Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле (автореферат диссертации)

Выводы
 
1. Результаты проведенного исследования показали принципиальную возможность и перспективность использования б металлургии метода ультразвуковой обработки кристаллизующегося металла с целью улучше­ния его качества.
 
2. Разработан и опробован метод измерения мощности колебаний, вводимых в кристаллизующийся металл, Предложены различные механичес­кие и электрические способы намерения амплитуды колебательного смеще­ния. Показано, что использование предложенного метода дает возмож­ность измерить акустическую мощность колебаний, вводимых в нагрузку, с точностью до 15$. Рассмотрены некоторые вопросы энергетики ультра­звуковой обработки расплавов, связанные с условиями введения ультра­звука в расплав и проведен анализ факторов, оказывающих влияние на величину мощности ультразвука, вводимого в кристаллизующийся металл.
 
3. Проведен анализ процесса кристаллизации металлов в ультра­звуковом поле и показано, что структурные изменения в слитке опреде­ляются параметрами ультразвукового поля в расплаве и двухфазной зо­не, свойствами обрабатываемого материала и условиями его кристал­лизации. Установлено увеличение скорости зарождения центров кристал­лизации и диспергирование кристаллов в  ультразвуковом поле Предло­жены механизмы, объясняющие влияние ультразвука на увеличение скоро­сти зарождения и процессы диспергирования кристаллов и связанные с кавитационными явлениями. Оценено влияние свойств расплава на эро­зионную активность кавитационного пузырька. Показано, что в случае кристаллизации вещества в условиях теплоотвода через твердую фазу основным проявлением действия ультразвука является диспергирование кристаллов. При наличии термического переохлаждения, наряду с дис­пергированием кристаллов, имеет место увеличение скорости зарожде­ния центров кристаллизации* Оценено влияние свойств обрабатываемого материала на степень воздействия ультразвука на его структуру и показано, что наиболее значительные структурные изменения наблю­даются в сплавах с низкой прочностью растущих кристаллов и широким температурным интервалом кристаллизации. Установлено, что введение примесей в кристаллизующийся металл снижает величину мощности коле­баний, необходимую для измельчения структуры металла. Рассмотрены причины влияния примесей на изменение величины мощности и показано, что их действие связано с изменением величины мощности( необходи­мой для возникновения в расплаве кавитации, а также с активацией примесей под действием кавитации и сил вязкого трения.
 
4. Рассмотрены возможные методы введения упругих колебаний в кристаллизующийся металл при его обработке в изложнице, в процес­сах непрерывной разливки, вакуумного дугового переплава, оценены условия и возможности их использования в промышленности, разработаны основы технологии ультразвуковой обработки металла в процессе ва­куумного дугового переплава.
На Экспериментальном заводе ЦНИИЧМ создана ультразвуковая уста­новка к вакуумной дуговой печи ЦЭП-317А для обработки слитков про­мышленного развеса жаропрочных сплавов на никелевой основе. Для завода "Электросталь" спроектированы и изготовлены опытно-промышленные  установки для  обработки слитков при вакуумном дуговой и электрошлаковом переплавах. Для обработки стали в процессе непре­рывной разливки предложен и опробован водоохлаждаемый волновод-из­лучатель. Использование предложенного волновода привело к измель­чению структуры стального слитка, получаемого в процессе непрерыв­ной разливки.
Проведены исследования по выбору оптимального режима обработ­ки упругими колебаниями металла при его кристаллизации в изложнице, оценено влияние ряда технологических параметров на эффективность ультразвуковой обработки. Даш объяснения приведенных рекомендаций, связанные с особенностями распространения и механизмом действия
ультразвука яа кристаллизующийся металл.
Аналитически рассмотрена энергетика ультразвуковой обработки и получены выражения, связывающие амплитуду колебаний, необходимую для измельчения зерна, с параметрами кристаллизации слитка и свойствами обрабатываемого металла.
 
5. Исследование влияния ультразвука на структуру и свойства металлов и сплавов, проведенное на сталях ферритного, аустенитного и карбидного классов, сталях с высоким   содержанием бора, углеродистых и низколегированных сталях, жаропрочных и коррозионно-стойких сплавах на основе никеля, показало, что ультразвуковая обра­ботка привела к измельчению макро- и микрозерна, устранению столбча­той структуры и повышению однородности слитка. Следствием структур­ных изменений в слитке явилось повышение характеристик прочности и  пластичности обработанного ультразвуком материала и, прежде всего, его технологической деформируемости.
В результате ультразвуковой обработки характеристики пластично­сти в углеродистых и низколегированных сталях повысились на 30-40$, в сталях ферритного класса - в 3-5 раз, в сталях   аутенитного клас­са - в 1,3-1,6 раза. В сталях 1ШС15 и Ρ18 ультразвуковая обработка вызвала снижение степени карбидной полосчатости на 1,5-2 балла. В результате ультразвуковой обработки пластические свойства заэвтектических  бористых сталей в температурном интервале деформации возросли в 2-10 раз. Изменение свойств дало возможность впервые получить прес­сованием партию труб из стали ΧΙ8ΗΙ5 с содержанием бора 3,3%
В жаропрочных сплавах на основе никеля (Х20Н80, ЭИ437БУ, ЭП109, ЭП220) ультразвуковая обработка вызвала повышение пластических свойств в температурном интервале деформации на 20-100%.
Обработанные ультразвуком слитки промышленного развеса сплавов ЭП109 и ЭП220 показали более высокую деформируемость при прокатке. В результате ультразвуковой обработки ударная вязкость сплавов ЭПЮ9 и ЭП220 повысилась приблизительно в 2 раза (с 22 до 39 в сплаве ЭП109 и с 15 до 29 кгм/см2 в сплаве ЭП220). Этим может быть объяснено более высокое качество сорта, полученного из обработанных ультразвуком слитков.

6. Предложен и опробован метод использования ультразвука для интенсификации процессов зонной очистки. Выявлена связь интенсив­ности вводимых колебаний со степенью очистки и показано, что наи­большая степень очистки достигается при введении в расплав колеба­ний докавитационной мощности, приводящих к сглаживанию фронта кри­сталлизации и интенсифицирующих процессы перемешивания .