МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СЛИТКОВ ИЗ СПЛАВОВ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Н.В. Сергеев, М.Ю. Кучинский, А.А. Краснов, Н.С. Бугаева,

А.В. Литовченко

В работе рассматривается задача улучшения структуры слитка в литейной машине посредством электромагнитного воздействия. Описано устройство и принцип работы предложенного мгд-перемешивателя. Представлены результаты физического моделирования процесса электромагнитного перемешивания кристаллизующегося слитка.

Введение

Непрерывно литая заготовка диаметром 8, 9 и 10 мм, получаемая из ювелирных сплавов, является полуфабрикатом для производства различных изделий из сплавов на основе золота, серебра. Основной недостаток сплавов – низкая износостойкость при высокой стоимости компонентов и трудозатрат на производство изделий. Наиболее распространенным способом решения этой проблемы, в настоящее время, является использование легирующих компонентов. как наиболее простой из путей улучшения физико-механических свойств слитка, так как именно это во многом определяет параметры технологии получения изделий. Улучшить физико-механические свойства можно не только за счет использования новых типов лигатур, но и с использованием различного рода физических воздействий на расплав.

На существующих литейных машинах например, показанная на рис. 1, получаемая структура слитков крупнозернисто и высокой неоднородности не позволяет получить с требуемыми физико-механическими свойствами, либо получение такой изделий трудоемко и имеет высокую себестоимость.

Сплавы, содержащие высокий процент легирующих компонентов, не удается стабильно деформировать из-за неоднородной структуры слитка, что приводит к частым обрывам в процессе деформационной обработки (прокатка, волочение) и по этой снижается производительность всего цикла получения изделий. В связи с этим актуальной научно-технической задачей является создание более совершенных и экономичных технологий получения изделий, которые позволят освоить массовое производство из новых типов сплавов, обеспечивающих, в том числе увеличение процента выходя годной продукции на последующих этапах передела слитка. Одним из путей решения данной задачи является разработка технологий улучшения структуры непрерывно литых слитков.

В настоящее время, в литейных машинах с графитовым кристаллизатором возможно влиять на структуру слитка путем регулирования скорости литья, температуры расплава и скорости охлаждения. Каждый из способов имеет свои ограничения: снижения скорости литья уменьшает производительность, снижение температуры расплава перед литьем снижает равномерность распределения легирующих добавок слитке, понижении скорости охлаждения приведет к укрупнению зерен и

Современные технологии и оборудование для производства непрерывно литых полуфабрикатов из сплавов золота

В мире изготавливают на литейных агрегатах с литейной на основе графитового кристаллизатора скольжения, совмещенного с плавильным узлом рис.1. Основные мировые производители (Италия, Германия, Китай). Данный тип литейных машин позволяет получать непрерывно литую заготовку круглого или прямоугольного сечения, которая в дальнейшем поступает на передел в стан волочения для изготовления проволоки либо прокатку в листы. Литейные машины с графитовым кристаллизатором являются современным оборудованием, позволяющим обеспечивать высокую производительност и малые производственные затраты. Именно на литейных машинах в процессе кристаллизации сплава закладывается структура слитка.

Получение в существующем литейном оборудовании ограничено ранней кристаллизацией, низкой скоростью охлаждения, ограниченной резким падением температуры к сердцевине слитка. Уменьшения размера зерен в слитке можно добиться путем добавление в сплав лигатуры, но это приводит к удорожанию конечной продукции и усложнению технологического процесса в целом, что не всегда целесообразно.

Существует еще один способ получения более мелкозернистой структуры - создание интенсивного течения расплава на границе раздела фаз в процессе кристаллизации. Как известно из теории кристаллизации, на границе раздела создаются локальные зоны кристаллизации, образующие дендритные структуры. Омывание границы раздела фаз жидким металлом в момент кристаллизации способствует разрушению дендритных образований, что способствует появлению новых зон кристаллизации и как следствие формирует мелкозернистую и гомогенизированную структуру слитка. В существующих литейных машинах движение металла в жидкой фазе имеет конвективную природу, вызванную разностью температур в жидкой фазе. Расчёты показывают, что скорость таких течений не превышает 1 мм/с, что не позволяет оказывать значительного влияния на формирование структуры заготовки.

Глубина лунки жидкой фазы слитка в литейной машине в зависимости от параметров литья составляет от 1 до 1,5 миллиметров. Исходя из конструктивных особенностей литейной машины, создание принудительной циркуляции расплава в слитке наиболее целесообразно бесконтактным способом. Для этого авторами предлагается установить над слитком в зоне кристаллизации мгд-перемешиватель, создающий переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле, проникая в жидкий металл, будет наводить в нем вихревые токи, которые взаимодействуя с полем индуктора, создадут силы Лоренца. Электромагнитные силы в зависимости от характера поля будут создавать течения в расплаве, обеспечивающие формирование необходимой структуры слитка.

