НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО – ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ

Грабовий Валерій Михайлович

УДК 621.74. 56: 669.714.2:620.192.4 |

Наукові І Технологічні Основи

ЕЛЕКТРОГІДРОІМПУЛЬСНОЇ ДІЇ

НА СТРУКТУРУ І ВЛАСТИВОСТІ ВИЛИВКІВ ІЗ сплавів

на основі заліза і алюмінію

Спеціальність 05. 16. 04 - Ливарне виробництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті імпульсних процесів і технологій

Національної академії наук України.

Науковий консультант: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Дубодєлов Віктор Іванович, Фізико – технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділу.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Затуловський Сергій Семенович, Фізико – технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділу;

доктор технічних наук, професор Луньов Валентин Васильович, Запоріжський національний технічний університет МОН, завідувач кафедри;

доктор технічних наук, професор Хричіков Валерій Євгенович, Національна металургійна академія України МОН, завідувач кафедри.

Захист відбудеться “ 22 “ листопада 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 при Фізико – технологічному інституті металів та сплавів НАН України, 03680, м. Київ-142, пр. Вернадського 34 /1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико – технологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, пр. Вернадського 34 /1.

Автореферат розісланий “3 “ жовтня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01

доктор технічних наук |

М.І. Тарасевич

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Поліпшення якості виливків із сплавів на основі Fe і Al є однією з основних задач сучасного ливарного виробництва. Використовування вакуумування (США, Японія, Німеччина), синтетичних шлаків (Швеція, Італія), пульсаційного перемішування (Англія, Росія) в ливарному виробництві України обмежено із економічних причин, а модифікування розплаву – достатньо складний процес, що здійснюється у нерівноважних умовах. Ряд нових способів обробки металу базується на імпульсному і хвильовому русі розплаву, що пов'язане з короткочасним і інтенсивним впливом – удар, вибух, електричний розряд і таке інше. Серед них найбільш економічним (енерговитрати до 2,5 кВтг/т) є спосіб електрогідроімпульсної (ЕГІ) обробки розплаву в ковші хвилеводом електророзрядного генератора пружних коливань (ЕРГПК). Разом з тим, широке практичне використання цього способу в ливарному виробництві стримувалось недостатністю узагальнюючих досліджень механізму та закономірностей впливу електрогідроімпульсної обробки (ЕГІО) на структуру та властивості сплавів. Окрім того, ефективність ЕГІО залежить від багатьох факторів: параметрів розрядного контуру, що впливають на перетворення електричної енергії, її просторовий перерозподіл, підвищення густини енергії та формування акустичного поля тиску; стану розплаву; умов збереження ефектів обробки при формуванні виливка. Керування вихідними параметрами ЕРГПК (амплітуда, швидкість, прискорення) не завжди забезпечує створення необхідних оптимальних величин і розподілу акустичного поля тиску в розплаві. Ефект від ЕГІО може бути посилений за допомогою зміни вхідних характеристик ЕРГПК (напруга, ємність, число імпульсів) і використаний для інтенсифікації імпульсних рухів рідини, локального підвищення тиску, гомогенізації та рафінування розплаву, поліпшення структури та властивостей литого металу.

Тому, поглиблення наукових знань про формування і розподіл інтенсивних хвиль тиску в розплаві, створення наукових основ ЕГІО та механізмів ЕГІ дії на метал, визначення оптимальних технологічних режимів обробки, дослідження особливостей структурних змін у виливках із сплавів на основі заліза і алюмінію одержаних таким способом є актуальною проблемою, вирішенню якої й присвячена запропонована робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась у відповідності до основних наукових напрямків ІІПТ НАН України, у рамках держбюджетних тем, у більшості з яких автор був науковим керівником або відповідальним виконавцем. В основному робота виконана в ІІПТ НАН України, відповідно до постанови Президії АН УРСР № 537 від 05.12.84 за темою “Дослідити особливості електрогідроімпульсного навантаження зливків із спеціальних сталей та сплавів з метою поліпшення якості і розширення сортаменту литих витрачаємих електродів” (№ДР0185.0004212, відповідальний виконавець), постанови ДКНТ України №555 від 30.10.85 за темою ”Створити та впровадити обладнання для електрогідроімпульсної обробки рідкої сталі у ковші” (№ДР0186.0072776, науковий керівник); наказу ДКНТ України № 15 від 01.03.93 за темою “Розробка наукових основ електрогідроімпульсного формування метастабільної структури сплавів, закономірностей виявлення структурної спадковості в системі “шихта - розплав – виливок”, які забезпечують створення нових низькоенергоємних технологічних процесів лиття” (№ДР0193U029670, науковий керівник); протоколів Бюро Відділення ФТПМ НАН України №3 від 22.01.91 за темою “Виконати комплекс дослідницьких робіт по створенню і впровадженню обладнання для ЕГІО розплаву чавуну у ковші” (№ДР01.9.0008375, науковий керівник), № 6 від 9.04.92 за темою “Дослідити ефективність ЕГІ впливу на якість виливків з алюмінієвих сплавів та розробити нові екологічно обґрунтовані низькоенергоємні технічні рішення” (№ДР0195007145, відповідальний виконавець), № 11 від 27.06.95 “Дослідити умови графітоутворення у високовуглецевих сплавах, зазнаючих електрогідроімпульсного впливу, та встановити параметри, які забезпечують створення екологічно чистих низькоенергоємних процесів литва” (№ДР0195U020695, науковий керівник), №19 від 26.12.2006 за темою “Класифікація фізичних процесів, технічних та технологічних прийомів способів позапічної електрогідроімпульсної обробки розплаву сплавів на основі Fe і Al ” (№ДР0107 U004476, науковий керівник).

