Механические способы воздействия на структуру сплава (обработка вибрацией, ультразвуком, электромагнитным полем, вакуумом).

Вибрационные методы интенсификации технологических процессов находят все большее применение в промышленности. Вибрации и сотрясения отливок во время затвердевания измельчают структуру металла, облегчают дегазацию слитка, изменяют характер ликвации, повышают механические свойства, ускоряют кристаллизацию, вызывают в отливках из чугуна измельчение графитовых включений, способствуют заполнению тонких ребер в процессе литья, повышают плотность отливок и др.

Полезное применение вибрация нашла в порошковой металлургии, благодаря чему удалось получить заготовки на 10-20% плотнее, чем при обычном прессовании высоким статическим давлением, и снизить усилия прессования. Использование вибрации при обработке металлов давлением расширяет технологические возможности пластической деформации.

Вибрационное нагружение снижает напряжение деформирования, увеличивает пластичность металлов; снижает остаточные напряжения, обеспечивает более равномерное распределение деформаций и напряжений, способствует получению более однородной и мелкозернистой структуры. Такое влияние вибрации на технологические и механические свойства металлов объясняется уменьшением как внутренних, так и внешних сил сопротивления деформации, наиболее значительной частью которых является контактное трение. Практически верхний предел ультразвуковых колебаний соответствует частоте тепловых колебаний молекул вещества. Существуют различные типы вибровозбудителей - гидравлические, пневматические, электромагнитные, электромеханические, гидродинамические и магнито-стрикционные. Так, например, электромеханические инерционные вибровозбудители с приводом от асинхронных двигателей основаны на принципе возникновения центробежной силы при вращении неуравновешенной массы (дебаланса).

 

Они обеспечивают возможность получения больших кинетических моментов и сравнительно высоких частот при устойчивости и надежности работы. В установившемся режиме основная часть мощности привода вибровозбудителя расходуется на преодоление трения. При использовании вибраций одной из основных проблем является устранение шума, основным источником которого служат подшипники, передача, амортизаторы и др.

Вибровозбудитель представляет собой массивную стальную блок-плиту, в горизонтальных расточках которой установлены на подшипниках качения вибровалы симметрично относительно оси пресса. Каждый вибровал приводится отдельным асинхронным двигателем через скоростную плоскоременную передачу. Валы вращаются навстречу друг другу.

Жесткость конструкций виброблока обеспечивает синхронизацию вращения валов и строго вертикально направленные колебания. Виброблок ставится на упругие амортизаторы. Суммарная жесткость амортизаторов определяется таким образом, чтобы собственная частота вибрируемой массы была значительно меньше минимальных возбуждаемых частот во избежание появления резонанса и передачи вибрации на фундамент.

Кроме того, амортизаторы должны выдерживать рабочее усилие пресса. В практике применяют пружинные, а также надежные в работе гидравлические закрытые амортизаторы с постоянным объемом жидкости. В качестве рабочей жидкости используется цилиндрическое масло. Ступенчатое регулирование частоты вибратора от 60 до 200 гц осуществляется сменными шкивами, а регулирование амплитуды от 0,06 до 0,5 мм достигается сменой дебалансов.

