Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях
  2.2 Эффективность применения внешних воздействий 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 обеспе-чивают 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.

Основные методы виброимпульсной обработки затвердевающего металла

Рис. 2.4. Основные методы виброимпульсной обработки затвердевающего металла

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

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

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

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.

  2.2 Эффективность применения внешних воздействий в ходе затвердевания
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