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є наукові основи і оптимізація технології одержання із сплавів на основі заліза і алюмінію виливків з подрібненою структурою, яка забезпечує гарантовані механічні і (або) експлуатаційні властивості, при використанні способу електрогідроімпульсної обробки розплаву в ковші хвилеводом електророзрядного генератора пружних коливань.

Згідно поставленої мети були сформульовані і вирішені основні наступні задачі дослідження:

а) розроблено наукові основи та основні критерії ефективної ЕГІО розплаву, які засновані на обліку електричних і гідродинамічних процесів в ЕРГПК, закономірностях передачі хвилі тиску циліндричним хвилеводом у металевий розплав, дії цієї хвилі на газовий пухирець і формуванні додаткового акустичного тиску, що виникає в локальних об'ємах розплаву;

б) вивчено фактори процесу ЕГІО, що впливають на зміни амплітуди тиску і геометрії хвильового поля в рідкому металі, досліджено механізми процесів, які відбуваються в зоні контакту розплаву з хвилеводом ЕРГПК;

в) досліджено особливості дії базових технологічних режимів ЕГІО розплаву на зміну структури модельного сплаву в литому стані;

г) встановлено взаємозв'язки основних технологічних режимів ЕГІО розплаву в ковші зі структурою, механічними і (або) експлуатаційними властивостями металу виливків зі сплавів на основі Fe і Al, визначено загальні закономірності і оптимальні режими такої дії;

д) розроблено нові енергозберігаючі технології підвищення якості литого металу, які базуються на результатах проведених наукових досліджень.

Об'єкт дослідження. Технологія електрогідроімпульсної дії на розплав, яка впливає на зміну структури і властивостей виливків із сплавів на основі заліза і алюмінію.

Предмет дослідження. Особливості структурних змін у виливках із сплавів на основі заліза і алюмінію при цілеспрямованому керуванні режимом ЕГІ силової дії на розплав у ковші. Макро- і мікроструктура, механічні та експлуатаційні властивості литого металу.

Методи дослідження. В роботі використовується комплексний метод дослідження, який включає математичне моделювання електричних і гідродинамічних процесів в ЕРГПК, чисельне моделювання параметрів поля тиску в розплаві; експериментальну перевірку розроблених моделей. Дослідження макро-, мікроструктури, механічних і (або) експлуатаційних властивостей вихідного та дослідного металу проводили за стандартними методиками.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Розроблено наукові основи ЕГІО розплаву в ковші хвилеводом ЕРГПК, які базуються на результатах математичного і чисельного моделювання, дослідженнях фізико-хімічних процесів при ЕГІО металу та дозволяють вперше довести, що електрогідроімпульсна дія на метал приводить до утворення в ньому хвиль стиснення – розтягування високої інтенсивності, які сприяють виділенню в розплаві газових пухирців і виникненню (при напрузі розряду, що перевищує 40 кВ) двох гідродинамічних зон, відповідно лінійних і нелінійних коливань пухирців.

2. Встановлено, що при ЕГІО металевого розплаву внаслідок інтенсифікації масопереносу, обумовленого пульсацією пухирців, прискорюються процеси: коагуляції газових пухирців, їх спливання, флотації ними неметалевих включень і гомогенізації хімічного складу сплаву, а висока інтенсивність силової дії на розплав (швидкість росту тиску в розплаві більше як 3 кПа /мкс) обумовлює здрібнювання мікронеоднорідностей, збільшення кількості зародків і переохолодження металу, приводить до подрібнення його литої структури. Ефективність таких процесів при поєднанні ЕГІО з введенням в сплав модифікуючих реагентів істотно збільшується.

3. Вперше визначено, що межа зони лінійних коливань газових пухирців в розплаві розповсюджується на відстань в 2 рази більше, ніж нелінійних, та залежить від енергії, що запасається, і змінюється в межах від 75 до 400 мм від осі хвилеводу електророзрядного генератора пружних коливань пропорційно величині енергії, що вводиться, - від 1 до 5 кДж. При цьому оптимальне число імпульсів для ефективної обробки алюмінієвого розплаву повинне бути не менше 200, а сплавів на основі заліза - не менше 600, що пов'язано з різним хвильовим опором металів.

4. Встановлено, що внаслідок зміни умов кристалізації (в алюмінієвих сплавах, що містять від 0,6 до 1,9 % заліза, відбувається зміна морфології до 40 % інтерметалідних фаз (з голчатої на компактну), двократне зменшення розмірів частинок первинного кремнію в евтектиці, що сприяє підвищенню пластичності в середньому на 70 % і міцності – на 10 %. Зниження загальної пористості (в середньому на 60 %) обумовлює підвищення герметичності виливків, що працюють під тиском.

