Введение к работе
Актуальность. Непрерывный рост потребления алюминиевых изделий и требований, предъявляемых к их качеству, обусловливает поиск новых, более эффективных технологий, применяющихся на всех этапах производственного цикла от приготовления алюминиевого сплава до получения слитков высокого качества. Наиболее эффективными при этом являются технологии, предусматривающие производственное использование электрических и магнитных полей, электрического тока и других электрофизических факторов. Таковыми являются различные виды электротехнологий. Большой вклад в создание электротехнологического оборудования металлургического назначения сделан такими учеными как B.C. Чередниченко, А.Б. Кувалдин, В.П. Рубцов, Ф.Н. Сарапулов, В.Н. Тимофеев и др.
Качество и физико-механические свойства алюминиевых сплавов во многом определяется условиями их кристаллизации. В соответствии с современными представлениями о кристаллизации металлов и сплавов сочетание высоких скоростей охлаждения и методов активного воздействия на кристаллизующийся расплав позволяет получать сплавы с требуемыми физико-механическими характеристиками.
На протяжении многих лет российскими и зарубежными учеными ведутся работы по изучению воздействия электромагнитных полей на процесс кристаллизации и свойства алюминиевых слитков. В конце 60-х годов 20-го века целый ряд исследователей в СССР, Великобритании, Франции и США пришли к целесообразности промышленного использования электромагнитного перемешивания расплава при его кристаллизации. Наиболее широко известны работы в этой области З.Н. Гецелева, Ю.А. Самойловича, А.Ф. Колесниченко, А.Б. Капусты, И.Л. Повха, В.И. Дубоделова, Sh. Asai и др. Результатом их исследований явилось широкое распространение электротехнологических установок, используемых для электромагнитного перемешивания жидкой фазы слитка в процессе его кристаллизации. Многолетняя эксплуатация таких установок показала высокую эффективность воздействия на кристаллизующийся расплав электромагнитного поля, что позволяет получить высокое качество поверхности слитка, высокую дисперсность и равномерность его микроструктуры и повышенные физико-механические свойства.
Вместе с тем, еще одним фактором, позволяющим получать алюминиевые сплавы со специальными характеристиками (высокая прочность, коррозионная стойкость, электропроводность, жаропрочность и др.), является скорость охлаждения. Эффект, получаемый от высоких скоростей охлаждения, подробно изучен в работах В.И. Добаткина, В.И. Елагина, Б.И. Бондарева и др. Благодаря их работам, быстрая кристаллизация как основа получения сплавов с комплексом свойств, не достижимых при использовании традиционных технологий литья, является не только предметом многочисленных исследований, но и находит все более широкое промышленное применение. Однако все существующие на сегодняшний день технологии быстрой кристаллизации характеризуются
низкой производительностью, малым выходом годного, нестабильностью физико-механических свойств полуфабрикатов, получаемых из гранул и др.
Таким образом, в настоящее время актуальной остается задача повышения эффективности процесса получения алюминиевых сплавов, обладающих специальными свойствами, за счет уменьшения количества технологических операций, увеличения производительности и выхода годного, уменьшения взрыво-и пожароопасности технологического процесса. В связи с этим представляет большой научный и практический интерес создание технологии и реализующего ее оборудования, позволяющих путем управления физическими процессами в кристаллизующемся слитке получать сплавы с заданными физико-механическими свойствами.
Как показал анализ возможных путей решения поставленной задачи, наиболее перспективным направлением является применение для этих целей электротехнологий, способных обеспечить комплексное воздействие на расплав в процессе его кристаллизации с целью создания условий, необходимых для получения сплавов с заданными физико-механическими свойствами.
Объектом исследования является электротехнологический комплекс для получения непрерывнолитой заготовки из алюминия и алюминиевых сплавов методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле с управляемым фронтом кристаллизации слитка.
Предмет исследования: электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы в алюминиевом слитке, кристаллизующемся в электромагнитном поле, их влияние на структуру и свойства формирующегося слитка, энергетические параметры и режимы работы электротехнологического комплекса.
