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 .