При ЕГІО спеціальних чавунів і сталі включення графіту в чавуні стають більш компактними і розподіляються рівномірно, збільшується дисперсність перліту, досягається підвищення густини литого металу, а в сталі 25Л зменшується кількість неметалевих включень з 6 шт./мм до 3 шт./мм і в 2 рази – їх розмір. В спеціальних залізовуглецевих сплавах – 250Х25НТ, Х12, після ЕГІО формується метастабільний аустеніт, підвищується ступінь легованості матриці дрібними карбідами Ме23С6, відбувається її зміцнення, що приводить до збільшення зносостійкості деталей, які працюють в умовах гідроабразивного зносу.

5. Створено нові технології, які призначено для ЕГІО розплаву в ковші. У тому числі, розроблені: комплексні технології “Флюс + ЕГІО” і “ЕГІО + МЛНТ (машина лиття під низьким тиском)” – для виготовлення виливків з алюмінієвих сплавів, “Модифікування + ЕГІО” – для отримання виливків з ЧПГ і ЧШГ; “Легування + Модифікування + ЕГІО” – для виробництва виливків із зносостійких сплавів.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій базується на фундаментальних закономірностях механіки суцільних середовищ. Теоретичні дослідження проведені з використанням математичних моделей, які адекватно описують електричні і гідродинамічні процеси у джерелі впливу на розплав, застосовано точні математичні перетворення. Теоретичні положення, результати чисельного моделювання та розрахунку параметрів впливу акустичного поля тиску в об’ємі розплаву для визначених режимів ЕГІО задовільно співвідносяться із результатами відомих експериментальних досліджень та таких, які отримані автором. Експериментальні дослідження автора виконані для широкого кола сплавів промислового призначення.

Практична значимість отриманих результатів.

Вперше розроблена і освоєна в дослідно - промислових умовах ливарного цеху на ВАТ “МК Азовсталь” технологія виробництва виливків виливниць для сифонного розливання сталі, яка передбачає застосування технології ЕГІО рідкого передільного чавуну в 15- тонних розливних ковшах. При оптимальних режимах обробки (енергія імпульсу 2,5 кДж, напруга 50 кВ, кількість імпульсів – 900) забезпечено, за рахунок отримання однорідної структури і подрібнення графіту в 1,4 рази, підвищення термоциклічної стійкості виливниць на 70 % .

Вперше розроблена і впроваджена в ливарному цеху Миколаївського заводу змащувального і фільтруючого устаткування (МЗЗФУ) “Конверсія” технологія ЕГІО ливарних алюмінієвих сплавів безпосередньо в накопичувальній печі, з подальшим розливанням металу на машині литва під низьким тиском. При енергії імпульсу 2,5 кДж, напрузі 50 кВ, підвищенні кількості імпульсів до 1200 досягнуто зменшення загальної пористості виливків (в середньому на 60 %), подрібнення макро- і мікроструктури литого металу (в середньому на 35 %). В результаті герметичність виливків зросла з 40 до 47 МПа.

Вперше розроблено і впроваджено в ливарному цеху ВАТ Миколаївського акціонерного глиноземного заводу (МАГЗ) устаткування і технологія ЕГІО високоміцних чавунів. Параметри обробки: енергія імпульсу 2,5 кДж; напруга розряду 50 кВ, кількість імпульсів – 3000, забезпечили отримання виливків деталей насосів для мокрого емульгування пульпи з однорідною структурою, дрібними карбідами Ме23С6 При експлуатації деталей “колесо“ їх зносостійкість підвищилася з 1250 до 5000 годин. Отримано річний економічний ефект 298530,0 карб. (в цінах 1990 р.).

Особистий внесок здобувача.

Теоретичні та практичні розробки дисертації належать авторові особисто. Зі спільних робіт у дисертацію включені результати, виконані автором особисто. У надрукованих зі співавторами статтях [2-4, 14, 15, 29], ним здійснено постановку завдань, розробку фізичних моделей і методик, планування та проведення чисельного моделювання, експериментів, а також аналіз і теоретичне узагальнення наукових результатів за дослідженням процесу перетворення електричної енергії в акустичні хвилі тиску і обробку розплаву хвилеводом ЕРГПК при ЕГІО. У роботах [1, 5-9, 11-13, 16, 30, 31] ним поставлено завдання досліджень, розроблено методики, здійснено планування і проведення експериментів, виконано аналіз і узагальнення наукових результатів з вивчення закономірностей ЕГІО рідких сплавів на основы Fe і Al, визначено оптимальні параметри обробки, встановлено механізми формування структури виливків. У патенті [21] дисертантом висунуто ідею використання і вперше обґрунтовано новий параметр ЕГІО, який керує процесами структуроутворення - сумарне число імпульсів, які витрачено на обробку. У патенті [22] - дисертантом запропоновано нову конструкцію технологічного вузла установки, що дозволяє збільшити ефективність впливу. У патенті [23] - дисертантом уперше запропоновано схему компонування установки моделі “УВ12”, призначеної для технологій нового покоління. Статті [10, 17-19] та патент [20] написані автором самостійно. Інші роботи [24-28, 32-45] пов'язані з промисловою перевіркою, впровадженням та одержанням рекомендацій щодо оптимізації відповідних технологічних процесів і пристроїв.

