способ электровиброимпульсной обработки кристаллизующегося металла

Формула изобретения

1. Способ электровиброимпульсной обработки кристаллизующегося металла, включающий воздействие на металл акустическими ударами, создаваемыми в электрогидравлической разрядной камере и вводимыми в металл электродом-волноводом, отличающийся тем, что одновременно через залитый в изложницу металл пропускают однополярный импульсный электрический ток с частотой следования импульсов 1 - 5 Гц, причем величина удельной энергии в импульсе составляет 0,4 - 1,0 кДж на тонну обрабатываемого металла при собственной частоте разрядного тока 20 - 80 кГц.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрод-волновод выполняют разъемным и изготавливают из металла, аналогичного по химическому составу обрабатываемому металлу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве слитков из металлов и сплавов.

Известен способ виброимпульсной обработки кристаллизующегося металла, заключающийся в воздействии на него электрогидравлических ударов, вводимых в металл через дно изложницы или через ее стенки [1]. В результате обработки повышается физическая однородность литого металла и измельчается его структура, но химическая неоднородность /зональная ликвация/ при этом не устраняется.

Наиболее близким аналогом заявляемого способа является известный способ виброимпульсной обработки металла, включающий воздействие на металл акустическими ударами, создаваемыми в электрогидравлической разрядной камере и вводимыми в металл электродом-волноводом [2]. Этот способ позволяет увеличить амплитуду вводимых в металл упругих колебаний и повысить тем самым эффективность их воздействия на процесс кристаллизации, благодаря чему возрастают дисперсность и физическая однородность структуры литого металла.

Однако химическая неоднородность металла /зональная ликвация/ сохраняется и при этом способе обработки, поскольку применяемое в нем виброимпульсное воздействие не может подавить процесс разделительной диффузии, протекающий на межфазной границе при затвердевании слитка и приводящий к неравномерному распределению ликвирующих примесей по сечению слитка.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи повышения физико-химических свойств металла путем устранения его химической неоднородности в процессе затвердевания слитков. Для решения этой задачи в известном способе виброимпульсной обработки металла, включающем воздействие на металл акустическими ударами, создаваемыми в электрогидравлической разрядной камере и вводимыми в металл электродом-волноводом, одновременно пропускают через залитый в изложницу металл однополярный импульсный электрический ток с частотой следований импульсов 1-5 Гц, причем величина удельной энергии в импульсе составляет 0,4 - 1,0 кДж на тонну обрабатываемого металла при собственной частоте разрядного тока 20 - 80 кГц.

Устранение зональной химической неоднородности /ликвации/ при пропускании через металл однополярных импульсов электрического тока происходит в результате охлаждающего действия на фронте кристаллизации термоэлектрического эффекта Пельтье, создающего глубокое переохлаждение на межфазной границе и соответствующее резкое увеличение скорости кристаллизации. При этом возникает периодический захват твердой фазой ликвирующей примеси, скапливающейся в процессе избирательной кристаллизации в жидкой фазе перед границей раздела. В результате этого примесь равномерно распределяется по сечению слитка и локально не скапливается в какой-либо структурной его зоне.

Измельчение зерна и однородность структуры металла достигаются в предлагаемом способе благодаря вибрационному и ударному воздействиям на металл в процессе его кристаллизации. В установленной на изложнице электроразрядной камере производят высоковольтный импульсный разряд в воде, при котором практически несжимаемая жидкость с огромной скоростью раздвигается от линии разряда, создавая полость кавитации и гидравлический удар. Затем полость смыкается, создавая второй - кавитационный удар. Этот цикл повторяется с частотой следования импульсов тока.

Созданные в разрядной камере электрогидравлические удары через электрод-волновод с насадкой передаются в расплав, вызывая в нем интенсивные упругие колебания. Возникающие при этом гидропотоки и знакопеременные давления разрушают растущие дендриты, вымывают их обломки в сторону оси слитка, устраняя таким образом зону транскристаллизации и создавая дополнительные центры кристаллизации, что приводит к измельчению зерна и выравниванию структуры литого металла.

