Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях
  3.3 Закономерности затвердевания и модели управления формированием слитков при пульсации и вибрации

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:

где r - линейная полярная координата; w - угловая полярная координата.

  • при r равном радиусу сферы температура поверхности частицы равна Т=Тч;
  • при r стремящемся в бесконечность температура расплава принимается равной температуре ликвидус T=Тl.

Для удобства представления результатов в расчетную модель введен показатель относительной температуры Тo = (Т - Тl)/(Тч - Тl), в соответствии с которым для поверхности каждой из частиц Тo= 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. 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.

Таблица 3.1. Сравнение удельной доли частиц твердой фазы в расплаве, обеспечивающей перекрытие температурных полей, в зависимости от их радиуса

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

Характер распределения температурного поля между двумя частицами при их росте в переохлажденном расплаве стали в зависимости от расстояния между ними и их радиусов

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.

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]:

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

Изменение температуры расплава в прибыли

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

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. 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 кавита-ция 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). Однако в этом случае наблюдается рост количества частиц твердой фазы в расплаве по мере увеличения продолжительности воздействия, что следует связывать как с накоплением частиц в расплаве, так и с их механическим разрушением под действием упругих сил. Для виброобработки в режиме кавитации с частотами порядка 20-60 Гц и выше число частиц твердой фазы при подогреве зеркала расплава снижается в меньшей степени. Это свидетельствует о том, что в этом случае источником частиц твердой фазы является кавитационный эффект. При этом наблюдаемое увеличение количества частиц твердой фазы по мере увеличения продолжительности обработки, видимо, является следствием эффек¬та постепенного разрушения имеющихся в расплаве частиц кавитационными силами. Вместе с тем, степень развития кавитационных эффектов носит достаточно ограниченный характер, если сравнить их с данными по пульсационному перемешиванию, что подтверждает роль интенсивного перемешивания в разрушении частиц твердой фазы. Максимальный эффект с точки зрения количества частиц твердой фазы достигается при режимах вибрации, соответствующих проявлению кавитационного эффекта в совокупности с развитием нестационарных волн на поверхности расплава. По существу, на таких режимах достигается эффект образования частиц твердой фазы сразу по двум механизмам: разрушение твердой корочки на поверхности расплава и последующее разрушение частиц вследствие развития кавитационных эффектов.

Таблица 3.2. Сравнение числа частиц твердой фазы в расплаве в зависимости от режимов обработки

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

В ходе проведенных экспериментов прямых свидетельств того, что пульсационная и вибрационная обработка способствует интенсивному разрушению столбчатых кристаллов, формирующихся на фронте затвердевания. На практике все же следует ожидать, что эффект разрушения вторичных и третичных ветвей дендритов может также служить источником твердых частиц.

Выполненные исследования позволили предложить некоторые закономерности для выбора модели управления процессами затвердевания с помощью методов пульсационного и вибрационного воздействия [156, 157, 158, 166, 167]. Для улучшения условий тепловой работы прибыли и головной части слитка или отливки пульсационное воздействие целесообразно осуществлять в режимах, которые обеспечивают развитие кавитационных эффектов, сопровождающихся образованием большого количества частиц твердой фазы в расплаве. При этом рост частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве сопровождается локальным подогревом отдельных зон жидкой ванны, а формирование локальной зоны с повышенной температурой расплава в жидкой ванне достигается посредством рационального расположения пульсационной трубы в прибыли, направлением, интенсивностью и длительностью пульсационного перемешивания.

Обобщая приведенные данные, следует отметить, что пульсационное воздействие в оптимальных режимах в значительной степени подавляет развитие усадочной раковины, а поражение тела слитка дефектами типа «нарушение сплошности» зависит от глубины погружения трубы.