Ультразвуковая обработка, воздействие ультразвука (обычно с частотой 15-50 кгц) на вещества в технологических процессах. Для Ультразвуковая обработка применяют технологические аппараты с электроакустическими излучателями либо аппараты в виде свистков и сирен. Основной элемент излучателя - электроакустический преобразователь (магнитострикционный или пьезоэлектрический) - соединён с согласующим устройством, которое осуществляет передачу акустической энергии от преобразователя в обрабатываемую среду, а также создаёт заданные техническими условиями размеры излучающей поверхности и интенсивность ультразвукового поля. В качестве согласующих устройств используют, как правило, волноводные концентраторы акустические - расширяющиеся (обычно при Ультразвуковая обработка жидкостей) или сужающиеся (обычно при Ультразвуковая обработка твёрдых веществ), резонансные (настроенные на определённую частоту) или нерезонансные пластины. Согласующее устройство, кроме того, может одновременно выполнять функции режущего или какого-либо др. инструмента (например, при сверлении, сварке, пайке). Иногда применяют преобразователи, работающие без согласующего устройства (например, кольцевые преобразователи, встроенные в трубопровод). Ультразвуковая обработка в жидкостях (жидкостей) основана главным образом на возникновении кавитации. Некоторые эффекты кавитации (гидравлические удары при захлопывании пузырьков и микропотоки, возникающие в жидкости около пузырьков) используются при пайке и лужении, диспергировании, очистке деталей и т.д. Другие эффекты (разогрев паров внутри пузырька и их ионизация) используются для инициирования и ускорения химических реакций. Иногда для интенсификации Ультразвуковая обработка процесс ведут при повышенном давлении.

При пайке и лужении металлов, например алюминия, титана, молибдена, ультразвук разрушает окисные плёнки на поверхности деталей и облегчает течение процесса. С использованием ультразвука можно лудить, а затем паять керамику, стекло и др. неметаллические материалы. Ультразвук подводят волноводным концентратором к припою, помещенному в ванну или нанесённому на поверхность детали.

Очистка ультразвуком поверхностей деталей от металлической пыли, стружки, нагаров, жировых и др. загрязнений обеспечивает более высокое, чем др. способы, качество - остаётся не более 0,5% загрязнений. Некоторые детали, имеющие сложную форму и труднодоступные места, можно очистить только при Ультразвуковая обработка Очистку обычно осуществляют в ваннах со встроенными электроакустическими излучателями; в рабочую жидкость добавляют поверхностно-активные вещества. Для снятия заусенцев с деталей в жидкость вводят абразивные частицы, которые в несколько раз ускоряют обработку (см. Вибрационная обработка).

Дегазацию (освобождение от газов) жидкостей осуществляют при малой (обычно ниже порога кавитации) интенсивности ультразвука. Мелкие газовые пузырьки, взвешенные в жидкости, сближаются друг с другом, слипаются (см. Коагуляция) и всплывают на поверхность. Дегазации подвергают расплавы оптических стекол, жидкие алюминиевые сплавы (см. Газы в металлах) и др. жидкости. Ультразвуковая обработка используют при обогащении (флотации) руд - газовые пузырьки оседают на поверхностях частичек минералов и всплывают вместе с ними.

Ультразвуковая обработка оказывает благоприятное влияние на процесс кристаллизации расплавов металлов при литье, что существенно улучшает структуру слитка и его механические свойства.

Для образования эмульсий обычно используют ультразвуковые аппараты в виде свистков или сирен. Приготовление суспензий в основном ведут в аппаратах с магнитострикционными преобразователями, работающими при повышенном давлении

1. Общие сведения об использовании электромагнитных сил и особенности магнитной гидродинамики в металлургии.

 

Для бесконтактного силового воздействия на ме­таллические расплавы можно использовать силы гравитации, инерции, электростатические, магнитостатические и др. Две пер­вые разновидности сил в той или иной мере действительно из­давна используются в металлургическом производстве. Однако силы гравитации практически неподвластны конструктору, а использование инерционных сил возможно только в подвижных (преимущественно вращающихся) устройствах, что существенно ограничивает область их применения. Новые задачи развития металлургического производства потребовали расширить арсенал используемых сил. Высокая проводимость жидких металлов за­трудняет воздействие на них электростатическими силами, а бли­зость абсолютной магнитной проницаемости всех металлов в рас­плавленном состоянии к магнитной проницаемости вакуума весьма сужает возможность использования магнитостатических сил.