Целью работы является развитие теоретических основ электротехнологического оборудования для получения высоколегированных алюминиевых сплавов с заданными физико-механическими свойствами методом кристаллизации в электромагнитном поле.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Анализ использования в составе плавильно-литейных комплексов электротехнологического оборудования и электротехнологий, обеспечивающих повышение качественных показателей производства на всех этапах технологического цикла от приготовления сплава до литья.
-
Анализ факторов, влияющих на структуру и свойства кристаллизующегося слитка, способов управления ими в процессе кристаллизации и обоснование наиболее эффективных методов моделирования физических процессов, протекающих в электротехнологических системах непрерывной разливки сплавов.
-
Разработка математической модели сопряженных электромагнитных, тепловых и магнитогидродинамических процессов кристаллизующегося в электромагнитном поле слитка, учитывающей основные факторы воздействия на его физико-механические свойства, анализ закономерностей протекания этих процессов в системе «индуктор-слиток» и оценка их взаимного влияния для определения способов управления процессом кристаллизации.
-
Создание опытно-промышленной электротехнологической установки для экспериментального исследования процесса кристаллизации алюминиевых сплавов в электромагнитном поле при различных значениях воздействующих факторов (скорость вытягивания слитка, диаметр слитка, частота питающего напряжения), анализ микроструктуры и физико-механических свойств полученных образцов и определение степени воздействия на них различных факторов.
-
Определение диапазона электротехнических параметров системы кристаллизации расплава металлов, обеспечивающих устойчивое формирование слитка с мелкокристаллической структурой.
-
Разработка технических требований к создаваемому промышленному оборудованию, основанных на результатах математического и физического моделирования, формулирование обобщенных рекомендаций и их реализация при создании опытно-промышленной электротехнологической установки для получения непрерывнолитой заготовки из высоколегированных алюминиевых сплавов.
Научная новизна диссертационной работы определяется тем, что:
-
Впервые разработана математическая модель сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в кристаллизующемся слитке, позволяющая учитывать влияние фазового перехода и свободной поверхности металла, удерживаемой электромагнитным полем, на условия кристаллизации слитка и устойчивость его формирования.
-
В результате численного и физического экспериментов выявлены количественные и качественные закономерности протекания электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в слитке, кристаллизующемся в электромагнитном поле, позволяющие оценить их взаимное влияние друг на друга и на параметры технологического процесса, а именно:
- установлено, что для рассматриваемого способа литья при диаметрах слитка 5
-15 мм, скорость охлаждения достигает от 300 до 1000 К/с, что соответствует
нижнему диапазону скоростей охлаждения, получаемых методами быстрой
кристаллизации,
- показано, что устойчивое формирование цилиндрического слитка диаметром
5-15 мм обеспечивается в диапазоне частот питающего напряжения 20-60 кГц
и токов в индукторе 2500 - 4700 А,
определены характер и интенсивность циркуляции металла у поверхности раздела жидкой и твердой фаз слитка в зависимости от электрических параметров кристаллизатора и технологических параметров процесса литья и установлено, что в рассматриваемом диапазоне частот и токовой нагрузки средняя скорость циркуляции металла вблизи фронта кристаллизации составляет порядка 0,1 м/с,
показано влияние тепловых и гидродинамических параметров кристаллизации на формирование слитка, его структуру и физико-механические свойства;
3. На основании сопоставления результатов численного и физического экс
периментов установлен синергетический эффект высокой скорости охлаждения
и электромагнитного перемешивания, результатом которого является равномерная по сечению мелкодисперсная структура с дендритным параметром 10 -20 мкм, что соответствует скоростям охлаждения 104- 105К/с при применении гранульных технологий.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны и реализованы алгоритмы расчета электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в жидкой фазе кристаллизующегося слитка. Выявлены факторы, влияющие на формирование структуры и физико-механические свойства сплавов, полученных методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле.
-
Спроектирована и создана опытно-промышленная электротехнологическая установка для получения непрерывнолитых слитков в электромагнитном поле, обеспечивающая реализацию исследуемых технологических режимов получения слитков с заданными физико-механическими свойствами, и определены технологические параметры процесса кристаллизации алюминиевых сплавов.
-
Впервые получены опытные образцы непрерывнолитых слитков диаметром 5-15 мм из алюминиевых сплавов методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле при различных условиях литья, позволившие оценить эффективность воздействия исследуемых параметров кристаллизации на структуру и физико-механические свойства слитков.