Возможность установки индуктора мгд-перемешивателя показана на примере литейной машины IECO Z50-26M (Италия) (рис. 2). Установка индуктора на данную литейную машину с минимальными затратами возможна ниже плавильного узла в области, где происходит кристаллизация расплава.

Математическое моделирование воздействия мгд-перемешивателя на расплав и область кристаллизации

Воздействие на расплавы электромагнитным полем, позволяющее формировать интенсивные мгд-течения, имеет следующие варианты:

- пульсирующее воздействие магнитным полем;

- воздействие бегущим магнитным полем;

- воздействие вращающимся магнитным полем;

- комбинирование магнитных полей.

Конструктивные особенности установок непрерывного литья сплавов благородных металлов накладывают определенные ограничения на изменения конструкции, в основном заключающиеся в необходимости сохранить целостность теплоизоляционных слоев оборудования. Толщина теплоизоляции и конструктивные особенности плавильно-литейного узла в области фронта кристаллизации достигает 100 мм, что необходимо учитывать при выборе электромагнитных параметров оборудования, используемого для воздействия на расплав и кристаллизующийся слиток.

Область, допустившая для размещения дополнительного мгд-оборудования, показана на рис. 2 в виде блока под номером 2.

Решение задачи мгд-воздействия на расплав возможно с использованием конструкций индукторов, показанных на рис. 3, а, б. Индуктор в общем случае представляет собой виток, создающий переменное магнитное поле, направленное на формирование интенсивных течений, в донной части плавильного узла и зоне кристаллизации. Анализ распределения электромагнитного поля от каждой из конструкций показал, что наиболее подходящей конструкцией, является вариант, показанный на рис. 3 б. Предложенная конструкция имеет минимальные размеры при достаточной интенсивности воздействия магнитным полем на расплав и фронт кристаллизации.

а) б)

Рис. 3. Варианты конструкции мгд-индуктора воздействия на расплав в фильере в области кристаллизации: прямоугольный вариант (а) и цилиндрический вариант (б).

Результаты анализа выбранной конструкции индуктора использованы при дальнейшем изготовлении опытно-промышленного образца мгд-перемешивателя, предназначенного для установки на плавильно-литейный узел Z50-26M IECO.

Результаты экспериментов

Сравнение микроструктур слитков, отлитых на установке, проводилась с образцами, полученными на литейной машине без мгд-перемешивания. Образец этой микроструктуры представлен на рис. 5 а.

Структуры слитков, полученных с электромагнитным воздействием на плавильный узел и область фронта кристаллизации в литейной машины (рис. 5 б) показали, что при мгд-воздействии с помощью разработанных и изготовленных конструкций подтверждено положительное влияние на качество слитков из ювелирных сплавов золота.

а) б)

Рис. 5. Микроструктура слитков: а) слиток с установки без электромагнитного воздействия; в) слиток с установки с электромагнитным воздействием

Наилучшего качества удалось при одновременном воздействии электромагнитным полем на донную часть плавильного узла литейной машины и на область кристаллизации слитка. По результатам экспериментов можно сделать вывод о необходимости экспериментального выявления оптимальных параметров перемешивания и охлаждения слитка в промышленной установке,

Заключение

Дальнейшие работы будут направлены на разработку образца мгд-перемешивателя, который планируется испытать на промышленном агрегате. Ожидается, что внедрение позволит улучшить физико-механические свойства слитков из сплавов марок, что обеспечит снижение объема производственного брака, связанного с дефектами структуры слитка, а также позволит расширить ассортимент выпускаемых сплавов.

Литература

1. Полищук В.П. Исследование процесса заливки металла в литейную форму под воздействием магнитного поля: Автореф. дис. канд. техн. наук. –Киев, 1962.

2. Основные понятия магнитной гидродинамики: МГД – устройства и МГД-установки. – М.: Наука, 1982. – (Терминология; Вып. 100).

3. Вольдек А.И. индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. Ленинград, Энергия, 1970.

4. Тимофеев В.Н. Метод анализа электромагнитного поля в индукционных устройствах / В.Н. Тимофеев, Р.М. Христинич С.А. Бояков, М.В. Первухин //Электричество, 1999г., №10

5. Собочинский, Л. К. Моделирование устройств электромагнитного перемешивания жидких металлов / Л. К. Собочинский, А. И. Серебряков, Е. А. Павлов и др. / Вестник Красноярского государственного технического университета. Вып. 33. Математические методы и моделирование. - Красноярск, 2004.

6. Быстрая кристаллизация высоколегированных алюминиевых сплавов в электромагнитном поле / М. В. Первухин [и др.] // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2011.

7. непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор / З. Н. Гецелев [и др.]. – М.: Металлургия, 1983.