Исследование влияния механического перемешивания на объемную кристаллизацию методом физического моделирования Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип.№14

УДК 532.526:669.18

Жук В.И.*

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ НА ОБЪЕМНУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ МЕТОДОМ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Рассмотрены результаты физического моделирования влияния низкочастотного механического перемешивания в радиальном и вертикальном направлении на объемную кристаллизацию из раствора. Разработана методика вычисления параметров, определяющих степень воздействия на кинетику роста твердой фазы.

Необходимость получения высококачественного литого металла привела к развитию различных способов внешнего воздействия на расплав. В литературе [1-3] подробно рассмотрены основные направления научных и практических исследований в этой области. Как отмечено в работе [1], внешние воздействия на жидкий и кристаллизующийся расплав возможно осуществлять двумя принципиально отличными способами: статическим и динамическим. Первый способ, как правило, не предусматривает интенсификацию конвективного течения металла, его осуществляют вводом в расплав микро- и макрохолодильников. В ряде случаев производят утепление прибылей в изложнице, применяют теплоизолирующие шлаковые покрытия для снижения скоростей конвективных потоков расплава.

Динамические способы основываются на интенсификации тепло- и массообмена путем принудительного перемешивания расплава с помощью механических, электромагнитных, вибрационных, газоимпульсных и ряда других устройств [2,3]. При использовании динамических способов существенное значение приобретает передача тепла в условиях смешанной и вынужденной конвекции. Характерной особенностью второго способа является активное воздействие на гидродинамику расплава, а также создание дополнительных центров кристаллизации. Среди основных причин, сдерживающих промышленное освоение внешнего воздействия на расплав, следует отметить недостаточно обоснованное решение вопросов, связанных с гидродинамикой расплава. В связи с этим предлагаемые к промышленному внедрению установки в неполной мере эффективны и экономичны. Большой интерес представляют способы интенсификации тепло- и массообмена на начальных стадиях формирования слитков и отливок заготовок путем перемешивания расплава с помощью различных механических устройств.

В работе [3] указано, что рост кристаллов в условиях перемешивания определяется двумя конкурентными процессами - интенсивностью теплоотвода от жидкой фазы (последовательная кристаллизация) и интенсивностью обламывания ветвей дендритов (объемная кристаллизация). Взаимосвязь этих процессов до сих пор не выяснена досконально, тем более что в зависимости от способа и мощности перемешивания гидродинамическая картина оказывается различной. Поэтому возникает проблема изучения механизмов влияния вынужденной конвекции на кристаллизацию и структурообразование при различных видах механического воздействия на жидкий и кристаллизующийся металл.

Цель настоящей работы - исследование гидродинамики жидкости в условиях радиального и вертикального механического перемешивания и её влияния на процессы объемной кристаллизации.

Решение поставленной задачи основано на методе физического моделирования объемной кристаллизации из раствора, предложенном в работах [4,5] для анализа статического воздействия макрохолодильников на жидкий расплав. Исследование механизма влияния вынужденного перемешивания на процессы объемной кристаллизации и конвекции проводили

* ПГТУ, канд. техн. наук, доцент

на физической модели с использованием положений работ [4,5]. Пересыщенный раствор четыреххлористого аммония разливали одновременно в прозрачные изложницы цилиндрической формы и затем охлаждали в условиях механического перемешивания, вибрации и без воздействия (сравнительный вариант). Механическую мешалку, выполненную в виде двухлопастного пропеллера, погружали на определенную глубину вдоль оси изложницы и осуществляли перемешивание в осевом направлении (такой вид перемешивания будем называть радиальным). Частота вращения варьировалась в пределах от 2 до 20 Гц. Перемешивание в вертикальном направлении осуществляли при возвратно-поступательном движении вибратора, изготовленного в виде цилиндрического стержня со сменным наконечником в форме диска. Вибратор испытывал колебания вдоль оси изложницы в вертикальном направлении с частотой от 2 до 20 Гц и амплитудой 1,5 см (такой вид перемешивания будем называть вертикальным). Интенсивность вертикального перемешивания изменяли в зависимости от диаметра диска (вибрация вида 1-е диаметром диска 10 мм, вибрация вида 2-е диаметром диска 20 мм). Температурные кривые в ходе процесса строили по показаниям ртутных термометров. Диапазон температур: начальная 50-70 °С, внешней среды 20 °С, кристаллизации 50 °С. Размеры изложницы: диаметр 67 мм, высоту варьировали в пределах H/D=l-^3. В ходе охлаждения образующиеся кристаллы опускаются на дно изложницы и формируют слой затвердевшей фазы. Динамику процесса кристаллизации определяли по высоте слоя кристаллов на дне сосуда. Результаты опытов нормировали по отношению к высоте слоя, образовавшегося при полном остывании раствора в равновесных условиях без всяких воздействий. Дело в том, что всякое механическое перемешивание может привести к измельчению или укрупнению кристаллов, и, соответственно, к уплотнению или разрыхлению структуры твердой фазы. Полученные данные представили в виде кинетических кривых охлаждения и кристаллизации (рис. 1).