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на Всесоюзній науково-технічній конференції “Дія електромагнітних полів на пластичність і міцність матеріалів” (Юрмала, 1990 р.); V Всесоюзній конференції “Електричний розряд у рідини і його застосування в промисловості” (Миколаїв, 1992 р.); V1 Міжнародній науково-технічній конференції “Нові конструкційні сталі й сплави й методи їх обробки для підвищення надійності й довговічності виробів” (Запоріжжя, 1995 р.); 11 та 111 наукових школах, а також 1V, V, V1 Міжнародних наукових школах-семінарах “Імпульсні процеси в механіці суцільних середовищ” (Миколаїв, 1996, 1999, 2001, 2005 р.р.); Міжнародному науково-технічному симпозіумі “Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення” (Миколаїв, 1998 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми й перспективи розвитку ливарного виробництва” (Дніпропетровськ, 1999 р.); Міжнародному науково - технічному конгресі “Ливарне виробництво на рубежі сторіч” (Київ, 2003 р.).

Публікації.

Основний зміст дисертації з необхідним ступенем повноти відображено в 45 публікаціях, у тому числі 20 (з них 5 самостійно) у наукових фахових виданнях з технічних наук, затверджених в переліку ВАК.

Структура та обсяг дисертаційної роботи.

Дисертація складається із вступу, семи розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 335 найменувань, 8 додатків, має 349 сторінок машинописного тексту, у тому числі 79 рисунків, 45 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано основні напрямки, мету і завдання наукових досліджень, викладено сутність і стан розв'язуваної наукової проблеми, охарактеризовано наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів, відзначено зв'язок роботи з науковими програмами, зазначено особистий внесок автора та апробацію результатів роботи.

У першому розділі розглянуто сучасні уявлення про характер впливу силових дій на рідкі сплави. Виконано докладний аналіз існуючих гіпотез про взаємозв’язок рідкого і твердого станів металів, а також способів обробки розплаву. Виявлено тенденції розвитку теорії і практичного використання основних способів позапічної обробки розплаву. З позицій сучасних поглядів на рідкий стан, структуру та властивості литого металу проаналізовано їх переваги і недоліки. Акцентовано увагу на відсутність єдиного погляду на механізм впливу імпульсної дії на рідкий метал. Наведено результати аналізу наукових і прикладних аспектів проблеми поглиблення наукових знань про формування і розподіл інтенсивних хвиль тиску в розплаві, створення наукових основ ЕГІО та механізмів ЕГІ дії на метал, визначення оптимальних технологічних режимів обробки сплавів на основі заліза і алюмінію. На цій основі автором сформульовано завдання наукових досліджень і прикладних розробок.

У другому розділі наведено результати теоретичного аналізу процесу перетворення електричної енергії в акустичні хвилі тиску, вплив яких на рідкометалеве середовище забезпечує інтенсифікацію масо- теплообмінних процесів у розплаві, його рафінування та гомогенізацію за густиною і складом на макро- і мікрорівні. В основі механізму дії лежать явища акустичної кавітації, виникнення локальних областей розплаву з високими густинами енергії, зміна просторового розташування атомів у розплаві. Це сприяє збільшенню ступеня рівноваги розплаву і формуванню дисперсної структури при кристалізації та одержанню литих металовиробів з високим рівнем властивостей.

Схема електрогідроімпульсної обробки розплаву наведена на рис. 1. При обробці розплаву генератор імпульсів струму (3) створює у розрядному контурі (7) струм високої напруги Uо ? 50,0 кВ, що підводять до електроду (1) в імпульсному режимі за схемою заряд - розряд конденсаторів ємністю С = (1...4)?10-6 Ф. Акустичні хвилі тиску виникають при пробої розрядного (lр) проміжку (8) між позитивним електродом (1) і торцем хвилеводу (5), закріпленого в мембрані ЕРГПК (4) і передаються в ківш із розплавом (6). Вони

обумовлені розширенням плазми

(температура 40?103 К) у каналі розряду за час t ? 100?10-6с.

Дослідження переміщення мембрани – хвилеводу ЕРГПК [14, 15] виявили, що максимальна амплітуда спостерігається при найбільшому радіусі парагазової порожнини. Збільшення крутості фронту тиску в ЕРГПК приводить до збільшення швидкості й прискорення переміщення його мембрани.

Величина тиску (Рпкр, Па) на поверхні плазмового каналу розряду, що розширюється, склад-ним чином залежить від умов високовольтного пробою [29]. |

Рис. 1. Схема обробки розплаву

Рівняння динаміки каналу розряду включають закон збереження енергії, рівняння електричних процесів у розрядному контурі, співвідношення Рпкр і швидкості розширення плазмового каналу розряду (Vпкр, м/с), формулу Тєта

(1)

(2)

, (3)

(4)

де P тиск плазми в каналі розряду, Па;

- об’єм каналу розряду, м3;

I - сила струму в розрядному контурі, А;

R - опір плазмового каналу, Ом ();

lр – розрядний проміжок, м;

п - питома електропровідність плазми, п=А-1 (-1)-1Р; А = 1,25?105 В2/(м2?с) - іскрова стала; ( ?= 1,25 - ефективний показник адіабати);

r - радіус каналу розряду, м);

L - індуктивність розрядного контуру, Гн;

С – емність конденсаторів, Ф;

Uп – напруга пробою каналу розряду, м;

?о- об’єм електророзрядного генератора пружних коливань (ЕРГПК), м3;

Со – швидкість звуку у воді, м/с;

Рд – квазістатичне стиснення води, витиснутої каналом розряду, Па;

о (…) – функція Хевісайда;

lо – характерний розмір ЕРГПК, м.

