книги из ГПНТБ / Повх, И. Л. Магнитная гидродинамика в металлургии

течения выходное отверстие желоба перекрывали и про­ изводили быстрое замораживание струн. Из заморожен­ ных струй по длине рабочей зоны вырезали поперечные шлифы.

ны образца шлака, разлитого с электромагнитным утя­

150

Средняя часть потока представляет собой осветленный флюс (KCl+NaCl) с незначительным содержанием ме­ таллического алюминия ( 4 % ) и окислов (2—3%).Для сравнения на рис. 69 приведены зависимости, характери­ зующие распределение алюминия и окислов по высоте

.потока шлакового расплава, разливаемого без электро­ магнитного утяжеления.

Таким образом, исследования показали, что МГД-се- ■парация солевых шлаков может служить эффективным способом извлечения из расплавленных шлаков не толь­ ко свободного алюминия, но и окислов. Важным преи­ муществом этого процесса является также возможность осветления флюса и его повторного использования в производстве.

Помимо описанного способа извлечения металла из шлаков, возможно использование для этих целей бегу­ щего магнитного поля [104, 105].

Глава V

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Для получения отливок с требуемыми служебными и технологическими свойствами необходимо управлять процессом их формирования. Наряду с обычными техно­ логическими приемами, направленными на получение бездефектных отливок, в последнее время все более ши­ рокое применение находят способы активного воздейст­ вия. Поскольку наибольшее количество дефектов отли­ вок возникает при их затвердевании, большинство спо­ собов активного воздействия направлено именно на эту стадию формирования отливок.

Многочисленными исследованиями установлено, что на формирование первичной структуры металла боль­ шое влияние оказывает движение жидкого металла.

При использовании этого явления проблема управле­ ния процессом кристаллизации может быть сведена к решению двух задач: 1. Какое движение (поле скоро­ стей, структура потока, давление) надо создавать в жид­ ком металле для получения заданной кристаллической

151

структуры? 2. Как и какими средствами организовать эти потоки в жидком металле?

Первую задачу начали решать давно. Еще Д. К. Чер­ нов писал, что «... если при отливке стали в изложницу эту последнюю ..приводить в 'быстрое вращательное дви­ жение, тогда растущие нормально к поверхности излож­ ницы разрывные кристаллы не в состоянии будут так сильно развиваться, как это имеет место при спокойном росте, и сталь будет нарастать гладкими, аморфного сложения слоями» [164].

Знаменитые опыты Д. К. Чернова по центробежной отливке стальных стволов положилиначало примене­ нию различных методов воздействия, таких как враще­ ние и тряска изложницы с помощью крана, механиче­ ская низкочастотная вибрация, ультразвуковая обработ­ ка и электромагнитное перемешивание.

Дальнейшее развитие идеи Д. К. Чернова получили в работах Г. Ф. Баландина [106], Б. Чалмерса [107] и других исследователей.

Выполненные исследования являются лишь первым шагом в нахождении законов движения жидкого метал­ ла, управляющих процессом кристаллизации. Решение этой задачи — одна из первоочередных проблем метал­ лургической науки.

Вторая задача имеет более благоприятное состояние, так как в настоящее время разработано значительное количество электромагнитных способов воздействия, позволяющих организовать разнообразные виды движе­ ния жидкого металла. Теоретически глубоко иссследованы вопросы физики МГД и электромагнитных явлений, а также выполнены обширные проектно-конструкторские разработки различных электромагнитных устройств.

2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ В СКРЕЩЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ

Основные явления, обусловленные электромагнитны­ ми силами. Влияние МГД явлений на процесс кристал­ лизации в скрещенных электрическом и магнитном по­

Re2

ношение между электромагнитными объемными силами,

152

возникающими лри взаимодействии подведенного элект­ рического тока с внешним магнитным полем, и инерци­ онными силами. Критерий определяет роль перемешива­ ния, происходящего за счет электромагнитных сил.

Роль перемешивания металла, возникающего за счет вторичных электромагнитных объемных сил, оценивает-

при взаимодействии индуцированных токов с внешним магнитным полем.

влияние на процесс теплообмена джоулева тепла, выде­ ляемого в металле кондуктивно подведенным и индуци­ рованным током.

