Анализ результатов обработки расплава в жидком и кристаллизующемся состояниях электрическим током

1 Анализ результатов обработки расплава в жидком и кристаллизующемся состояниях электрическим током.

1.1 Обработка расплавов постоянным и переменным электрическим током.

Обработка расплава постоянным электрическим током относится к одним из наиболее простых и относительно дешевых способов внепечной обработки жидкого металла [4].

Еще в 60-е годы этот способ предложено использовать для рафинирования вторичных алюминиевых сплавов [13]. При обработке алюминиевого сплава постоянным током (напряжение  12-15 В, сила тока 0,6-1,2 кА) в течении 1 мин образцы получаются более плотными и приобретают иммунитет к образованию газовой пористости. Автор объясняет это тем, что при наложении постоянного тока частицы водорода направляются к катоду и, разряжаясь на нем, переходит в атомарное, а затем в молекулярное состояние и удаляется из расплава в виде пузырьков. Неметаллические примеси, находящиеся в расплаве в виде мелкодисперсных взвесей, несут определенные заряды, и, направляясь к электродам, могут быть удалены вместе с ними.

В ряде более поздних работ [14-25] авторами не только приводятся результаты экспериментальных исследований, подтверждающих положительное влияние электрического тока на расплав, но и проведен ряд экспериментальных исследований, направленных на изучение механизмов влияния постоянного электрического тока на металлические расплавы. Исходя из полученных результатов, авторами был сделан вывод, что под влиянием электрического тока в расплаве, на межэлектродном участке, происходит изменение энергии электронов, переданной атомам сплава, расположенным около центров кристаллизации (ЦК), и приводит к их активации. Это позволяет участвовать большему числу ЦК в процессе кристаллизации, что увеличивает число зародышей кристаллов (ЗК) в единице объема сплава. Показано, что при пропускании постоянного тока через расплав имеет место явление, связанное с изменением поверхностного заряда сплава. Авторы считают, что возникновение разности потенциалов между расплавом и ЗК объясняется различной высотой уровней Ферми этих фаз. Увеличение скачка потенциала на границе раздела фаз приводит к повышению концентрации ионов в слое расплава, контактирующем с ЗК, и росту заряда на поверхности самого ЗК.

Ряд работ был посвящен исследованиям по обработке током жидких Fe-C сплавов [13-21]. Путем теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что воздействие электротоком на расплав целесообразно  применять при модифицировании и легировании, так как такая обработка не только увеличивает количество кристаллов в единице объема сплава, но повышает степень усвоения добавок. Таким образом процесс внепечной обработки сплавов становится более эффективным и экономичным, увеличивая при этом механические и эксплутационные свойства Fe-C сплавов.

Данные работы показывают, что обработка постоянным электрическим током, в целом, оказывает положительное влияние на различные свойства сплавов. Однако, общим недостатком, является  металловедческий уклон в исследованиях у большинства работ, нет сведений о параметрах источников тока и схем обработки. В связи с этим затруднен выбор оптимальной схемы обработки и управляющих параметров. Так, например, в работе [22] критерием оптимальной обработки является плотность тока. Однако, в противовес этому, в работе [17] автор утверждает, что именно величина силы тока, а не его, тока, плотность, существенно влияет на параметры кристаллизации металла, и именно увеличение силы тока свыше оптимальной величины ухудшает эффект воздействия. Что же касается обработки переменным электрическим током, то каких либо данных о таком виде внепечной обработки найдено не было.

1.2 Обработка расплавов импульсным электрическим током.

Наряду со способом обработки постоянным электрическим током существует способ внепечной обработки расплава путем пропускания через него импульсного электрического тока. Под импульсным током будем понимать ток малой продолжительности импульса, с определяемым параметрами цепи периодом, и большой продолжительностью между импульсами (нестационарный периодически повторяющийся режим). По сравнению с обработкой постоянным током, такой режим характеризуется большим числом варьируемых параметров обработки:

-   амплитуда напряжения;

-  период разрядного тока;

-  длительность импульса;

-  мощность импульса;

-  энергия, вводимая в расплав.

Кроме того, при обработке импульсным током можно выделить следующие характерные факторы:

- наличие мощных высококонцентрированных потоков энергии;

- существенная неравновесность процессов;

- высокие скорости нагружения объекта обработки;

- наличие сложного тепло-массообмена;

- возможность существования нескольких фаз в объекте обработки;

        - изменение структуры и свойств объекта обработки в процессе нагружения.

Необходимо отметить то, что на основе проведенных в этом направлении металловедческих исследований, способ внепечной электроимпульсной обработки жидких и кристаллизующихся металлов и сплавов может являться основой перспективных технологий повышения качества литых изделий из черных и цветных сплавов. Об этом говорят, как уже отмечалось, немногочисленные, но положительные полученные результаты уже проведенных исследований.

В работе [26] показано, что электроимпульсная обработка стали У7 и 1Х18Н9Т в процессе кристаллизации приводит к снижению химической неоднородности слитков  и улучшению их структуры. Зональная ликвация серы в стали У7 уменьшается в 2,7-3,5 раза, углерода – в 2,2-3,4 раза, дисперсность структуры стали повышается в 1,5 раза, а ширина центральной зоны равноосных кристаллов увеличивается на 10%. Отмечено, что электроимпульсная обработка позволяет управлять распределением примесей по сечению слитка путем изменения электрического режима обработки (параметров импульсного тока). Это, по мнению авторов, позволяет получать слитки без ликвационных дефектов и открывает новые возможности в замене кованых изделий литыми.

Повышение прочностных свойств сталей в процессе  кристаллизации рассмотрено в статье [27]. В работе показано, что импульсное воздействие электрического тока на высокомарганцевые стали благоприятно влияет на структурные изменения; измельчается структура, получаются двойники деформации и дисперсные карбиды. Это повышает износостойкость и трещиностойкость стали. Импульсы тока получали с помощью установки, обладающей следующими техническими характеристиками: максимальная энергоемкость  20 кДж, максимальное напряжение заряда 5,8 кВ, максимальный ток в импульсе до 10⁵ А, полупериод импульса до 25 мкс, частота импульсов составляла 1 Гц.

Электромпульсная обработка жаропрочного сплава рассматривалось в [28]. В работе обработка осуществлялась с помощью индуктивно наведенных в расплаве импульсов электрического тока. Показано, что импульсная обработка кристаллизующегося жаропрочного сплава ЧС70 способствует измельчению микроструктуры, уменьшению микронеоднородностей, прежде всего по алюминию и титану, повышению физико-химических свойств жаропрочных сплавов. Эксперименты проводились на установке, режим работы которой – частота следования импульсов тока составила 1-6 Гц; импульсный ток –        0,8-2,4 кА; длительность импульса тока равна одной положительной полуволне  синусоидального тока и при использовании тиристорного коммутатора составляет 0,01 с (частота сети 50 Гц).