За допомогою системи рівнянь було розраховано для критичних режимів, наведених у таблиці 1, динаміку розширення стінок плазмового каналу розряду (Vпкр ).

Таблиця 1

Критичні режими обробки розплаву

Номер режиму | Напруга, кВ | Ємність, мкФ | Індуктивність, мкГн

1 | 20 | 10 | 10

2 | 20 | 10 | 2

3 | 50 | 2 | 5

4 | 20 | 50 | 2

5 | 40 | 10 | 10

Чисельним моделюванням встановлено, що максимальні значення Vпкр дорівнюють 350 та 400 м/с (рис. 2) та забезпечуються при напрузі від 40 (№5) до 50 кВ (№3) [1]. Із цього виникає перший критерій ефективної ЕГІО розплаву: висока напруга на конденсаторах генератора імпульсів струму (ГІС) - велика інтенсивність розвитку плазмового каналу розряду. Пікові значення Рпкр на рис. 3 досягають значень 260 МПа (режим №5, табл. 1) і 340 МПа (№3), що відповідає більшим значенням Vпкр, на рис. 2. Порівняння кривих № 3 (Wо = 2,5 кДж) і № 4 (Wо = 10 кДж) на рис. 3 підтверджує вірогідність першого критерію ефективної обробки. Його дотримання дозволяє досягти більших значень Рпкр при ЕГІО з меншою енергією Wо.

Ці результати дозволяють виділити другий критерій ефективної реалізації способу ЕГІО – більша швидкість розвитку плазмового каналу викликає високий тиск на його поверхні.Тиск на торці хвилеводу, зануреному в розплав (Р2), дорівнює

(5)

де Рє - ефективний тиск на торці хвилеводу в ЕРГПК, Па, , (r та rо - радіуси каналу розряду і хвилеводу, м);

Со - швидкість звуку у воді, м/с;

k1 = 2 Z20 / (1+Z10)(1+Z20), k2 = [(1-Z10) / (1+Z10)][(1-Z20) / (1+Z20)], Zі0 = iСi / 0С0, і =1, 2;

“0” - параметри хвилеводу;

“1” - параметри середовища з боку падаючої хвилі;

“2” - параметри розплаву.

На рис. 4 наведено динаміку тиску на торці хвилеводу, зануреному в розплав. Час розряду пропорційний (LC)-1, тому висока миттєва потужність (що досягається при низьких L й C) і, відповідно, низькоенергоємна й ефективна обробка розплаву в ковші забезпечується при мінімальному значенні “t”, тобто, при високошвидкісному режимі перетворення енергії в ЕРГПК. Ці результати дозволяють виділити третій критерій ефективної реалізації способу ЕГІО розплаву - високий тиск в розплаві реалізується при

використанні високоенергетичних і високошвидкісних режимів пере-творення енергії в каналі розряду при ЕГІО.

Слід зазначити, що максимальний тиск у хвилі стиснення на торці хвилеводу ЕРГПК на 11 % відрізняється від експериментальних даних, отриманих Б. І. Бутаковим з використанням методу Гопкінса. Це свідчить про коректність прийнятих у моделі допущень.

Поздовжні хвилі тиску, розповсюджуючись по хвилеводу, досягають його торця, переміщення якого в розплаві викликає випромінювання хвиль тиску в метал. Розплав являє собою неоднорідне середовище, що містить пухирці газу. При обробці це приводить до поглинання хвиль, що дозволяє не враховувати

явище відбитих хвиль у промислових ковшах при ЕГІО і розглядати задачу випромінювання для безмежного об’єму розплаву. Для торця хвилеводу ЕРГПК поле тиску у довільній точці розплаву можна розрахувати з такої залежності [2-4, 29]

(6)

де Со - швидкість звуку в розплаві, м/с;

rо – радіус волноводу, м;

rа, z - циліндричні координати, м;

t, - поточний час, с;

?о (...) - функція Хевісайда.

Взаємодія нестаціонарної акустичної хвилі тиску (Р) з пухирцем газу (радіусом R) приводить до його пульсації, що у загальному виді описується рівнянням [29]

, (7)

де ж – густина ріднини.

Для тиску P(r,t), що випромінюється пульсуючим пухирцем у розплав, запишемо рівняння [2]

. (8)

Рівняння (1) - (8) вирішувалися чисельними методами. Інтегрування рівнянь каналу розряду і коливань пухирця проводилося методом Рунге - Кутта, коливань хвилеводу – за різницевою неявною тришаровою схемою, хвильове рівняння - за явною тришаровою схемою “хрест”. Аналіз швидкості () коливання поверхонь сфер залежно від їхнього радіуса, виконаний по фазових діаграмах пульсації газового пухирця [29], показав, що при ЕГІО крім лінійних виникають і нелінійні коливання пухирців.

