплаві на розрядній стадії ЕГІО, встановити взаємозв'язок між параметрами обробки, характеристиками випроміненого в розплав акустичного сигналу і геометрією кавітаційної зони в розплаві, визначити найбільш ефективний для обробки розплаву режим розряду.

3. Експериментально дослідити фізичні процеси, що проходять в розплаві на розрядній та післярозрядній стадіях ЕГІО для різних режимів розряду, науково обґрунтувати оптимальні параметри електрогідроімпульсного навантаження розплавів і визначити фактори, що зумовлюють відмінності в технологічній оброблюваності ливарних сплавів.

4. Розширити наукові уявлення про механізми електрогідроімпульсного впливу на розплав, визначити вплив параметрів обробки на процеси зародкоутворення та кристалізації.

5. Описати взаємодію хвилеводу з високотемпературним розплавом, дослідити вплив геометричних параметрів хвилеводу і температурно-часових умов його експлуатації на стійкість до оплавлення.

6. Вивчити вплив режимів розряду і технологічних параметрів обробки на структурно-фазові перетворення і властивості ливарних сплавів. Виконати промислову апробацію результатів, показати ефективність їх використання для обробки промислових об'ємів розплаву та видати рекомендації щодо вдосконалення методу.

Об'єкт дослідження: фізичні і технологічні можливості електрогідроімпульсної обробки розплавів з підвищення якості ливарних сплавів.

Предмет дослідження: вплив технологічних факторів електрогідроімпульсної обробки на фізичні процеси в розплаві та показники якості литого металу.

Методи дослідження. В ході виконання роботи використана методика експрес-аналізу для оцінки ефективного тиску в імпульсі одиничного розряду. Проведено Фур'є-аналіз акустичних спектрів тиску одиничного розряду. Використано метод математичного моделювання хвильових процесів в розплаві та стійкості хвилеводу у високотемпературному розплаві. Застосована експериментальна методика термографування та експериментальна методика реєстрації кавітаційних збурень в модельних рідинах за допомогою тонких металевих фольг. Використана експериментальна методика виплавки і ЕГІО розплаву, методи реєстрації електричних характеристик розряду. Хімічний склад, структуру і властивості металу досліджено стандартними металознавчими методами.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному.

1. Запропоновано якісно новий підхід до вдосконалення функціональних можливостей ЕГІО розплаву щодо підвищення якості литого металу: вперше введено поняття електрогідроімпульсної оброблюваності розплаву і показано, що вона визначається акустичною жорсткістю та кластерною структурою металевої рідини як об'єкта обробки; визначено ключову роль у покращенні технологічної оброблюваності розплаву об'ємної питомої енергії, затраченої на обробку, яка є інтегральним показником силового імпульсного навантаження.

2. Розширено уявлення про фізичні процеси, що відбуваються в розплаві на розрядній стадії ЕГІО: вперше отримано експериментальні докази наявності кавітаційних явищ в оброблюваному розплаві, які забезпечують формування високих показників якості литого металу; експериментально визначено залежності, які пов`язують інтенсивність розвитку кавітації та розміри кавітаційної зони з технологічними параметрами ЕГІО, акустичною жорсткістю та об'ємною питомою енергією, затраченою на обробку; визначено термодинамічні характеристики обробленого металу, які в сукупності з експериментальними даними термографічного аналізу довели, що в основі механізму додаткового зародкоутворення при ЕГІО є cпричинена кавітаційними явищами зміна вільної енергії розплаву, яка приводить до його штучного переохолодження.

3. Запропоновано шляхи керування процесами обробки розплаву: отримані аналітичні залежності ефективного імпульсу тиску від режиму виділення енергії, як єдиної комбінації численних параметрів розрядного контуру, та від діаметра хвилеводу дозволяють керувати випроміненим на розрядній стадії акустичним спектром і характеристиками поля тиску в розплаві; отримана залежність геометричних параметрів хвилеводу від характеристик високотемпературного середовища дозволяє прогнозувати зміну параметрів акустичного сигналу з плином часу.