-
Разработанные способ и устройства для непрерывного литья слитков защищены патентами РФ № 2395364, № 86511, № 48836.
На защиту выносятся:
-
Научные основы электротехнологического оборудования для быстрой кристаллизации непрерывнолитого слитка в электромагнитном поле, обеспечивающего более высокую производительность и эффективность по сравнению с гранульными технологиями и заданный комплекс свойств получаемых слитков.
-
Математические модели и алгоритмы расчета сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов кристаллизующегося в электромагнитном поле слитка, позволяющие эффективно решать задачи создания условий кристаллизации, необходимых для получения слитков с требуемыми физико-механическими свойствами.
-
Закономерности протекания физических процессов при кристаллизации слитка в электромагнитном поле, их влияние друг на друга и свойства слитка, энергетические характеристики и условия процесса кристаллизации.
-
Конструкция, основные электрические и технологические параметры электротехнологической установки для получения алюминиевых сплавов со специальными свойствами методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью используемых допущений, применяемых средств и методов научных исследований и подтверждается удовлетворительной сходимостью экспериментальных
данных, полученных на опытно-промышленной установке, с теоретическими расчетами и данными других авторов.
Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка задач данного исследования, обоснование и разработка положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы; проведение, анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований; разработка математических моделей; разработка и внедрение электротехнологических систем для быстрой кристаллизации алюминиевых сплавов в электромагнитном поле.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 4-ой Международной конференции по нетрадиционным электромеханическим и электрическим системам (Санкт-Петербург, 1999 г.); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы и достижения в области электротехнологий в XXI веке»(Санкт-Петербург, 2001 г.); 5-ой международной конференции по нетрадиционным электромеханическим и электрическим системам (Щецен, Польша, 2001 г.); Международном семинаре по нагреву внутренними источниками (Падуя, Италия, 2001 г.); Международной научно-технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении» (Тула, 2002 г.); 8-ой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2002 г.); 5-ой международной конференции фундаментальной и прикладной магнитной гидродинамики «PAMIR» (Раматуэль, Франция, 2002 г.); Международном научном коллоквиуме «Моделирование электромагнитных процессов» (Ганновер, Германия 2003 г.); Международном симпозиуме по нагреву электромагнитными источниками (Падуя, Италия, 2004 г.); Международной конференции «Проблемы теории и практики индукционного нагрева» (Санкт-Петербург, 2005 г.); XII международной конференции «Алюминий Сибири» (Красноярск, 2006 г.); Международном симпозиуме по нагреву электромагнитными источниками (Падуя, Италия, 2007 г.); 2-ой Международной конференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева» (Санкт-Петербург, 2009 г.); 1-ом Международном конгрессе «Цветные металлы Сибири - 2009» (Красноярск, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2010 г.); Третьем международном конгрессе «Цветные металлы - 2011» (Красноярск, 2011 г.); XVII Международный Конгресс UIE-2012 «Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies» (Санкт-Петербург, 2012 г.).
Реализация результатов работы. Полученные результаты исследований нашли практическое применение при разработке и проектировании технологического оборудования по договору № 218у/2008/0421 от 03.04.2008 г. с ОАО «Чебоксарский завод кабельных изделий «Чувашкабель» (Чебоксары); при создании (2005 г.) и последующей модернизации (2010 г.) опытно-промышленной установки для литья алюминиевых сплавов в электромагнитном поле для ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики» (Красноярск); при выполнении работ по до-
говорам №17-кр. от 10.04.2008 г. с ООО «Конэкс» (Москва) и №04/09/-мг-01417 от 17.09.2009 г. с ООО «Эльта» (Москва).
Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 61 печатной работе, в том числе 18 статей в изданиях входящих в перечень изданий, рекомендованный ВАК РФ, 20 докладов на конференциях, 8 патентов на изобретения и полезные модели, 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 3 депонированных рукописи и 9 статей в межвузовских сборниках научных трудов.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 5 разделов, заключение, список использованных источников и приложения. Работа содержит 310 страниц основного текста, включая 87 рисунков и 19 таблиц. Список использованных источников состоит из 208 наименований.