Установлено, що режими №4, №5 (таблиця 1) характеризуються наявністю нелінійних пульсацій поряд із торцем хвилеводу. Згідно з ефектом Бьеркнеса між пульсуючими пухирцями виникають сили взаємодії [2]. При цьому синфазні коливання приводять до взаємного притягання, а протифазні - до відштовхування пульсуючих сфер. Зазначений ефект виявляється при гармонійних коливаннях і пропорційний амплітуді коливань. Відповідно до закону Стокса злиття пухирців приводить до істотного прискорення їхнього спливання. Це прискорює процес дегазації, інтенсифікує перемішування, знижує градієнти температури, гомогенізує розплав за густиною і складом. Крім того, спливаючі пухирці, захоплюють за собою неметалеві включення, що сприяє рафінуванню розплаву.

Після проходження хвилі стиснення іде стадія розрядження та створюються умови для виділення розчиненого в розплаві газу в мікропорожнини, що утворилися. Сказане відноситься до лінійних гармонійних коливань і підтверджується результатами практичного використання ЕГІО розплаву з метою його дегазації [29, 36. 39, 44]. При нелінійних коливаннях пухирця в тій фазі, яка відповідає його мінімальному радіусу, прискорення стінок виявляється досить істотним, що приводить до випромінювання імпульсу тиску малої тривалості та великої амплітуди. Це сприяє подрібненню пухирців і збільшенню їх кількості. Таким чином, якщо в зоні лінійних коливань можна чекати укрупнення пухирців, то в зоні нелінійних коливань - напроти, подрібнення і збільшення їх кількості. Цей результат можна класифікувати як четвертий критерій ефективної ЕГІО розплаву.

Дослідженнями швидкості пульсації (Vпульс.) газового пухирця залежно від відстані по радіусу від осі хвилеводу, проведеними із застосуванням методу чисельного моделювання визначено, що межа зони лінійних коливань газових пухирців в розплаві розповсюджується на відстань в 2 рази більше, ніж нелінійних, та залежить від енергії, що запасається, і змінюється в межах від 75 до 400 мм від бічної поверхні ЕРГПК.

Для забезпечення ефективної ЕГІО сплавів промислового призначення було вирішене прикладне завдання та визначено стійкість хвилеводу ЕРГПК для двох крайніх (за температурою оброблюваного розплаву) випадків. Визначено, що при ЕГІО сплавів з температурою плавлення меншою, чим температура плавлення хвилеводу (алюміній - сталь), лімітованим є процес фізико- хімічного розчинення хвилеводу [3]. Ступінь розчинення хвилеводу в алюмінієвому розплаві мало залежить від глибини його занурення. При ЕГІО сплавів з температурою плавлення, яка порівнюється з температурою плавлення хвилеводу (сталь - сталь), лімітованим є процес плавлення хвилеводу [4]. Порівняння результатів чисельного моделювання з експериментальними даними підтвердило, що вони розрізняються на величину від 7 до 15 %, що свідчить про коректність запропонованих моделей [3, 4] та вірогідність отриманих результатів.

Чисельне моделювання за допомогою рівнянь (1) - (8) дозволило встановити чотири критерії ефективної реалізації способу ЕГІО розплаву: більша швидкість розширення плазмового каналу розряду, збільшення тиску на його поверхні, підвищення рівня тиску в розплаві біля хвилеводу за рахунок зменшення індуктивності і ємності, організація зони нелінійних пульсацій газових пухирців і формування розподілених в об’ємі розплаву додаткових імпульсів тиску малої тривалості та великої інтенсивності. Таким чином, зроблено висновок про те, що головними факторами, які лімітують рівень акустичного тиску в розплаві та наявність зони інтенсивної обробки, є висока напруга, що генерується при ЕГІО, і мінімальна індуктивність розрядного контуру. Вперше показано, що електрогідроімпульсна дія на метал приводить до утворення в ньому хвиль стиснення-розтягування високої інтенсивності, які сприяють виділенню в розплаві газових пухирців і виникненню (при напрузі розряду, що перевищує 40 кВ) двох гідродинамічних зон, відповідно лінійних і нелінійних коливань пухирців (швидкість росту тиску в розплаві більше за 3 кПа/мкс).

Інтенсифікація тепло- та масопереносу у рідкому металі, при електрогідроімпульсній дії на ного, обумовлена проявом ефекту Б’єркнеса, згідно з яким газові пухирці, що коливаються в полі тиску синфазно, – притягуються, а протифазно – відштовхуються. Можливості інтенсифікації обмінних процесів у промислових об’ємах розплаву обмежені зоною поширення акустичного поля тиску помірної інтенсивності. У практичному плані такий підхід визначає основи механізму впливу і спосіб компонування технологічних пристроїв для ЕГІО розплаву. При цьому для ковшів вмістом від 10 до 800 кг металу (m) повинне виконуватися співвідношення (0,0064m+1,703) Wo (0,0026m+0,785). Межа зони лінійних коливань розповсюджується на відстань в 2 рази більшу, ніж нелінійних коливань газових пухирців, причому додатковий тиск за межами зони лінійних коливань рівняється нулю, що пов'язано з енергетичними втратами.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень з визначення базових технологічних режимів ЕГІО розплаву на модельному сплаві. Розроблена концепція та загальна методична структура експериментальних досліджень, яка забезпечила підтвердження вірогідності виконаних теоретичних розробок наукових основ (другий розділ) ЕГІО розплаву на основі заліза та алюмінію.

