Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях
  3.1 Методика физического моделирования процессов затвердевания в условиях пульсационного и вибрационного воздействия

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.

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.

Схема лабораторного стенда для оценки виброимпульсного воздействия при затвердевания

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.

  3.1 Методика физического моделирования процессов затвердевания в условиях пульсационного и вибрационного воздействия
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