Электрогидроимпульсная обработка расплава и ее физические особенности

1.3 Электрогидроимпульсная обработка расплава и ее физические особенности

При электрогидроимпульсной обработке (ЭГИО) расплава за счет электровзрыва в специальном электроразрядном генераторе упругих колебаний (ЭРГУК) через специальный волновод с определенной частотой посылки подается акустическое поле широкого спектра частот (от единиц Гц до сотни кГц) [29]. Именно широкий спектр частот поля давлений, образующегося в расплаве,  существенно отличает этот метод от ультразвуковой обработки расплава [30, 31]. Более чем 20-летний опыт работы в этом направлении позволяет нам уверенно утверждать, прежде всего о том, что  ЭГИО приводит к кавитационному эффекту в объеме металла [32]. Другим важнейшим обстоятельством является каталитическое действие акустического поля на границах раздела фаз [33]. Известно, что именно эти два обстоятельства являются определяющими при изменении структуры и свойств расплава [1, 34, 35]. При этом происходит дегазация и  попутное рафинирование последнего за счет выноса неметаллических включений активизированными гидропотоками, а также за счет флотационного эффекта. Расплав гомогенизируется (выравнивается его температура и состав), ускоряются диффузионные процессы, наблюдаются эффекты диспергирования включений и кластеров [35-37]. И, наконец, третий фактор, - при ЭГИО происходит активизация потенциальных центров зародышеобразования [38, 39], т.е. в расплаве образуются дополнительные  центры кристаллизации преимущественно по гетерогенному механизму.

Оборудование для ЭГИО состоит из трех основных блоков: энергетического, технологического и блока управления. В качестве энергетического блока (источника питания) используют генератор импульсных токов (ГИТ) с емкостным накопителем энергии. Основным элементом технологического блока является ЭРГУК, снабженный специальным волноводом, как правило, из стали Ст3сп. Волновод ЭРГУК подается в расплав или с помощью крановых средств или специальным устройством, которое учитывает размещение ковша и производственные площади. ЭРГУК отличается простотой конструкции, небольшими габаритами, не имеет вращающихся деталей, достаточно легко компонуется в технологические схемы металлургического производства. Управление оборудованием осуществляется с дистанционного пульта управления. Схема и технологические приемы обработки являются индивидуальными для конкретного цикла металлургического передела. На рис.1.4 показана общая схема  ЭГУ для обработки расплава в ковше.

Известно, что по закону Арениуса скорость химической реакции с ростом температуры возрастает по экспоненте. ЭГИО не влияет на макротемпературу расплава, поэтому ожидать влияния обработки на химические реакции не приходится. Но акустическое поле в расплаве способствует изменению характеристик поверхностных эффектов на границе раздела фаз, что приводит к устранению условий, лимитирующих химические реакции.

Такое специфическое (избирательное) воздействие акустического поля, приводящее к химическим превращениям, позволяет надеяться на дополнительное изменение химического состояния жидкого сплава. Это особо важное обстоятельство, т.к. металлические расплавы разной природы отличаются, прежде всего, характером химического взаимодействия образующих его атомов, что и определяет различие их структуры и свойств [40, 41].

Изучение кавитационных аспектов в расплаве при ЭГИО [32, 36] позволили детально рассмотреть условия зарождения пузырьков газа в жидком металле, их всплытие и роль в процессах обработки расплава. При этом установлено появление в ковше дополнительных гидродинамических зон. Учитывая то, что многие положительные эффекты, происходящие при ЭГИО, вызваны именно образующимися пузырьками, эти результаты позволили объяснить механизм ЭГИО.

ГИТ- генератор импульсов тока; ЭРГУК- электроразрядный генератор упругих колебаний; W- запасаемая энергия; U- запасаемое напряжение; t-продолжительность обработки.

Рисунок 1. 4 - Общая схема внепечной электрогидроимпульсной обработки

Комплексные исследования, проведенные в ИИПТ НАН Украины, показали [36, 38, 39, 42],  что в высокоуглеродистых расплавах при ЭГИО можно получать ряд состояний: метастабильное основы системы; метастабильное отдельных компонентов; устойчивое состояние системы или близкое к нему. Эти данные позволили определить параметры и условия воздействия на расплав и показали, что ЭГИО реализует передачу “положительных”  и устранение “отрицательных” наследственных признаков в системе “шихта – расплав – отливка”. Помимо этого установлено изменение кинетики процессов, протекающих на этапах заключительной термической обработки отливок, приведшее к существенному повышению эксплуатационных характеристик.

ЭГИ обработка расплавов на основе Al [43-45] позволила выявить ряд эффектов, не наблюдавшихся ранее. Прежде всего, следует отметить изменение морфологии интерметаллидных фаз. В сплаве ВАЛ-10, предварительно модифицированном интерметаллидами TiAl₃  различной формы (шаровидной, реечной, крестообразной)  и размеров [43], в результате ЭГИО произошло их существенное измельчение за счет растворения. При этом тугоплавкие интерметаллиды с измененными геометрическими параметрами выступили в роле дополнительных центров кристаллизации, что наряду с использованием эффектов структурной наследственности позволяет осуществлять управление процессом структурообразования. Обработка вторичного сплава АК5М2 с нежелательным, повышенным содержанием Fe (до 2,0%) показала, что морфология интерметаллидной фазы FeSiAl₅ изменяется с игольчатой, вызывающей охрупчивание, на компактную [45]. ЭГИО способствует увеличению скорости химических реакций, в частности интенсификации реакции восстановления оксидов твердым углеродом [46].