4. Доведено, що коливальний режим розряду забезпечує найбільшу стабільність силового впливу на розплав, скорочення часу ЕГІО, розвиток у розплаві потужної кавітації, високі показники якості литого металу і ефективну обробку великих об`ємів розплаву.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що їх можна рекомендувати для модернізації технологічного вузла обладнання, направленої на реалізацію під час ЕГІО стабільного коливального режиму розряду (вільне регулювання міжелектродного проміжку, вдосконалення системи прокачування розрядної камери), та конструкторських розробок хвилеводно-випромінювальної системи. Коливальний режим розряду і оптимальні технологічні параметри були випробувані під час ЕГІО розплаву сірого чавуну в барабанному ковші місткістю 2,5рт на ОАО “Центроліт” (м. Суми). Всього оброблено 50 т чавуну, з якого отримано 177 виливків загальномашинобудівного призначення. В литому металі отримано зниження вмісту ливарних дефектів в 1,4 рази, збільшення межі міцності в 1,5 рази. В умовах ливарного цеху ОАО МК “Азовсталь” випробувана технологічна схема ЕГІО розплаву доменного переробного чавуну, яка передбачає обробку рідкого металу в 15-тонних розливних ковшах і коливальний режим розряду та забезпечує підвищення експлуатаційної стійкості виливниць в 2,2 рази.

Результати дисертаційної роботи використовують у навчальному процесі підготовки бакалаврів, магістрів і спеціалістів за фахом "Техніка та електрофізика високих напруг" кафедри "Імпульсні процеси і технології" Інституту автоматики та електротехніки НУК ім. адм. Макарова (м. Миколаїв).

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно:

а) отримано аналітичні залежності ефективного тиску від параметрів розрядного контуру, виконано Фур`є-аналіз акустичних спектрів, проведено аналіз впливу режиму розряду на поле тиску в розплаві; теоретично обґрунтовано і на різних ливарних сплавах експериментально підтверджено переваги коливального режиму розряду;

б) поставлено і проведено експериментальні дослідження на модельних середовищах, отримано експериментальні докази наявності кавітації в розплаві, отримано емпіричні залежності тривалості обробки для різних режимів розряду;

в) проведено розрахунок термодинамічних характеристик розплаву, сформульовано уявлення про механізм електрогідроімпульсного впливу на атомарну структуру розплаву;

г) введено поняття електрогідроімпульсної оброблюваності, проаналізовано фактори, які впливають на оброблюваність сплавів, обґрунтовано і запропоновано показник питомої енергії, витраченої на обробку;

д) проаналізовано вплив геометричних параметрів хвилеводу і температурно-часових умов його роботи на стійкість проти оплавлення, експериментально вивчено стійкість хвилеводу у високотемпературному розплаві;

е) запропоновано технологічні параметри для обробки промислових об'ємів розплаву та виконано аналіз результатів промислової апробації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювались на III Науковій школі “Імпульсні процеси в механіці суцільних середовищ” (м. Миколаїв, 1999 р.), IV і VI Міжнародних наукових школах-семінарах “Імпульсні процеси в механіці суцільних середовищ” (м. Миколаїв, 2001 р., 2005 р.); ХI Міжнародній науковій школі-семінарі “Фізика імпульсних розрядів в конденсованих середовищах” (м. Миколаїв, 2003 р.); Науково-практичній конференції молодих вчених “Зварювання та суміжні технології” (м. Київ, 2000 р.); Науково-практичній конференції молодих вчених “Металознавство та обробка металів” (м. Київ, 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 14 робіт, в тому числі 12 робіт у фахових виданнях та 2 тези доповідей.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел із 100 найменувань та 3 додатків. Загальний об'єм дисертації 156 сторінок, основна частина викладена на 113 сторінках. Робота містить 29 рисунків і 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначена мета і задачі роботи, сформульовані об'єкт і предмет дослідження, висвітлені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, надана загальна характеристика і короткий зміст роботи.