Подавляющее большинство методов и устройств прикладной магнитной гидродинамики основано на использовании электро­магнитных сил. В простейшем случае — это сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле. Если вместо твердого линейного проводника мы имеем некоторый объем жидкого металла, через который проходит электрический ток, мы можем мысленно разделить этот объем на элементарные проводники. На каждый из них, при взаимодействии электриче­ского тока с магнитным полем, точно так же, как на линейный твердый проводник, действует электромагнитная сила.

Магнитную гидродинамику принято рассматривать как область науки, изучающую закономерности движения сплошных жидких и газообразных электропроводящих сред в магнитном поле.

В контексте с описанием технологических приложений магнитной гидродинамики в металлургии приведенное описание не вполне подходит. Часто здесь не предполагается движение проводящей среды – жидкого металла, а рассматриваются различные статические явления, либо основной интерес представляют перемещения включений непроводящей фазы в подвижном объеме жидкого металла. Поэтому, предметом магнитной гидродинамики следует считать закономерности электромагнитного силового воздействия на металлические расплавы.

Магнитная гидродинамика в металлургии имеет ряд особенностей. Прикладная магнитная гидродинамика в металлургии имеет дело с металли­ческими расплавами, т. е. вязкими несжимаемыми жидкостями, обладающими высокой электропроводностью. Магнитная прони­цаемость их практически равна магнитной проницаемости вакуума. Скорость движения расплавов в реальных устройствах прене­брежимо мала по сравнению со скоростью света. Это обстоятель­ство существенно сокращает и упрощает используемую в гидродинамике систему уравнений.

В различных технологических процессах в металлургии участвуют силы, различные по своей природе, как напри­мер, электромагнитные, гравитационные, инерционные, а также вязкость жидкого металла, поверхностное натяжение и т. д.

На ход этих процессов влияют физические свойства вещества, геометрические размеры и другие параметры используемых кон­струкций, температура и прочие характеристики условий, в кото­рых протекают эти процессы. Но влияние этих факторов неравно­значно: в одних случаях решающая роль принадлежит, например, электромагнитным и гравитационным силам, в других необхо­димо учитывать инерцию и вязкость жидкого металла, в третьих - поверхностное натяжение и т. д. Для того чтобы ориентироваться в этом многообразии факторов, влияющих на МГД-процессы, и моделировать эти процессы, удобно пользоваться безразмерными критериями подобия. Эти критерии позволяют наиболее от­четливо связать качественные различия тех или иных процессов сколичественными различиями в свойствах расплавов, размерах устройств и др.

В данной работе мы не будем затрагивать уравнения и критерии магнитной гидродинамики, потому как это выходит за рамки нашей темы.

ВАКУУМИРОВАНИЕ

[vacuum degassing (treatment)] — 1. Удаление газа, пара или па-рогаз. среды из сосудов или аппаратов с целью получения в них давления ниже атмосферного. 2. См. Вакуумировшше стали. 1. см. Ва-куумирование порошка:

вакуумирование в изложнице [mold vacuum treatment] — вакуумирование жидкого металла при разливке в изложницу, помещен, в вакуумную камеру; при разливке стали применяется для отливки крупных слитков массой до 600 т для поковок коленчатых и гребных валов судов, роторов крупных турбин электростанций, генераторов, прокатных валков и т.п.;

вакуумирование в ковше [ladle vacuum treatment] - вакуумирование жидкого металла в ковше, помещ. в вакуумную камеру или закрытом герметичной крышкой, под к-рой создается разрежение (см. рис.). В. стали проводят в разливочных ковшах с шиберными устройствами и запасом 500—700 мм по высоте, к-рые футеруют осн. или высокоглиноземистыми огнеупорами и нагревают перед выпуском плавки до 1100-1200 'С;