Для улучшения условий тепловой работы прибыли слитков или отливок вибрационное воздействие целесообразно осуществлять в режимах, обеспечивающих развитие волн на поверхности расплава и кавитационных эффектов в жидкой ванне. В этом случае первичным источником частиц твердой фазы в расплаве является, разрушающаяся на его поверхности твердая корочка. В дальнейшем происходит дробление этих частиц вследствие развития кавитационного эффекта или воздействия конвективных потоков. Поскольку в зоне, прилегающей к поверхности расплава, развиваются замкнутые конвективные потоки, то в перемешивание вовлекаются растущие твердые частицы, которые обеспечивают дополнительный локальный подогрев. Результаты влияния вибрационного воздействия на формирование алюминиевых слитков представлены на рис 3.5. Как видно из приведенных результатов значительный эффект улучшения условий тепловой работы прибыли достигается даже при низких частотах (5-10 Гц) при условии развития одноузловых стоячих волн на поверхности расплава (рис.3.5, б – в). Аналогичный эффект получен при виброобработке на частоте 39 Гц (рис.3.5, г) в условиях развития всплесков на поверхности расплава и кавитации (соотношение значений частоты и амплитуды колебаний для кавитационного режима здесь и далее определялся по рекомендациям Дж. Кэмпбелла [75]). Дополнительно следует обратить внимание, что виброобработка в режиме вибрации, превышающем кавитационный порог на 30-40% (рис. 3.5) сопровождалась серьезными нарушениями сплошности тела слитка, что следует рассматривать как негативное проявление эффекта обработки.

Макроструктура опытных алюминиевых слитков

Рисунок 3.5. Макроструктура опытных алюминиевых слитков: а) – без виброобработки; б) и в) – вибрация в горизонтальной или вертикальной плоскости с образованием одноузловых стоячих волн с частотой соответственно 5 и 10 Гц; г) – вибрация с образованием всплесков в режиме кавитации (частота 39 Гц); д) – вибрация без образования всплесков в кавитационном режиме (частота 48 Гц); е) – вибрация значительно выше порога кавитации (частота 67 Гц).

Обобщая полученные результаты, следует отметить, что наибольший эффект при пульсационной и вибрационной обработке был достигнут именно на тех режимах, которые в большей степени соответствовали режимам кавитационных эффектов и режимам формирования различного рода стоячих волн или всплесков при вибрации. Нельзя не отметить дополнительно, что при отклонении режимов виброобработки от оптимальных ее эффект резко снижается. Это легко проследить как по увеличению глубины проникновения усадочной раковины, так и по снижению физической однородности (колебанию размеров макрозерна по сечению слитка). Видимо, такой результат виброобработки находится в полном соответствии с ранее сделанными выводами о роли кавитации как источника частиц твердой фазы и тепловом эффекте при их росте в верхней части жидкой ванны.

Таким образом, влияние виброимпульсной обработки на процессы затвердевания слитков, во многом зависит от механизма формирования частиц твердой фазы, их роста и перемещения в жидкой ванне в процессе обработки. Следовательно, в основу принципов управления процессами формирования слитков и отливок с помощью пульсационной и вибрационной обработки может быть положена совокупность критериев оптимизации, условно разделенная на три группы по следующим признакам:

а) по характеру перемешивания жидкой ванны с точки зрения транспортирования частиц твердой фазы в предполагаемые локальные зоны;

б) по предпочтительному механизму образования частиц твердой фазы в расплаве (при регламентации соответствующих рабочих режимов обработки);

в) по началу и длительности обработки в зависимости от желаемых результатов.

Применительно к виброимпульсной обработке оптимизация режимов воздействия в общем виде может быть выполнена по следующей схеме:

а) выбор предпочтительного механизма образования частиц твердой фазы (разрушение твердой корочки на поверхности расплава или кавитационное зарождение частиц в объеме жидкой ванны) в зависимости от конечных задач с точки зрения качества слитка или отливки;

б) выбор способа обработки и рациональных диапазонов режимов обработки в зависимости от заданного механизма образования частиц твердой фазы;

в) определение предполагаемой длительности обработки в зависимости от круга решаемых задач.

Вместе с тем эффективность реализации предложенных рекомендаций в промышленных условиях во многом должна зависеть от уровня и корректности теоретических разработок, позволяющих осуществить рациональный выбор рабочих параметров воздействия. Дальнейшая окончательная оптимизация рабочих параметров для пульсационной и вибрационной обработки может быть осуществлена путем соответствующей коррекции расчетных рабочих параметров, которая выполняется на базе промышленных экспериментов применительно к конкретным слиткам и отливкам с учетом всей совокупности качественных эффектов и уровня требований, предъявляемых к качеству металлопродукции.

  3.3 Закономерности затвердевания и модели управления формированием слитков при пульсации и вибрации
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