У першому розділі розглянуто проблеми теорії і практики використання зовнішнього фізичного впливу на метал. Проведено аналіз найбільш відомих методів фізичного впливу на рідкі металеві розплави, що застосовуються з метою підвищення якості металовиробів. В порівнянні з цими методами проаналізовано функціональні можливості, сфери використання та показано переваги, які має метод електрогідроімпульсної обробки розплаву. Систематизовано відомі на цей час теоретичні та експериментальні результати з ЕГІО чорних і кольорових металів. Показано, що для подальшого розвитку та вдосконалення методу ЕГІО необхідно вирішити ряд проблемних питань, пов'язаних із детальнішим вивченням фізичних процесів перетворення енергії на шляху від джерела енергії до розплаву та збурень, які виникають в самому розплаві під дією імпульсного силового навантаження. Висвітлена основоположна роль кавітації в таких процесах обробки як дегазація, рафінування, гомогенізація розплаву, та структуроутворення на мікрорівні. Показана доцільність більш детального вивчення розрядної стадії ЕГІО, необхідність визначення ефективних режимів розряду та технологічних параметрів обробки, які б дозволяли суттєво підвищувати якість металу за рахунок реалізації потужних кавітаційних процесів в розплаві та водночас економити енергетичні і часові витрати на обробку. Акцентовано увагу на хвилеводній системі обладнання, яка працює в умовах потужних імпульсних навантажень та високотемпературних середовищ. Показано, що створити алгоритм керування структурно-фазовими перетвореннями і властивостями твердого металу за рахунок ЕГІО на сьогоднішній день неможливо без розвитку фізичних основ методу, тобто без чітких уявлень про механізми електрогідроімпульсної дії на розплав та оброблюваність різних розплавів.

На підставі викладеного у розділі літературного огляду сформульовано основні задачі досліджень.

Другий розділ присвячений вивченню розрядної стадії ЕГІО, дослідженню процесів передачі розрядного імпульсу тиску в розплав, визначенню залежності його характеристик від режимів електричного розряду та математичному моделюванню хвильових процесів, що виникають у розплаві.

Для цього виконано експрес-аналіз ефективного тиску на торці хвилеводу, який утворюється за рахунок одиничного розряду. Використовуючи параметри розрядного контуру (ємність накопичувача С, напругу зарядки накопичувача U₀, індуктивність L, довжину розрядного каналу l_р) та безрозмірний критерій подібності з, який пов'язує їх між собою, тиск в повздовжній хвилі стискання Р_в(t) для хвилеводного стрижня постійного радіусу r_в в пружній постановці визначено за допомогою співвідношень:

(1)

Абсолютне значення критерію з в системі (1) визначає режим електричного розряду: при з = 0 режим короткого замкнення; при з = 1 - аперіодичний режим розряду; при з 0,8 - узгоджений режим розряду, коли активний опір каналу дорівнює хвильовому опору розрядного кола; 0 < з < 0,8 відповідає коливальному режиму розряду, який містить від 8 до 10 періодів коливань розрядного струму.

До цього часу в обладнанні для ЕГІО апріорі застосовувався узгоджений режим розряду, який характеризується найвищим електричним ККД. Але аналіз співвідношень (1) свідчить, що рівень тиску при з 0,8 досить низький і може не перевищувати кавітаційну міцність металевої рідини, яка, згідно з літературними джерелами, для більшості розплавів становить від 0,65 до 1,3 МПа. Найбільш високий рівень тиску відповідає коливальному режиму розряду, чим забезпечується при однакових енергетичних витратах розвиток інтенсивних кавітаційних процесів у розплаві.

Отримано також співвідношення, які пов'язують тиск з найбільш широко вживаним енергетичним параметром ЕГІО - накопиченою енергією одиничного розрядного імпульсу .

Проведення Фур'є-аналізу дозволило визначити спектральні характеристики імпульсу тиску Р_в(t), що утворюється на розрядній стадії ЕГІО, і встановити їх залежність від режиму електричного розряду та параметрів розрядного контуру. Рис. 1 підтверджує, що спектральні характеристики імпульсу містяться в широкій частотній смузі, яка простягається від одиниць Гц до сотень кГц. Коливальний режим розряду реалізує надходження в розплав найпотужнішого полічастотного імпульсу, що дозволяє більш ефективно обробляти розплави, здійснюючи вплив на його різні структурні рівні.

