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

диализе установлено, что электромагнитное воздействие приводит к более равномерному и.тонкому распреде­ лению феррита, в то время как в обычном металле име­ ют место сравнительно грубые выделения феррита.

Известно, что такому строению структуры соответ­ ствует более высокая .прочность и вязкость литого ме­ талла.

Улучшение кристаллической структуры металла при­ водит к повышению его механических свойств в литом и термообработанном состоянии. Предел прочности ме­

лей аустенитного класса показывает, что они в большей мере подвержены различным дефектам, чем отливки из сталей перлитного класса.

Наиболее распространенным пороком отливок из ■аустенитных сталей являются дефекты усадочного про­ исхождения. Это явление объясняется тем, что аусте­ нитные стали при температурах, 'близких к температуре ликвидуса, имеют высокую вязкость, а при температу­ рах, близких к температуре солидуса, в них интенсивно развивается усадка. Кроме того, эти стали не имеют фазовых превращений. Поэтому большинство техноло­ гических приемов, хорошо зарекомендовавших себя при производстве перлитного литья, оказываются совер­ шенно непригодными при производстве отливок из ау­ стенитных сталей.

Поэтому в данной области литейного производства все большее применение находят различные методы активного воздействия на процесс первичной кристал­ лизации, такие как механическая вибрация, литье под давлением, ультразвук.

Наиболее трудно воздействовать на процесс кристал­ лизации фасонных отливок, изготовляемых методом литья по выплавляемым моделям. Это объясняется тех­ нологическими "особенностями данного вида литья — ■прокалкой и нагревом формы перед заливкой.

Одним из возможных и целесообразных, как с техно­

1170

логической, так и с конструктивной точек зрения, пу­ тей управления «процессом кристаллизации фасонных отливок из аустенитных сталей является воздействие на

ковой форме делали два выпора. После установки опоки

Рис. 81. Схема установки опоки с

той 60 мм и сечением в средней части 26 мм. Геометри­ ческие размеры пластин выбирали таким образом, что­ бы при наличии зон с затрудненным питанием была обеспечена возможность изготовления из пластин об­ разцов для проведения металлографических исследо­ ваний, .механических испытаний и определения плот­ ности.

Металлографическим анализом обработанных и контрольных пластин установлено, что электромагнит­ ное воздействие приводит к существенному уменьшению

171

или полному устранению микродефектов усадочного происхождения, а также к изменению дендритного строения. В контрольных отливках имеет место ярко выраженная дендритность строения с видимыми микропорами. При исследовании микроструктуры обработан­ ных и контрольных отливок разницы не обнаружено.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что электромагнитная обработка отливок простейшей формы из стали 1Х18Н9Л улучшает физическую однородность металла, уменьшает или полностью устраняет усадочные макродефекты и повышает прочностные и пластические свойства металла. Увеличивается плотность металла в верхней и средней частях отливок. Нижние части отли­ вок практической разницы в плотности не имеют, что объясняется концевым эффектом, увеличивающим в обоих случаях скорость кристаллизации отливок.

Изменение дендритного строения отливок, подверг­ нутых электромагнитному воздействию, может быть объяснено перемешиванием металла. Однако интенсив­ ность перемешивания, по-видимому, была недостаточной для ощутимого измельчения макрозерна.

Дальнейшее изучение влияния скрещенных электри­ ческого и магнитного полей проводили на фасонных от­ ливках, широко используемых в промышленности [26, с. 55]. Для этих целей были выбраны две тонкостенные отливки сложной конфигурации из стали 1Х18Н11БЛ и сплава ЭИ268. В отливках имелись узлы с затруднен­ ным питанием, а конфигурация .прибыли приводила к неоднородности электрического поля.

Электрический ток в обоих случаях подводили к прибыльной части, которая у первой отливки имела ци­ линдрическую форму, а у второй — шаровую.

В обоих случаях ввиду неоднородности электрическо­ го и магнитного полей можно ожидать более интенсив­ ного перемешивания расплава, чем в прямоугольных пластинах.

Металлографические исследования отливок из стали 1Х18Н11БЛ, затвердевавших при обычных условиях, показали наличие возле патрубков рыхлот и раковин (рис. 82,а). В отливках, затвердевавших при электро-

172

магнитном воздействии, рыхлоты и раковины отсутст­ вуют (рис. 82,6).

