способ обработки расплавленных материалов

Формула изобретения

1. Способ обработки расплавленных материалов электромагнитными полями, включающий воздействие на расплав магнитным полем, отличающийся тем, что воздействие на расплав осуществляют дистанционно при помощи антенного устройства с регулируемым фокусом излучения, при этом фокус излучения перемещают внутри объема обрабатываемого материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обрабатываемый материал перегревают на 7-10% относительно температуры плавления.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к металлургии, в частности к обработке расплавов электромагнитными полями, и может быть использовано также для обработки токсичных, агрессивных и т.п. сред в химической и других отраслях промышленности.

Уровень техники

Известен способ обработки электромагнитными полями материалов, преимущественно расплавов, содержащий воздействие электромагнитными полями на обрабатываемый материал на стадии жидкой фазы и кристаллизации. Электрические колебания определенной частоты подают на систему электромагнитов, расположенных вблизи литейной формы. Под действием магнитного поля за счет гидродинамических эффектов в расплавленном материале (металле) получают литые изделия с более плотной и мелкокристаллической структурой (Батышев А.И. Формирование отливок под воздействием давления, вибрации, ультразвука и электромагнитных сил. М.: НИИМАШ, 1977, с.37-47).

Недостатком способа является его непригодность для изготовления отливок больших габаритов с однородной структурой, что объясняется трудностями создания однородного магнитного поля по объему литейной формы.

Известен другой способ обработки электромагнитными полями материалов, преимущественно расплавов, реализованный в работе устройства для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитков и заготовок (Патент РФ №2156672, МПК В22D 27/02, опубл. 27.09.2000 г.). Способ включает воздействие на обрабатываемый материал структурированными магнитными полями на стадии жидкой фазы и кристаллизации. Вблизи литейной формы с помощью специального индуктора создают вращающееся винтовое магнитное поле. Магнитное поле с такой пространственной структурой индуцирует в расплаве систему токов, которые за счет гидродинамических эффектов порождают в расплаве упорядоченную периодическую систему течений (вихрей), что способствует повышению качества отливки. Изготовление этим способом отливок больших габаритов с измельченной структурой и повышенной прочностью достигается путем подбора конфигурации индуктора и частоты колебаний магнитного поля.

Недостатком этого способа-прототипа являются его низкие функциональные возможности и сложность, что объясняется необходимостью изготовления специализированного оборудования (индуктора) для каждой разновидности продукции в соответствии с конструкцией литейной формы, применяемой технологией заливки и производственными условиями.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей и упрощение способа.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ обработки расплавленных материалов, электромагнитными полями, включающий воздействие на расплав магнитным полем, и отличительных существенных признаков, таких как воздействие на расплав осуществляют дистанционно при помощи антенного устройства с регулируемым фокусом излучения, при этом фокус излучения перемещают внутри объема обрабатываемого материала.

В соответствии с пунктом 2 формулы данного изобретения обрабатываемый материал перегревают на 7-10% относительно температуры плавления.

Осуществление дистанционного воздействия на обрабатываемый материал при помощи антенного устройства позволяет производить структурную обработку материала (расплава) в литейной форме любой конструкции (а также в печи, ковше), при этом само антенное устройство не требует защищенного исполнения и может быть расположено в безопасной зоне.

Регулирование фокуса излучения формирующего магнитное поле антенного устройства позволяет дистанционно устанавливать местоположение фокуса (зоны с заданной структурой и напряженностью поперечного магнитного поля) и осуществлять перемещение фокуса внутри объема обрабатываемого материала, например в плоскости отливки.

Перемещение фокуса излучения формирующего магнитное поле антенного устройства внутри объема обрабатываемого материала позволяет за время производственного цикла (например, плавки и заливки металла) последовательно осуществлять воздействие магнитным полем на различные зоны внутри объема обрабатываемого материала (отливки), в т.ч. в жидкой сердцевине в процессе кристаллизации, что позволяет вести обработку материала для крупногабаритных отливок.

Перегрев обрабатываемого материала на 7-10% относительно температуры плавления снижает вязкость материала и также способствует получению более высоких выходных характеристик. Перегрев материала меньше 7% не позволит получить требуемую вязкость, а перегрев выше 10% экономически нецелесообразен.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - расширение функциональных возможностей и упрощение способа.

Осуществление предлагаемого способа иллюстрируется чертежами и примером реализации. На фиг.1 представлена схема обработки отливки в форме; на Фиг.2 - показано воздействие магнитного поля на жидкую сердцевину отливки; на Фиг.3 представлена схема обработки материала в плавильной емкости.

Пример 1. Общие условия проведения процесса

При помощи антенного устройства 1, содержащего, например, двойную встречную тороидальную излучающую обмотку 2 и криволинейный отражатель 3, формируют направленное электромагнитное излучение и фокусируют его (изображено пунктиром) на некотором удалении L в зоне фокуса 4, расположенной внутри объема обрабатываемого материала (отливки) 5, например, в плоскости 6 отливки, залитой в форму 7. (При этом структура поперечного магнитного поля, создаваемого в зоне фокуса 4, имеет заданные характеристики, например, вращающееся магнитное поле с периодической сменой направления).