Визначення впливу режиму електричного розряду на поле тиску в розплаві Р_р(t) та динаміку пульсацій газових включень проведено шляхом математичного моделювання. Процес поширення пружніх збурень в хвилеводній системі описано за допомогою хвильового рівняння в переміщеннях для стрижня, рух розплаву в акустичному наближенні за допомогою хвильового рівняння для потенціалу швидкості, а коливання газової бульбашки в розплаві за допомогою рівняння Херрінга-Флінна. Методом чисельного рішення встановлено, що в розплаві чавуну коливальний режим в усьому діапазоні параметрів W₀ = 1,255 кДж і r_в = 550 мм, які застосовуються в розробленому технологічному обладнанні, забезпечує наявність зосередженої під хвилеводом кавітаційної зони діаметром (34) r_в і довжиною по осі хвилеводу (510) r_в. Для узгодженого режиму розряду при W₀ ? 1 кДж і r_в ? 30 мм умови для виникнення кавітації не створюються.

Третій розділ роботи містить результати експериментальних досліджень фізичних процесів, що проходять в розплаві на розрядній і післярозрядній стадіях ЕГІО, розглядає технологічну оброблюваність різних ливарних сплавів та механізм електрогідроімпульсного впливу на мікронеоднорідний стан розплаву, умови зародкоутворення і кристалізації.

Введено поняття електрогідроімпульсної технологічної оброблюваності розплаву. Показано, що при однакових значеннях енергії розрядного імпульсу W₀ зростання різниці між акустичними характеристиками матеріалу хвилеводу, який зазвичай виготовляють із сталі Ст3, і оброблюваного розплаву призводить до зменшення рівня тиску в розплаві Р_р(t). Тому акустична жорсткість металевої рідини сс₀ (де с - густина рідини, с₀ - швидкість звуку в рідині) є тим фізичним фактором, який визначає енергетичні втрати на межі “торець хвилеводу - розплав” та технологічну оброблюваність розплаву.

Для реєстрації кавітаційних збурень, що виникають на розрядній стадії ЕГІО, та визначення розмірів кавітаційної зони проведено експериментальні дослідження на модельних середовищах. Було застосовано методику фіксації деформаційно-ерозійної картини на алюмінієвих фольгах товщиною 20 мкм, яка утворюється внаслідок схлопування бульбашок в кавітуючій рідині. В якості модельних середовищ використано воду з сс₀ = 15,5·10⁵ кг/(м²·с) та сплав Розе з сс₀? 170·10⁵ кг/(м²·с). Після ЕГІО води на фольгах з'являються пом'ятини діаметром (0,10,5) мм, а фольги, вилучені із розплаву Розе характеризуються більш вираженою деформаційно-ерозійною картиною, оскільки крім пом'ятин мають численні проколи різного діаметру. Останній факт вказує на більш інтенсивний розвиток кавітації в розплаві Розе внаслідок його більш високої акустичної жорсткості.

Встановлено, що кількість пом'ятин і проколів на фольгах збільшується з ростом накопиченої енергії імпульсу W₀, кількості введених у розплав розрядних імпульсів та об'єму рідини, а також зменшується із зменшенням кута нахилу площини фольги до осі хвилеводу і збільшенням відстані до його торця. Застосування хвилеводів з r_в = 530 мм також дозволило визначити розміри кавітаційної зони, яка виникає на розрядній стадії в воді (діаметр зони - (24) r_в; довжина по осі хвилеводу - (45) r_в), та порівняти їх з результатами математичного моделювання для розплаву чавуну.

Вплив режиму електричного розряду на швидкість післярозрядного перемішування і видалення газу визначено шляхом ЕГІО прозорої рідини. За допомогою швидкісної зйомки відстежувалась динаміка низхідного гідродинамічного потоку, яким створена на першій розрядній стадії кавітаційна хмарка підхоплюється, прямує до дна ємності з рідиною та спливає на поверхню, а під торець хвилеводу надсилається нова порція рідини.