Кроме того, при исследовании установлено, что у

•опытных отливок в верхней и средней массивных частях наблюдается измельчение макрозерна но сравнению с отливками, затвердевающими без электромагнитного воздействия.

Электромагнитное воздействие на отливки из сплава ЭИ268 привело к устранению пористости в ступице

(рис. 83).

Наблюдаемые у некоторой части обычных отливок трещины в верхней части ступицы или в тонких сечени­ ях у отливок, подвергнутых электромагнитному воздей­ ствию, отсутствуют.

Исследование микроструктуры отливок, кристалли­ зовавшихся в скрещенных электрическом и магнитном полях, показало, что микрозерно отливок измельчено. Величина микрозерна в этом случае может быть оценена тремя баллами по стандартной шкале ГОСТ 5939—65, в то -время как микрозерно обычных отливок оценива­ ется одним баллом.

Поскольку детали, изготовленные из отливок (сталь 1Х18Н11БЛ), эксплуатируются при повышенном давле­ нии, представляло интерес выявить их работоспособность в этих условиях. С этой целью отливки, затвердевавшие

•при электромагнитном воздействии, и обычные отливки были подвергнуты гидроиспытаниям.

Шесть опытных отливок успешно выдержали давле­ ние 45 кгс/см2, в течение 20 мин. При испытаниях кон­ трольных отливок у двух было обнаружено нарушение

методом литья по выплавляемым моделям.

Следует обратить внимание на то, что электромаг­ нитное воздействие скрещенными электрическими и магнитным полями может осуществляться на отливки различной конфигурации, изготовляемые из разных ме­ таллов и сплавов. Эффективность воздействия в каждом конкретном случае обеспечивается подбором соответ­ ствующих значений электрического и магнитного полей, длительностью и направленностью воздействия.

174

Для электромагнитного воздействия можно исполь­ зовать также вибрацию, создаваемую, при пропускании через прибыль .переменного тока [111, Г68] .

При использовании переменного тока 1000А про­ мышленной частоты и времени воздействия 2 мин на от­ ливку (см. рис. 82) из стали 1Х18Н11БЛ также получено измельчение зерна во всех сечениях отливки. Установ­ лено некоторое повышение плотности металла.

Кроме того, применение электромагнитной вибрации при частоте 50 Гц и 67 кЛц, помимо общего повышения плотности металла, приводит к выравниванию плотно­ сти по высоте отливки.

Следует отметить, что электромагнитная вибрация металла может быть осуществлена как при контактном,' так и при бесконтактном вводе электрического тока в металл, а также при контактном вводе постоянного или переменного тока и использовании переменного маг­ нитного поля.

МГД-явления имеют также место при электросварке [112]. Электромагнитные силы в сварочной ванне воз­ никают за счет взаимодействия тока дуги с собственным или приложенным магнитным полем. Движение металла, вызванное этими силами, оказывает существенное вли­ яние на процесс формирования сварного шва и его структуру. -

Скрещенные электрическое и магнитное поля ис­ пользуют также при кристаллизационном процессе очист­ ки металлов , фНЗ]. В этом случае электромагнитное воздействие на расплав способствует отводу примесей от фронта кристаллизации, улучшая степень очистки, и приводит к получению однородной структуры металла.

3.КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ В БЕГУЩЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Внастоящее время существует множество предло­ жений о .применении бегущего магнитного поля для управления процессом кристаллизации отливок и слит­ ков. Устройства, создающие бегущее магнитное поле,

могут быть использованы как при непрерывном литье, так и для воздействия на стационарный слиток или от­ ливку [114]. В указанной литературе, как правило, содержится только описание способов и устройств. Остановимся на некоторых результатах технологических исследований.

175

Бегущее магнитное поле применяли для воздействия на процесс кристаллизации стального слитка [115]. Изложницу изготовляли из немагнитной листовой ста­ ли 1Х18Н9 и футеровали песком. Сечение полости сос­ тавляло 120X40 мм п,ри глубине 1500 мм. Изложница помещалась между статорами, которые питались током в 4000А промышленной частоты. Электромагнитное воз­ действие осуществляли с начала заливки формы ме­ таллом, время воздействия равнялось 15—65 с.