Методичний підхід. Керування режимом ЕГІО, зокрема, можна забезпечити зміною величини енергії Wо. Експериментально показано, що при постійній енергії навіть незначні дози акустичного впливу (наприклад, 30 розрядів при енергії Wо=1,25 кДж) на розплав можуть вплинути на структуру виливка. На цій підставі, з урахуванням результатів теоретичних досліджень, у роботі був запропонований інтегральний показник - сумарне число імпульсів ЕГІО, витрачених на обробку розплаву. Цей параметр (n = f•t) враховує, як час (t), так й інтенсивність впливу (частоту розрядів, f).

Багатофакторний експеримент було виконано на модельному сплаві Розе [30]. Хімічний склад: Bi – 53 %, Pb - 32 %, Sn – 15 % (ТУ6-09-4065-88), температура плавлення 96 оС. З діаграми Pb-Bi- Sn виходить, що сплав з 53 % Bi близький до евтектичного складу. Це дозволило інтерполювати отримані результати на сплави евтектичного типу.

Вплив енергії розряду – першого базового технологічного параметра обробки. Для визначення впливу величини Wо при ЕГІО розплаву на структуру литого сплаву Розе (маса 1 кг) його переплавляли в електропечі опору, оснащеній хромель- алюмелевою термопарою. Температура розплаву – 120 С, температура кокілю, в який заливався метал – 90 С. Енергію Wо = СUо2/2 по черзі змінювали за рахунок напруги (Uо) або ємності конденсаторів (С). Експерименти проведені при Wо 1,25 кДж, Uо 50 кВ, С1 мкФ. Зі збільшенням напруги при ЕГІО розплаву в литому металі зменшується площа макро- (від 32 до 3 0,1 мм2) і мікрозерна (від 0,8 до 0,20 0,03 мкм2) і досягає мінімального значення при напрузі Uо = 50 ±5 кВ (Wо = 1,25 кДж). Ілюстрації структури сплаву Розе показано на рис. 5.

а

(Вихідний, х50) | б

(Дослідний, х50) | в

(Вихідний, х250) | г

(Дослідний, х250)

Рис. 5. Структура сплаву Розе :

а, б – макроструктура; в, г- мікроструктура.

Показано, що для умов, у яких Wо змінюється як за рахунок варіювання напруги (9), (11), (13), так і ємності конденсаторів (10), (12), (14), більш ефективна висока напруга (50 ± 5 кВ)

Sмікро, (), відн.= , R2 = 0,9174, (9)

Sмікро, (С), відн.= R2 = 0,9175, (10)

Sмакро, (С), відн.= R2 = 0,9702, (11)

Sмакро, (), відн. = R2 = 0,8511, (12)

ЗПвідн., ()= R2 = 0,8736, (13)

ЗПвідн., (С)= R2 = 0,8984, (14)

де Sмакро, Sмікро - відносна (дослідний/вихідний метал) площа макро- і мікрозерна;

ЗПвідн. - відносна загальна пористість;

R2 – вірогідність апроксимації.

Здрібнювання структури литого металу, а також зменшення загальної пористості від 1,6 до 1 % є підтвердженням теоретичних положень, наведених у розділі 2, і критеріїв, що теоретично обґрунтовують ефективну реалізацію способу ЕГІО розплаву. Концепцію ефективного перетворення енергії в системі “ЕРГПК – розплав” підтверджує збільшення кількості мікрозерен на 9•103 шт. /100 мкм2 при зміні Uo від 40 до 50 кВ.

Вплив частоти (1 ? f? 10 імп./с) на структуру. У дослідному металі здрібнювання макро - і мікрозерна в 1,5 рази спостерігається, починаючи з f = 1 імп. / с. Максимальний ступінь здрібнювання макро - і мікрозерна (в 4 рази) спостерігається при f = 3 імп./с. При цій частоті загальна пористість зменшується в 1,5 рази. Подальше збільшення частоти до 10 імп./с приводить до підвищення загальної пористості в 1,5 рази. Вплив частоти на рівень звукового тиску в розплаві вивчали з використанням апаратури фірми "Брюль і Кьєр". Гідрофон типу 8103 (діапазон робочих температур від мінус 40 до плюс 120 С) занурювали у розплав на період ЕГІО. Сигнал з гідрофона надходив на підсилювач і записувався на магнітофоні 7005. Максимальні рівні тиску в розплаві та відповідні їм режими ЕГІО наведено в табл. 2. Загальна тенденція - з підвищенням f (при постійній енергії) амплітуда звукового тиску в розплаві зростає. Максимальний рівень тиску в розплаві спостерігається при f = 9 імп./с (Wо = 0,6 кДж) і f = 3 імп./с (при Wо = 1,25 кДж). Збільшення Wо, при ЕГІО з f = 3 імп. /с, приводить до зменшення частоти, для якої досягається максимальний рівень тиску 122 Дб, у спектральній характеристиці від 3 до 0,2 кГц, у розплаві.

Отримані результати характеризують зміну стану розплаву при різних Wо й f, а також визначають ефективний напрямок зниження енергоємності обладнання для ЕГІО. Це зменшення Wо за рахунок ємності (при високому Uо) при підвищенні частоти.