Фіксувався відрізок часу від початку обробки до моменту, з якого утворення кавітаційної хмарки припинялось внаслідок видалення з рідини газу. Апроксимація експериментальних даних, отриманих при W₀ = const і r_в = const, дозволила описати тривалість обробки наступним співвідношенням:

, (2)

де = 1450 для узгодженого режиму розряду і = 1050 для коливального режиму розряду; V об'єм рідини; f частота надходження розрядних імпульсів. Як видно з (2), при коливальному режимі розряду тривалість обробки зменшується майже в 1,4 рази. Це дає можливість рекомендувати коливальний режим не лише для ЕГІО великих, але і малих ємностей з розплавом, які швидко охолоджуються, або для обробки незначно перегрітого над температурою ліквідус Т_L розплаву.

Враховуючи встановлену залежність кавітаційних процесів, що проходять в розплаві на розрядній стадії ЕГІО, і гідродинамічних процесів, що проходять на післярозрядній стадії, від енергії одиничного імпульсу W₀, частоти надходження розрядних імпульсів f та часу обробки , для порівняння затрат на ЕГІО різних розплавів запропоновано використовувати показник об'ємної питомої енергії щ, як інтегральний показник силового навантаження:

. (3)

Для визначення механізму впливу ЕГІО на структуру ближнього порядку металевої рідини розплав розглянуто у вигляді відкритої термодинамічної системи, умовою рівноважності якої є мінімум вільної енергії

F = H - T_рS, (4)

де H - ентальпія; S - ентропія; T_р - температура расплаву. Розрахунок термодинамічних характеристик, які входять до (4), проводили для алюмінієвого розплаву з використанням моделі рідини твердих сфер та співвідношень для рідких неперехідних металів. В табл. 1 наведено результати розрахунку, які показують, що внаслідок зменшення густини атомної упаковки після ЕГІО позиційна ентропія розплаву збільшується. Як результат, при Т_р=const криві вільної енергії обробленого і необробленого металу зсуваються одна відносно одної на величину в декілька кДж/моль, що відповідає зсуву по температурній осі на величину Т вліво.

Таблиця 1. Структурні та термодинамічні характеристики алюмінієвого розплаву

Зміна термодинамічної рівноважності розплаву після ЕГІО є причиною того, що оброблений розплав кристалізується з переохолодженням, тобто при більш низькій температурі ліквідусу Т_L. В цих умовах інтенсифікуються процеси зародкоутворення, кількість кристалічних зародків та швидкість їх росту збільшуються, що призводить до формування подрібненої та більш щільної структури литого металу.

Четвертий розділ роботи містить результати дослідження процесу взаємодії хвилеводу з високотемпературним розплавом. Проведено математичне моделювання процесу плавлення хвилеводу, яке дозволяє прогнозувати зміну його початкових геометричних параметрів з плином часу та вносити поправку r_в(t) на зміну характеристик розрядного імпульсу в рівняннях (1). Для рішення задачі плавлення зануреного в високотемпературний розплав сталі чи чавуну хвилеводу гранична умова на поверхні розділу фаз закладена у вигляді умови Стефана, тобто у вигляді розриву теплового потоку, та застосовано метод опису руху границі розділу фаз у формі безперервного переміщення границі між дискретними координатними поверхнями. Введена циліндрична система координат (r, z), вісь якої r = 0 співпадає з віссю хвилеводу, а поверхня z = 0 співпадає з вільною поверхнею розплаву. В припущенні, що розплав знаходиться в області z > 0 теплові потоки описуються рівнянням

, (5)

де к - індекс, к = 1 - для хвилеводу, к = 2 - для розплаву; ; - теплопровідність; - густина; С_k - теплоємність.

Початкові умови

; . (6)

Граничні умови

, при та ; (7)

; (8)

, при та , (9)

де l_в довжина незануреної частини хвилеводу; - поверхня контакту хвилеводу з розплавом; Т_ср - температура зовнішнього середовища; - стала Стефана-Больцмана.

Умови на боковій та нижній границях зони розплаву записано у вигляді

; . (10)

Рух границі розділу фаз описується виразом

, (11)

де х ? прихована теплота плавлення.

В якості узагальнюючого показника, що характеризує стійкість хвилеводу, було прийнято відношення об'єму зануреної в розплав частини хвилеводу після взаємодії з розплавом до об'єму цієї частини в початковому стані V/V₀. Залежність цього показника від геометричних параметрів хвилеводу, температури розплаву та часу перебування в розплаві ф, встановлена внаслідок чисельного рішення матмоделі, записується у формі регресійної залежності:

(12)

де h_в - глибина занурення хвилеводу в розплав.