Для первого этапа кристаллизации, когда имеет место перегрев металла в центральной зоне, изучали влияние бегущего магнитного поля на рост корочки. Установлено, что при его воздействии на слиток в ин­ тервале от Г5 до 60 с рост корочки происходит почти в два раза медленнее, чем :в обычных условиях.

Кроме того, исследовали влияние величины электро­

твердения в первоначальный момент процесса, когда за счет интенсивного перемешивания расплава скорость роста коронки уменьшается. Затем после накопления достаточного количества обломков кристаллов в осевой части идет быстрое объемное затвердевание металла.

Установлено, что при воздействии бегущим магнит­ ным полем на стальной слиток оптимальное значение электромагнитной силы, отнесенной к единице объема, должно составлять не менее чем 3 -104 Н/м3 [116].

Устройства бегущего магнитного поля в различных конструктивных вариантах используются при зонной кристаллизации металлов '[113, 117, 118].

176

Представляют значительный интерес результаты ис­ следования влияния бегущего магнитного поля на за­ полняемость форм и жидкотекучесть расплавов [119]. Асбоцементную форму, которая имела два плоских ка­ нала высотой 1—2 мм, помещали на плоский статор. Питание статора осуществляли токами 50 Гц и 500 Гц. Величину магнитной индукции изменяли в пределах 0,016—0,07 Т. В опытах использовали технически чистые

плавы заливали в форму при относительном перегреве, равном 1,105—1,106, что соответствовало для олова 255°С, для цинка 462°С, для сплава ЦА-4 420°С, для силумина 635°С, для галлия 40°С.

Экспериментами установлено, что при одинаковом силовом воздействии жидкотекучесть цинка и силумина увеличивается на 30—40% при питании статора током частотой 500 Гц по сравнению с опытами, когда питание осуществляли током промышленной частоты.

Воздействие бегущего магнитного поля приводит, также к увеличению заполняемости каналов форм.

4.КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ, СОЗДАВАЕМОМ ОДНОИЛИ МНОГОВИТКОВЫМ

ИНДУКТОРОМ

При прохождении по проводнику длиной dl перемен: ного тока dl, изменяющегося по синусоидальному зако­

ну, на проводник будет действовать электродинамическая сила, средняя величина которой за период будет [120]

получим выражение для силы, действующей на элемент объема dW, в виде

Здесь Ф — действительная часть потока энергии.

направлению с направлением потока энергии Ф, т. е. направлена нормально к поверхности проводника.

Таким образом, на каждый элемент объема будет действовать давление

Электромагнитное давление может удерживать жид­ кую проводящую среду от растекания, сжимая ее в

. радиальном направлении.

Расчет электромагнитного давления для бесконечных плоских тел и цилиндра при однородном *магнитном по­ ле приведен в работе [120].

Для сплошного цилиндра радиусом г0 при протекании

Решение задачи с учетом конечных размеров систе­ мы индуктор— жидкий металл и при малом отношении

178

ширины индуктора к его диаметру, т. е. при неоднород­ ном магнитном поле, выполнено в работе [169].

Выражение для давления имеет вид:

ное значение давления может быть получено при отно­ сительной частоте ап = 500. В частности, установлено, что для слитков из алюминиевых сплавов диаметром от

из-за конечных размеров системы индуктор — жидкий металл, неоднородны и приводят к перемешиванию.

Поскольку электромагнитные силы, действующие на верхние и придонные слои металла, значительно меньше электромагнитных сил в осевой области тигля, проис­ ходит выжимание металла из этой части объема в места с пониженным давлением. Возникающая в этом случае двухконтурная циркуляция не обеспечивает выравнива­ ния температуры и состава по всему объему металла, так как обмена между верхней и нижней областями перемешивания практически не происходит. Полное пе­ ремешивание металла достигается при одноконтурной циркуляции металла.

Электромагнитное воздействие при наличии кристал­ лизатора [57,- 121, 170]. В этом случае электромагнитное устройство представляет собой соленоид с наружным магнитопроводом. Соленоид, как правило, изготовляют из медной полой трубки, магнитопровод шихтуется изтрансформаторного железа. Применением магнитопровода достигается концентрация энергии перемешивателя в жидкой лунке слитка. Индуктор может быть расположен как над поверхностью расплава, так и по периметру кристаллизатора. Питание индуктора осуществляют от тока промышленной частоты.