Как видно из уравнения движения, в затвердевшем металле, помимо тепловой конвекции, возникает элект^ ромагнитная конвекция. Поскольку индуцированные в металле токи, по крайней мере, на порядок меньше при­ ложенных, то, по-видимому, основную роль играет кон-

что без учета перемешивания за счет вторичных элект­ ромагнитных сил условие преобладания электромагнит­ ной конвекции над тепловой будет при HaN>Gr.

Для исключения влияния джоулевой диссипации энергии основного тока на конвективно-теплопроводный перенос в металле (при предположении, что вязкая диссипация и джоулева диссипация энергии индуциро­ ванных токов малы по сравнению с джоулевой диссипа­ цией энергии основного тока) необходимо соблюдать ус-

В качестве примера, иллюстрирующего влияние МГД явлений на теплообмен в стальном слитке, вычис­ лены основные критерии и их комбинации для стальной плиты шириной 0,4 м. Расчет скорости конвективных потоков и других параметров при кристаллизации ука­ занного слитка в обычных условиях выполнен в работе [108]. При расчете критериев подобия процесса кристал­ лизации при наличии электромагнитных объемных сил полагаем, число Рейнольдса естественной конвекции не­ изменным.

153

Анализ численных значений критериев подобия по­ зволяет сделать вывод, что при наличии электромагнит­ ных сил определяющую роль в .процессе массо-теплопе- реноса может играть электромагнитная конвекция.

Экспериментально п о к а з а н о ч т о интенсивное кон­ вективное движение за счет электромагнитных сил спо­ собствует выводу растворимых примесей в прибыльную часть слитка.

При подавлении естественного конвективного движе­ ния электромагнитными силами растворимые примеси равномерно распределяются по всему объему слитка.

При выбранном значении электрического тока джоу­ ле©а диссипация энергии основного тока значительно превышает вязкую диссипацию.

Очевидно, что для исключения или уменьшения влия­ ния джоулева тепла на тепло-перенос в случае ввода электрического тока непосредственно в тело отливки, технологически необходимое значение ЭМОС следует

1 3 а в г о р о д н и й П. Ф. Исследование гидродинамики и массопереноса в кристаллизующемся слитке. Автореф. канд. дне. Минск, 1972.

154

обеспечивать за счет увеличения магнитной индукции при допустимых величинах плотности тока. В случае ввода электрического тока в прибыльную часть отливок джоулева диссипация играет полезную роль, улучшая условия питания отливки при затвердевании.

Таким образом, при электромагнитном воздействии на расплав скрещенными электрическим и магнитным полями в расплаве возникают следующие основные яв­ ления:

— повышается давление и, следовательно, улучшают­ ся условия питания отливки; кристаллизации идет под избыточным давлением;

— прибыльная часть подогревается джоулевым теп­ лом, что приводит к улучшению условий подпитки кри­ сталлизующегося металла;

— происходит направленная циркуляция расплава, обеспечивающая интенсивный конвективный тепло-мао- соперенос.

Теоретически и экспериментально задача о распре- - делении давления жидкости и электромагнитных сил в формах прямоугольного и круглого сечений рассмотрена в работах1 [44, с. 131 и 139].

Если предположить, что свойства расплава по объе­ му формы однородны, распределение электрического то­ ка в контактных площадках равномерное, движение рас­ плава не учитывается, то методом Фурье можно полу­

1 Щ е л у х и н Е. М. Исследование влияния скрещенных электри­ ческого и магнитного полей па формирование отливок. Автореф. канд. дне. Донецк, 1969.

155

По

Рнс. 70. Схема электромагнитного воздействия при форме прямоугольного сечения

где

ЭМОС ,по координатным осям.

Вчастном случае при равных контактных площадках

ипри расположении их на одинаковом расстоянии от нижней и 'боковой сторон получим

оосо

157

Для цилиндрической отливки (рис. 71) выражение для потенциала имеет следующий вид:

п л

ООсо /,

158

/ m^J±JL pj — модифицированная функция Бесселя пер­

вого рода порядка т.

Рнс. 71. Схема электромагнитного воздействия при цилиндрической форме

В случае равных контактных площадок и располо­ жении их на одинаковой высоте (ф1= ф 2 =фо; НХ= Н2 —

= H';6=ho/r0\ £'=Я /г„):

159