Відповідність розрахункових даних реальним умовам знаходження хвилеводу в розплаві, а також вплив механічного руху хвилеводу і конвективного перемішування розплаву, які неодмінно супроводжують ЕГІО, було перевірено експериментально в сталевому розплаві при температурі Т_р = 1600 ⁰С. Встановлено, що міра відповідності даних, отриманих за допомогою математичної моделі, реальним умовам занурення хвилеводу в спокійний розплав становить 96-97%, а в залежності від енергетичного режиму роботи угар хвилеводу може на 20% перевищувати розраховані значення, і цю кінцеву поправку також необхідно вносити в рівняння (1).

В п'ятому розділі роботи викладено результати досліджень впливу режиму розряду, енергетичних параметрів навантаження та геометричних параметрів хвилеводу, які наведено в табл. 2, на структурно-фазові перетворення і властивості різних ливарних сплавів: алюмінієвого сплаву Al+ 5% Cu (АЛ7) з акустичною жорсткістю с₀ ? 110•10⁵ кг/(м²·с); свинцевого сплаву Pb + 7% Sb з акустичною жорсткістю с₀ ? 204•10⁵ кг/(м²·с) та чавуну з акустичною жорсткістю с₀ ? 370•10⁵ кг/(м²·с).

Таблиця 2. Технологічні параметри ЕГІО ливарних сплавів

Дослідження виконано в лабораторних та промислових умовах із застосовуванням в складі технологічного обладнання генератора імпульсних струмів, розрахованого на номінальну напругу U₀ = 50 кВ. Енергія одиничного імпульсу W₀ розраховувалась із умови створення необхідного тиску в розплаві (1), параметри f і на основі співвідношення (2), а режим розряду змінювався шляхом регулювання міжелектродного проміжку. Радіус хвилеводу підбирався в залежності від об'єму та температури розплаву, що забезпечувало його стійкість проти оплавлення за час ЕГІО.

В табл. 3 наведено металознавчі дані, які дають уявлення про вплив режиму електричного розряду на якість алюмінієвого сплаву. Макро-, мікроструктура литого металу та ряд його властивостей суттєво покращуються з переходом на коливальний режим розряду, що повністю підтверджує теоретичні розрахунки та дає можливість рекомендувати цей режим до подальшого використання.

Коливальний режим розряду покращує структуру, властивості та рівень рафінування чорнового свинцю від небажаних хімічних домішок. Підраховано, що видалення із розплаву загальної кількості небажаних хімічних елементів (перш за все, Sb і S) при узгодженому режимі становить 0,3 %, а при коливальному 0,81,3%. У табл. 4 наведено дані мікрорентгеноспектрального аналізу зразків, які дають уявлення про вміст у сплаві Sb - елемента, що досить важко вилучити із свинцю звичайними технологічними методами. Порівняння дослідних зразків свинцевого сплаву та сплаву АЛ7, отриманих після ЕГІО з однаковою питомою енергією = 178 МДж/м³, також дозволило встановити, що внаслідок кращої технологічної оброблюваності свинцевого сплаву міра подрібнення його мікроструктури становила приблизно 2,5 рази, а алюмінієвого сплаву (1,51,7) рази.

Таблиця 3. Характеристики алюмінієвого сплаву АЛ7

Таблиця 4. Інтенсивність рентгенівського випромінювання, імп/с

Застосування коливального режиму розряду для ЕГІО сірого чавуну СЧ20 дозволило обробити великий промисловий об'єм розплаву, зменшити вміст ливарних дефектів в металі в 1,25 - 1,4 рази, підвищити його межу міцності в 1,2 - 1,5 рази та визначити температуру обробки розплаву, яка забезпечує найбільшу міру змін в металі. Для сірого чавуну це Т_р =1380 ^оС, тобто якнайближча температура до температури Т_L. Із зростанням температури акустична жорсткість розплаву зменшується, тобто погіршується його оброблюваність.

