Технічні науки/1.Металлургія

Сергеєва К.О , Лавренко В.М, Добров Р.Ю., Кілікєєв О.В.

Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”

Глибинна обробка алюмінієвого розплаву плазмовим струменем

Головною перевагою глибинної обробки плазмовим струменем, в порівнянні з іншими технологіями, є можливість одночасного інтенсивного перемішування ванни нагрітим газом та регулюванням перегріву розплаву при обробці сплаву. Значний перегрів сплавів в реакційній зоні плазмового струменя при інтенсивному їх перемішуванні повинні забезпечувати швидке руйнування мікроугруповань і скорочення часу переходу розплаву в однорідний стан в порівнянні зі звичайною термічною обробкою.

Створені конструкції плазмових установок, які дозволяють виконувати глибинну обробку металевих розплавів газом, рідкими і твердими реагентами. В якості плазмоутворюючого газу використовують аргон, азот чи їх суміш. Створені установки дозволяють підтримувати в заданих межах чи перегрівати розплав в процесі обробки; ефективно рафінувати і модифікувати метал; скорочувати витрати реагентів на обробку сплавів; підвищувати вихід якісних виливків та суттєво покращувати екологічний стан у цеху [1].

Для обробки металевих розплавів у ковші чи печі ємністю до 0,5 т використовується установка, основними вузлами якої являються заглибний плазмотрон з поворотним механізмом його переміщення [2].

Плазмова установка може монтуватися безпосередньо біля роздаткової чи плавильної печі, для обробки металу в ковші – зручній для обслуговування ділянці ливарного цеху. Необхідна площа для розміщення установки не перевищує 1 м².

Технологія отримання із сплаву литих виробів включає 3 етапи:

– обробку розплаву рафінуючо-модифікованим флюсом в кількості

0,1 – 0,15 % від маси металу;

– вакуумування розплаву в роздатковій печі опору 20 – 25 хвилин;

– термічну обробку виливок по режиму Т6.

Після заміни двох перших етапів плазмовою обробкою розплаву відносне видовження у виливках збільшилась у 1,4 – 1,6 рази, а характеристики міцності до рівня вакуумованого металу. Нова технологія разом із підвищенням якості металу дозволила спростити процес виготовлення виливків і збільшити його виробництво, скоротити у 2 рази витрати флюсів на обробку.

Проведені дослідження температурного стану розплаву при його обробці заглибленим плазмовим струменем. При цьому алюмінієвий сплав АК7 продували аргоном через плазмотрон потужністю 16 кВт при витратах газу 0,6 м³/год. Розплав обробляли в печі опору з тиглем місткістю 80 кг.

Температуру плазмового струменя поблизу сопла визначили експериментально шляхом розплавлення циліндричного зразка (Ø = 3∙10^-3 м) з карбіду титану з відомою температурою плавлення 3530 К. На різній відстані від сопла плазмотрона, що працює при таких самих енергетичних параметрах, розміщали фіксований у титановій трубці зразок. Установили, що на відстані не менше (10 - 11) ∙10^-3 м від сопла дослідний матеріал розплавляється плазмовим струменем. При віддаленні карбіду титана від сопла на більші відстані він не плавиться, а виникає там лише часткова сублімація вуглецю зі зразка. Ці експериментальні дані дозволили визначити температурний стан розплаву в реакційній зоні плазмового струменя.

Температура розплаву в реакційній зоні по мірі наближення до сопла плазмотрона підвищується і на виході газу з при катодної зони досягає 5000 К. Відомо, що випаровування алюмінію виникає при температурі вище 2700 К, міді – 2820 К, марганцю – 2820 К, магнію – 1360 К, цинку – 1180 К. Ці компоненти в різній кількості містяться в алюмінієвих сплавах систем Al-Si-Cu, Al-Si-Mg, Al-Mg. Виходячи з цього, можна прогнозувати можливість значних змін в будові розплаву, обумовлених випаровуванням компонентів сплаву у високотемпературній зоні плазмового струменя з наступною конденсацією парів при видаленні з цієї зони.

Отримані дані про температурний стан металу дозволили визначити об’єми в зоні введення плазмового струменя, де можливе випаровування алюмінію та інших компонентів сплаву. Частина цих об’ємів зайнята розплавом, інша – інертним газом. Між масою розплаву і кількістю газу у високотемпературному об’ємі можуть бути різні співвідношення, що залежать від режиму роботи плазмотрона, природи плазмоутворюючого газу, складу сплаву та ін.

Спливаючі з нагрітого об’єму пухирці газу визивають горизонтальне і вертикальне зміщення сусідніх шарів розплаву. Об’єм розплаву, що поступив з нижніх шарів, миттєво компенсується рівним йому об’ємом з верхніх шарів. Таким чином в реакційній зоні заглибленого плазмового струменя відбувається постійне оновлення високотемпературного об’єму розплаву на менш холодний, який потім також нагрівається до температур випаровування компонентів сплаву. При цьому верхні шари нагрітого розплаву виносяться зворотнім потоком з реакційної зони струменя швидше в порівнянні з нижніми.