вакуумирование в струе [stream vacuum degassing] — вакуумирование жидкого металла при переливе его из ковша в другой ковш или в изложницу в вакуумной камере. Вакуум в ней создают до начала перелива металла; обычно Рт < 133 Па. При выходе в разреженное пространство струя металла разделяется на капли, что увеличивает поверхность, способствуя повышению скорости и степени дегазации как раскрытой струи, так и слоя жидкого металла на дне приемного сосуда.
Разновидность в. стали в струе - поточное вакуумирование, применяют, в конвертерном цехе № 10АО «НЛМК». В разработ. схеме вакуумирования днище сталеразлив. ковша герметично примыкает к вакуум-камере, и металл истекает в разреж. пространство (см. рис.). Обработ. в вакууме металл поступает в про-межут. ковш, а затем в кристаллизатор МНЛЗ. Применение поточного в. весьма перспективно (особенно при выплавке низкоуглерод. стали для автолиста), поскольку процессы в. и разливки совмещаются, приближая сталеплавильный передел к единому непрерывн. процессу;

вакуумирование внепечное [ladle vacuum treatment] - вакуумирование жидкого металла вне плавильного агрегата;

вакуумирование порошка [powder vacuum treatment] — создание разрежения между частицами порошка, находят, в оболочке или пресс-форме для повышения кач-ва прессовки;

вакуумирование порционное [D-H ladle (vacuum-lift) treatment] — в. порций жидкой стали, периодич. засасываемых в вакуумную камеру из ковша через футеров, патрубок -10 % от массы металла в ковше), погруженный в расплав, и после кратковрем. выдержки сливаемых по тому же патрубку в тот же ковш (см. рис.). Продолж-ть цикла обычно 25— 30 с. В наиб, простом технология, варианте достаточно трехкратного прохождения металла через камеру. Вакуумная камера имеет в верхней части графитовый нагреватель для снижения потерь тепла металлом во время обработки. Она оборудована также необход, техноло-гич. отверстиями. Способ получил назв. ДН-про-цесс от нач. букв наимен. разработавшей его в 1956 г. ф. «Dortmund-Hoerder» (Германия);
вакуумированис при выпуске [tapping vacuum treatment] — В. стали при выпуске ее из плавильной печи через промежут. ковш в герметично соедин. с ним разлив, ковш с крышкой, из к-рого откачивается воздух;
Основные способы вакуумирования стали: а - в ковше одновременно всего объема металла; 6 — в ковше (вакуумато-рс) порциями, в - при выпуске и разливке
вакуумирование стали [steel vacuum treatment (processing)] - кратковрем. обработка жидкой стали под вакуумом с целью улучшения ее качества за счет уменьшения в ней при обычных способах выплавки содержания газов (Н2, N2, О2) и неметаллич. включений, а при спец. методах выплавки и нек-рых др. элементов (напр., Mn, Pb, Zn, Си). Идея применения вакуумной обработки жидкой стали для улучшения ее кач-ва возникла у Бессемера в 1883 г., но первые промышл. опыты в 1914 и 1932 гг. не дали положит, результатов, гл. обр., из-за недостат. мощности вакуумных насосов. С 1946 г. началось опытно-промышл. освоение вакуумной обработки жидкой стали при переливе ее из ковша в ковш. Приоритетные работы по теории и практике в. вакуумирование ферросплавов [vacuum treatment of ferroalloys] - внепечной способ ра-финир. ферросплавов, предпочтит. низкоуглерод. феррохрома (ранее металлич. марганца), от водорода с целью получения плотн. (без газ. пузырей) слитков и уменьшения образования некондиц. мелочи при дроблении (фракционировании) слитков.
Жидкий феррохром (металлич. марганец) рафинир. от водорода в ковшах, устанавлив. в вакуумных камерах, оборуд. вакуумной откач-ной системой. Р^,^ 1—10 мм рт. ст. Продолжит, накуумир. 5-10 мин. Перед вакуумир. необх. сливать шлак, чтобы поверхность феррохрома (металлич. марганца) была покрыта небольшим слоем шлака, т.к. в шлаке водород растворим в форме групп ОН~ и затрудняет дегазацию феррохрома (марганца).