З обробленого доменного переробного чавуну (ДПЧ) в промислових умовах отримували виливниці, і за кількістю подальших наливів сталлю, зроблених до виходу виливниці із ладу, оцінювали їх експлуатаційну стійкість. Експлуатаційна стійкість виливниць, виготовлених із звичайного металу, становила 28 наливів, а за рахунок покращення структури та механічних властивостей чавуну після обробки цей показник збільшився до 63 наливів, тобто зріс у 2,2 рази. При цьому дослідні виливниці виходили із обігу за рахунок утворення звичайних дефектів експлуатації, а не за рахунок дефектів якості металу, 1 виливниця взагалі не була відбракована.

ВИСНОВКИ

1. Показано, що на стан розплаву, кристалічну структуру і властивості литого металу переважно впливає розрядна стадія ЕГІО, відповідальна за розвиток в оброблюваній рідині кавітаційних процесів. Для різних режимів розряду отримано аналітичні залежності, котрі пов'язують ефективний тиск розрядного імпульсу з параметрами розрядного кола і спектральними характеристиками імпульсу. Встановлено, що максимальні рівні тиску в розрядному імпульсі та найбільш широкий акустичний діапазон відповідають коливальному режиму розряду.

2. Описано процес поширення хвилі тиску в розплаві та динаміка пульсацій газових включень на розрядній стадії ЕГІО. В діапазоні параметрів W₀ = 1,255пкДж і r_в = 550 мм, які застосовуються в розробленому технологічному обладнанні, визначено поле тиску в розплаві чавуну. Встановлено, що з переходом від узгодженого на коливальний режим розряду об'єм кавітаційної зони в розплаві збільшується до 3 разів.

3. Отримано експериментальні докази наявності кавітації в оброблюваному розплаві. Встановлено, що інтенсивність розвитку кавітаційних процесів в розплаві визначається акустичною жорсткістю розплаву, енергією одиничного імпульсу, кількістю імпульсів та об'ємом розплаву. Визначено, що в діапазоні значень радіусу хвилеводу r_в = 530 мм при коливальному режимі розряду діаметр кавітаційної зони в воді складає (24)r_в, в розплаві чавуну (34) r_в; довжина по осі хвилеводу в воді складає (4 5) r_в, в розплаві чавуну (510) r_в.

4. Встановлено, що в порівнянні з узгодженим коливальний режим розряду забезпечує скорочення приблизно в 1,4 рази часу, необхідного для видалення із розплаву газів. Отримано емпіричні залежності, які пов'язують тривалість цього процесу з об'ємом рідини та частотою розрядних імпульсів.

5. Розраховано термодинамічні характеристики підданого ЕГІО алюмінієвого розплаву, сформульовано уявлення про кавітаційний механізм впливу ЕГІО на структуру ближнього порядку металевої рідини та мікрогомогенізаційні процеси. Показано, що позиційна ентропія та термодинамічна рівноважність розплаву після ЕГІО підвищуються, розплав кристалізується при більших переохолодженнях, що є причиною зміни фазового складу та дисперсності структури.

6. Встановлено, що технологічна оброблюваність розплаву залежить від його акустичних характеристик, котрі визначають величину енергетичних втрат під час передачі розрядного імпульсу в розплав, і кластерної структури, яка визначає міру термодинамічної рівноваги розплаву. Із збільшенням об'ємної питомої енергії, затраченої на обробку, технологічна оброблюваність розплаву покращується.

7. Шляхом математичного моделювання описано процес плавлення сталевого хвилеводу у високотемпературному залізовуглецевому розплаві, що дозволяє прогнозувати зміну початкових геометричних параметрів хвилеводу і характеристик акустичного сигналу з плином часу. Отримано регресійну залежність, яка пов'язує стійкість хвилеводу з його геометричними параметрами та температурно-часовими умовами занурення в розплав. Міра відповідності розрахункових і експериментальних даних із стійкості хвилеводу становить 96-97%.

8. Експериментально на сплавах систем Al-Cu, Pb-Sb показано, що застосування коливального режиму розряду і оптимальних енергетичних параметрів обробки в порівнянні з узгодженим режимом забезпечує додаткове рафінування розплаву від небажаних домішок, подрібнення макро- і мікроструктури, підвищення густини металу і покращення його властивостей.