Таблиця 2

Максимальні рівні тиску в розплаві

Максимальний звуковий тиск у розплаві, дБ | Параметри дії

f, імп./с | Wо, кДж

91 | 1 | 0,6

96 | 3 | 0,6

122 | 9 | 0,6

122 | 3 | 1,25

Вплив часу обробки. Макро - (в 1,4 рази) і мікрозерна (в 1,2 рази) подрібнюються вже після 10 с обробки розплаву. Зі збільшенням часу ЕГІО до 60 с їхні розміри зменшуються в 4 рази. Загальна пористість зменшується в 1,5 рази після 30 секунд ЕГІО. При збільшенні часу дії ефект не змінюється.

Вплив інтегрального показника “n” на структуру. Установлено, що після ЕГІО розплаву числом імпульсів n = 30 імп. макро- (на 30 %) і мікрозерна (на 20 %) подрібнюються. Таким чином, навіть незначні дози дії впливають на структуру литого металу. Зі збільшенням “n” до 180 імп. кристалічна структура подрібнюється в 4 рази. Загальна пористість досягає свого мінімального значення вже при n = 90 імп. Результати експериментальних досліджень (Wо = 1,25 кДж, Uо = 50 кВ, С = 1 мкФ, f = 3 імп./c, t= 60 с) були апроксимовані наступними рівняннями

, (15)

, (16)

при n від 0 до 180 імп, R2 = 0,8311. (17)

При вивченні впливу інтегрального показника “n” (30 ? n ? 600 імп.) на умовно – істотну рідкотекучість вимірялася довжина прутка, отриманого в каналі віскозиметра діаметром 60,1 мм (проба Нехензі - Самаріна). Експерименти при постійному перегріві розплаву показали, що залежність рідкотекучісті від величини n (при оптимальних параметрах ЕГІО Wо = 1,25 кДж, t = 60 с) має екстремальний характер. Якщо n = 30 імп., рідко- текучість збільшується на 8 %, при n = 60 імп. – на 15 %, при n = 180 імп. (оптимальний режим) – на 20 %. При n = 600 имп. рідкотекучість зменшується на 30 %, що пов'язано з зниженням температури розплаву.

З урахуванням експериментів на сплаві Розе інтегральний показник “n” було прийнято як другий базовий технологічний параметр.

У розділі 4 наведено результати досліджень з визначення оптимальних параметрів технології ЕГІО розплаву сплавів алюмінієвих ливарних (ДСТУ 2839-94), що забезпечують одержання виливків із заданими структурою й властивостями [1, 9, 30, 35]. Для визначення єдиного підходу до вибору технологічних режимів, як базові об'єкти обробки, взято сплави доевтектичного складу (АК7ч, 7 % Si; АК9ч, 9 % Si), складу, близького до евтектичного (АК12ММгН; 11,6 % Si), і заевтектичного складу (АК21М2,5Н2,5; 21 % Si). Дослідження проводили методом порівняльного аналізу якості отриманих виливків, із вихідного та дослідного металу (20 кг), однієї й тієї ж плавки. Ступінь дегазації розплаву оцінювалася за зміною величини загальної пористості в литому металі.

На сплаві АК7ч проводилася оцінка впливу температури розплаву (при енергії Wо =1,25 кДж, часу t = 60 c, частоті f =3 імп./с) на ефективність дії ЕГІО розплаву на характеристики структури: довжину часток Si (LSi) в евтектиці ?(Аl)+Si, загальну пористість (ЗП), об’єм компактних інтерметалідних фаз (Vк. інтерм.), а також властивості литого металу, рис. 6. Тут і далі ВПЯ - відносний показник якості оцінюваного параметра (дослідний/вихідний). З ростом температури нагрівання розплаву з 765 до 780 С показники якості дослідного металу покращилися.

Рис. 6. Вплив перегріву

У той час перегрів розплаву до температури (790 С), що перевищує оптимальну (для досліджуваного сплаву це 740 С), негативно позначався на характеристиках структури (крім мікрозерна) і спричиняв зниженню механічних властивостей сплаву АК7ч. Також установлено, що розмір мікрозерна, у дослідженому діапазоні температур, від ступеня перегріву не залежить.

Вплив енергії (Wо). Ступінь подрібнення кристалічної структури в сплаві АК7ч характеризується залежностями, які мають характер кривих, показаних на рис. 7, з оптимумом у діапазоні від 1,25 до 2,5 кДж. За сукупністю позитивних змін (максимальний ступінь подрібнення структури та мінімальна загальна пористість) у литому металі визначено оптимальну енергію Wо = 2,5 кДж. Зі збільшенням Wо до 3,75 кДж загальна пористість продовжує зменшуватися, а ефективність подрібнення структури литого металу знижується.

Проаналізуємо тепер з позицій кластерної будови розплавів залежність розмірів макро- і мікрозерна від енергії. Зі зростанням Wо розмір кластерів, у межах яких зберігається впорядковане розташування атомів, і які є ймовірними місцями появи зародків кристалізації, зменшується. Їх кількість - зростає. Це приводить до подрібнення зерна, як на макро -, так і на мікрорівні, чому відповідає спадна ділянка кривих на рис. 7. Однак при великій (для даного об’єму розплаву) енергії