Для оцінки процесу випаровування по даним фізичного моделювання прийняли швидкість зворотного потоку струменя 0,4 м/с. За середній шлях переміщення нагрітих шарів розплаву в зворотному потоці прийняли 0,5 діаметра високотемпературного об’єму в реакційній зоні струменя і оцінили час, протягом якого компоненти сплаву в ньому випаровуються. Визначили наближену масу випаруваних компонентів сплаву в одиницю часу з рівняння:

G = ΔV ∙ ρ /τ,

де ΔV – об’єм випаровування, м³;

ρ – густина розплавленого металу, кг/м³;

τ – час випаровування компонента, с.

Для умов експерименту розрахували масу випареного металу в досліджуваному сплаві з вмістом, мас. % (Si –6,4; Cu – 1,45; Mg – 0,31; Zn – 0,65; Mn – 0,24; Fe – 0,58; Ni + Ti ≤ 0,08; Al – інше), яка представлена у таблиці.

Приведені дані свідчать, що за хвилину плазмового впливу на розплав може випаруватися приблизно 0,18 – 2,0 кг компонентів сплаву. В реальних умовах маса випаруваного металу буде більшою, оскільки промислові сплави вміщують не враховані в розрахунку компоненти (Fe, Ni, Ti), а також домішки (Na, Ca, Pb та ін.) з меншою температурою випаровування в порівнянні з досліджуваними.

Із збільшенням потужності плазмотрона кількість випаруваного металу за час обробки сплаву також підвищується.

Таблиця

Швидкість випаровування компонентів сплаву АК7 при обробці

розплаву плазмовим струменем

Компо- ненти розплаву	Концен-трація у сплаві, мас. %	Густина розплав-леного компо-ненту, кг/м^3	Темпера-тура випарову-вання, К	Час випаровування, с	Об’єм випарову-вання ΔV∙10^-6, м^3	Маса випару-ваного компо-ненту, кг/зв
Алюміній	90,3	2370	2700	0,05	24,4	0,156
Кремній	6,4	2500	2620	0,057	33,4	0,018
Мідь	1,45	7900	2820	0,04	17,12	0,0046
Магній	0,31	1700	1360	0,14	90,4	0,004
Цинк	0,65	6600	1180	0,18	123,3	0,0066
Марганець	0,24	7000	2370	0,07	43,7	0,003

Утворені пари металів частково поступають у газові пухирці і разом з ними виносяться з реакційної зони струменя в периферійний об’єм ванни. Пари, що залишилися, поступають у розплав і охолоджуються до його середньомасової температури („конденсуються”). За рахунок дроблення газових пухирців чи злиття їх у більші пари металів з них також поступають у розплав і охолоджуються. При охолодженні парів у розплаві утворюються частинки „конденсату” та мікрооб’єми, які в залежності від критичних розмірів, інтенсифікують процес зародкоутворення для різних компонентів сплаву, і подібно до оксидних включень, – для газових пухирців водню. Інші мікрооб’єми можуть знаходитися у розплаві деякий час у вигляді кластерів з великою кількістю активованих атомів. В процесі конденсації парів металу виділяється теплота фазового переходу, яка збільшує час існування активованих атомів в мікроугрупованнях. Такі зміни у будові розплаву, що відбуваються при глибинній обробці плазмореагентним струменем, впливають на структуру і характеристики міцності виливка.

Установлено, що при глибинній обробці розплаву плазмовим струменем масообміні процеси у ванні рідкого металу протікають на 25 - 70 % інтенсивніше, ніж при продувці холодним газом.

В зоні поверхневого нагріву плазмою температура металу досягає 3000 - 3500 К при середньомасовій його температурі у ванні 1870 - 1890 К. При таких температурних градієнтах у ванні виникають конвективні потоки, що перемішують розплав в процесі нагріву. В зоні заглибленого плазмового струменя температура металу на 400 - 600 град перевищує середньомасову.

При охолодженні пухирців нагрітого плазмовим струменем газу до середньомасової температури алюмінієвого розплаву їх радіуси за 0,2 - 0,4 мс зменшуються на 25 - 40 %. В результаті цього скорочується у 1,5 - 2,5 рази час оновлення межового шару у газовому пухирці.

Промислове освоєння розроблених технологій показало, що плазмореагентна обробка алюмінієвих сплавів дозволяє: нагрівати розплав в процесі рафінування; знизити у виливках вміст водню на 70 - 80 %, неметалевих включень – в 2 - 2,3 рази; збільшити межу міцності на розрив литого металу на 14 - 26 %, відносне подовження – на 35 - 54 %; зменшити брак виливків на 20 - 30 % та скоротити витрати на виробництво.

Сведення про авторів

П.І.Б.: Сергеєва Катерина Олександрівна

Науковий ступінь: -

Місце роботи (навчання): Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”

(кафедра фізико-хімічних основ технології металів)

Посада: магістр

Назва докладу (повідомлення): Глибинна обробка алюмінієвого розплаву

плазмовим струменем

Координати для звязку:

Мобільний телефон: 8 (066)112-89-88

E-mail: lofochka@ukr.net

lofochka@bigmir.net