9. В промислових умовах із застосуванням коливального режиму розряду оброблено 50 тон розплаву сірого чавуну, з якого відлито 177 виливків загальномашинобудівного призначення. У виливках отримано зниження вмісту ливарних дефектів в 1,4 рази, збільшення межі міцності в 1,5 рази.

10. В промислових умовах піддано ЕГІО доменний переробний чавун, з якого відлито 4 дослідні виливниці. Досягнуто збільшення експлуатаційної стійкості виливниць в 2,2 рази.

електрогідроімпульсний метал ливарний сплав

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Грабовый В.М. Исследование процесса плавления стального волновода в железоуглеродистом расплаве /В.М. Грабовый, А.В. Синчук, В.В. Тульский //Процессы литья. - 2001. ? №3. ? С.15?19.

2. Волков Г.В. Обработка чугуна концентрированными потоками энергии /Г.В.Волков, В.М. Грабовый, А.В. Синчук //Литейное производство. -1998. - №1. - С.12-14.

3. Синчук А.В. Интенсификация графитообразования в высокопрочных чугунах импульсными потоками акустической энергии //Импульсные процессы в механике сплошных сред: Материалы 111 Научной школы. с. Коблево, сентябрь 1999 г. - Николаев: Атолл, 1999.- С.133.

4. Грабовый В.М. Механизм влияния электрогидроимпульсной обработки на состояние расплава перед разливкой и кристаллизацию высокоуглеродистых сплавов /В.М. Грабовый, А.В. Синчук, В.Н. Цуркин //Теория и практика металлургии. - 2000.- №6.- С.28-31.

5. Синчук А.В. Эффективность электрогидроимпульсной обработки жидкого доменного передельного чугуна (ДПЧ) для производства изложниц //Импульсные процессы в механике сплошных сред: Материалы 1V Международной Научной школы-семинара. с. Коблево, август 2001г. - Николаев: Атолл, 2001.- С.113-114.

6. Синчук А.В. Влияние электрогидроимпульсной обработки расплава на качество ваграночного чугуна //Сб. науч. тр. Украинского государственного морского технического университета. ? 2002. ? №8 (386). ? С.43?47.

7. Получение немагнитных чугунов с использованием акустической обработки расплава /Г.В. Волков, А.В. Синчук //Металлургия машиностроения.-2003.-№2.- С.4-6.

8. Об использовании электрогидроимпульсной обработки сплавов свинца /В.М.Грабовый, Г.В. Волков, Н.А. Федченко, А.В. Синчук и др. //Металлургия машиностроения. ? 2002.? №3(6). - С.8?10.

9. Цуркин В.Н. Расчетная методика для определения влияния параметров разряда на характеристики акустического поля в расплаве при электрогидроимпульсной обработке /В.Н. Цуркин, А.В. Синчук, А.В. Иванов //Электронная обработка материалов. 2004. №1. - С.82?87.

10. Влияние электрогидроимпульсной обработки на термодинамическое состояние расплава и процесс кристаллизации /В.Н. Цуркин, А.В. Синчук //Процессы литья. ? 2007.? №12. - С.7074.

11. Цуркин В.Н. Влияние режима электрического разряда на качество метала, подвергнутого электрогидроимпульсной обработке в жидком состоянии /В.Н. Цуркин, А.В. Синчук, А.В. Иванов //Электронная обработка материалов. ? 2005. ? №1. ? С.98?103.

12. Цуркін В.М. Вплив електрогідроімпульсної обробки розплаву на елементи різних структурних рівнів в металі /В.М. Цуркін, Г.В. Волков, А.В. Сінчук //Металознавство та обробка металів. - 2004. - №4. - С.37-43.

13. Волков Г.В. Структура и свойства литейного сплава АЛ7, подвергнутого электрогидроимпульсной обработке /Г.В. Волков, А.В. Синчук, Н.А. Федченко //Процессы литья. - 2005. -№2. - С.51-54.

14. Цуркин В.Н. Функциональные возможности электрогидроимпульсной обработки расплава в ковше /В.Н. Цуркин, В.М. Грабовый, А.В. Синчук //Электронная обработка материалов. - 2006. -№5. - С.55-61.

Размещено на Allbest.ru