Затем производят обработку материала 5, перемещая зону фокуса 4 путем, например, изменения кривизны отражателя 3 и угла наклона 8 устройства 1, в плоскости 6 отливки, последовательно в точки 9, 10 ...

Вращающееся магнитное поле в зоне фокуса 4 индуцирует в жидком металле 5 систему периодически меняющихся токов 11 в жидкой сердцевине отливки, изображенной на фиг.2. Взаимодействие этих токов с магнитным полем, индуцируемым формирующим антенным устройством 1, возбуждает в жидком металле электромагнитные силы, порождающие упорядоченную систему стационарных и автоколебательных микровихрей (т.н. течение Колмогорова). Согласно опытным данным для создания в расплавленном чугуне, в зоне размером 0,1 м, плоскопериодической стационарной гидродинамической структуры необходимо приложить структурированное магнитное поле с индукцией 1·10^-4 Т, т.е. заданная структура металла может быть получена с помощью слабого магнитного поля.

Описанные гидродинамические структуры обеспечивают интенсивное локальное перемешивание жидкого металла при незначительном интегральном перемещении металла из одной части объема в другую. Эти процессы сопровождаются микроакустическими эффектами, также оказывающими воздействие на структуру металла. Получаемая в результате отливка имеет измельченную и улучшенную кристаллическую структуру и повышенную прочность.

В случае применения предлагаемого способа см. фиг.3 обработку магнитным полем материала 5 (расплава), находящегося в плавильной емкости 12 (печи, ковше и т.п.), осуществляют в течение всего времени технологического процесса приготовления расплава (времени плавки), которое составляет от нескольких десятков минут до нескольких часов, при этом температуру расплава держат на 7-10% выше температуры плавления. Обработку магнитным полем производят путем перемещения зоны фокуса 4 (изображено пунктиром) внутри объема расплава 5. За счет продолжительного времени обработки материала магнитным полем, а также перемешивания материала получают отливки с более высокими и однородными характеристики.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с использованием электромагнитной антенны, которая создает вращающееся магнитное поле в фокусе на расстоянии до 10 м, что позволяет успешно применять предлагаемый способ в новых технологиях металлургии.

Пример 2. Апробирование процесса в производственных условиях. Были проведены опытные работы по применению данного способа с целью улучшения физико-механических свойств металлов и сплавов. В качестве антенного устройства использовалась электромагнитная антенна по вышеуказанной заявке на изобретение. Исследовались легированные стали следующих марок:

- 110Г13Л,

- 40ХЛ,

- 35Л,

- 12Х18Н9ТЛ,

- 10ХН3МДЛ.

Эксперименты проводились на индукционных металлургических печах ИСТ-016 и ИСТ-028, печах-вагранках с емкостью накопителя - 5000 кг.

Антенное устройство устанавливалось на штативе вблизи металлургической печи на расстоянии от 0,5 до 20 метров. Обработку электромагнитным излучением проводили во время рафинирования расплава металла в течение 15-40 минут.

Одновременно с разливом металла в формы происходила заливка одного пробника для определения химического состава и три блока пробников для определения механических свойств в количестве не менее 10 штук. Из данных пробников изготавливались образцы для механических испытаний:

- два разрывных образца типа III - 7К,

- восемь ударных образцов типа «Менаже».

Определяется химический состав стали на соответствие ГОСТ 977-88.

Производились механические испытания образцов:

- предела прочности при растяжении;

- предела текучести;

- относительного удлинения;

- относительного сужения;

- ударной вязкости при +20°С,

при -40°С.

Проводилось исследование микроструктуры полученных образцов. Полученные результаты сравнивались со стандартными результатами для данной марки стали, а также с результатами контрольных плавок, проведенных без электромагнитной обработки. Проводились также исследования с помощью рентгено-структурного анализа.

Получены следующие результаты.

Во всех без исключения плавках отмечено измельчение микрокристаллической структуры металлов по сравнению с контрольными образцами.

- 110Г13Л - на 3-4 балла,

- 40ХЛ - на 5-6 баллов,

- 35Л - на 5-6 баллов,

- 12Х18Н9ТЛ - на 4-5 баллов.

Для сталей 110Г13Л, 35Л и 12Х18Н9ТЛ получены механические свойства, в 1,5 раза превосходящие средние свойства этой стали согласно цеховой статистике.

В 1,5-2 раза возрос коэффициент ударной вязкости у стали 40ХЛ: 870-990 кДж/кв.м против 544 кДж/кв.м для средних значений цеховой статистики.

Для стали 10ХН3МДЛ отмечено увеличение коэффициента ударной вязкости в 4-5 раз.

Вышеприведенные примеры подтверждают возможность осуществления, использования по назначению изобретения, как описано в формуле изобретения.

Несмотря на то что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения.