Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях
  3.2 Сравнительная оценка влияния пульсационного и вибрационного воздействия

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. 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.

Изменение разности температур в головной части слитка для различных режимов пульсационной и вибрационной обработки

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

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.

  3.2 Сравнительная оценка влияния пульсационного и вибрационного воздействия
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