Погружаемый в металл конец электрода-волновода с насадкой может в зависимости от степени перегрева металла перед разливкой либо оплавиться /или полностью расплавиться/, либо покрыться коркой затвердевшего металла и сплавиться со слитком. В первом случае может произойти загрязнение металла материалом электрода-волновода, а во втором случае возникнет необходимость в замене поршня разрядной камеры, являющегося продолжением вмерзшего электрода-волновода. Поэтому часть электрода-волновода, погружаемую в металл, целесообразно по технологическим соображениям выполнять разъемной и изготовлять из металла того же химического состава, что и обрабатываемый металл.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего описываемый способ, в которой приняты следующие обозначения: 1 - обрабатываемый металл; 2 - чугунная изложница; 3 - прибыльная часть изложницы; 4 - электроразрядная камера; 5 - электрод-волновод; 6 - насадка; 7 - генератор импульсов тока; 8 - внешняя электрическая цепь; 9 и 10 - электроды; 11 - центральный выступ поршня; 12 - поршень; 13 и 14 - изоляционные прокладки.

После наполнения металлом 1 изложницы 2 на ее прибыльную часть 3 устанавливают электроразрядную камеру 4 и погружают в жидкий металл электрод-волновод 5 с насадкой 6. Затем от генератора импульсов тока 7 по внешней электрической цепи 8 на электроды 9 и 10 подают высокое напряжение. В разрядном промежутке камеры 4, заполненной водой, возникает пробой между электродом 9 и центральным выступом 11 поршня 12. Пробой создает гидравлический и кавитационный удары, передающиеся через электрод-волновод 5 с насадкой 6 затвердевающему металлу 1. Кроме того, через образовавшийся в результате пробоя токопроводящий канал импульс тока подводится к металлу электродами 5 и 10 /через токопроводящую изложницу 2/ и вызывает глубокое переохлаждение металла на фронте кристаллизации. В целях электробезопасности и для исключения электрической цепи, параллельной металлу, изложницу 2 с ее прибыльной частью 3 отделяют от окружающего оборудования изолирующими прокладками 13 и 14.

Предлагаемый способ обработки металла был испытан на 16 экспериментальных плавках при отливке коррозионностойкой стали аустенитного класса 08Х18Н10Т в слитки массой 25 кг. Оптимальный режим обработки определяли в 3 сериях плавок /по 5 плавок в каждой/; для сравнения провели также 1 контрольную плавку без обработки. В первой серии изменяли параметр, определяющий для электроимпульсной обработки собственную частоту тока, во второй серии параметр, определяющий для виброимпульсной обработки удельную энергию в импульсе, а в третьей серии изменяли оба этих режимных параметра.

Исследование слитков на структурную неоднородность проводили на протравленных макрошлифах, на химическую неоднородность - по результатам спектрального анализа поперечных темплетов, вырезанных на уровне половины высоты слитка. Показатели эффективности обработки определяли по отношению к варианту без воздействий.

Обработку металла проводили в течение всего времени кристаллизации расплава до полного затвердевания слитка. Импульсный ток для обработки подводили от лабораторного релаксационного генератора RC типа.

Результаты испытаний сведены в таблицу 1.

Как видно из таблицы, оптимальным режимом обработки, обеспечивающим наибольшее снижение параметров структурной и химической неоднородности металла, является режим, при котором удельная энергия импульса тока находится в пределах 0,4 - 1,0 кДж на тонну, а собственная частота тока, определяющая крутизну возрастания тока в импульсе, - в пределах 20 - 80 кГц.

При величине удельной энергии в импульсе ниже 0,4 кДж/т ее недостаточно для разрушения формирующейся дендритной структуры /т.е. для измельчения структуры слитка/, а при величине энергии выше 1,0 кДж/т эффект от увеличения силы акустических ударов растет незначительно, но существенно возрастают энергетические затраты.

Снижение собственной частоты разрядного тока ниже 20 кГц приводит к значительному уменьшению крутизны возрастания тока в импульсе, вследствие чего не достигается необходимого переохлаждения за счет эффекта Пельтье на границе раздела фаз. При больших частотах тока /выше 80 кГц/ существенно снижается его амплитуда из-за высокого индуктивного сопротивления разрядной цепи генератора, что также приводит к уменьшению переохлаждения на межфазной границе металла.

Для сталей, менее подверженных транскристаллизации, чем исследованная нержавеющая сталь, эффективность обработки предлагаемым способом может оказаться еще выше.

Литература:

1. Авторское свидетельство N 519899, кл. B 22 D 27/08.

2. Авторское свидетельство N 1764249, кл. B 22 D 27/08.