Время, мин

Рис. 1 - Кинетические кривые охлаждения раствора и роста твердой фазы при различных

видах воздействия на жидкость 1 - безразмерная температура в = ( Т - Тсреды ) /(Тзаливки - Тсреды ) без воздействия

(сравнительный опыт), 2 - то же при радиальном воздействии, 3 - то же при воздействии вибрацией вида 1, 4 - то же при воздействии вибрацией вида 2, 5 - доля твердой фазы без воздействия (сравнительный опыт), 6 - то же при радиальном воздействии, 7 - то же при воздействии вибрацией вида 1, 8 - то же при воздействии вибрацией вида 2.

Обработку кинетических кривых (рис.1) проводили в соответствии с теорией объемной изотермической кристаллизации, подробно рассмотренной в работе [6]. На физической модели после снятия перегрева раствора температура в центре и у стенок изложницы отличаются незначительно, поэтому можно считать кристаллизацию раствора изотермической. Последовательная кристаллизация идет только от дна изложницы и в начале охлаждения, а выделение кристаллов происходит практически по всему объему раствора. Поэтому полагаем кристаллизацию объемной.

В соответствии с положениями работы [6], объем твердой фазы V , выделившейся при затвердевании расплава объемом Уд, определяется зависимостью (1):

V =у0(1~ е~а*Ь (1)

где а и Ъ - постоянные для конкретных условий зарождения и роста кристаллов. Так, в случае роста сферических кристаллов, согласно зависимости А.Н. Колмогорова, показатель Ь равен 4 и формула (1) имеет вид (2):

л . 3 4

--«V t ^ч

V =^0(1~е 3 ) ^

сЫ

Здесь п = — - скорость зарождения центров кристаллизации в единице объема

Л

переохлажденного расплава, п =- - концентрация центров кристаллизации, V - линейная

ёУ

скорость роста кристаллов.

Для кубических кристаллов Ь=3 и справедлива аналогичная зависимость (3):

V =Г0(1-е~2^2(3 ) (3)

Используя эти соображения, представим долю твердой фазы при кристаллизации из раствора в виде £ = V У0. где V - объем твердой фазы, выделившейся при объемной кристаллизации из раствора, У0 - объем твердой фазы, соответствующий равновесной диаграмме состояния раствора при температуре внешней среды.

Таким образом, долю твердой фазы, начиная с момента образования первых кристаллов в объеме раствора, при физическом моделировании принимали зависящей от времени по закону (4):

% = Ш , (4)

где параметры а и Ъ необходимо найти из опытных данных. Кроме этого, интересно

исследовать зависимость величины скорости роста твердой фазы К = £ = —^— от времени.

Л

Ъ-1 -

Теоретический анализ формулы (4) показывает, что в момент времени tм = (-)ь величина

аЪ

скорости роста твердой фазы Я имеет максимальное значение, равное

,. , аЪ . Ъ-1 , ЯМ=(Ъ- 1)(—)ъ ехр(--—;. (5)

Ъ-1 ъ

Максимум достигается, когда доля твердой фазы равна gм = 1 - ехр(--), что при

Ъ

значениях Ъ=Ъ соответствует 0,49, а при Ъ=4 - 0,53, т.е. образованию половины кристаллов. Поскольку тип кристаллов аммония дендритный, напоминающий тетраэдр с вершинами в виде елочки, поэтому при обработке зависимостей, представленных на рис. 1 и 2, показатель степени Ъ оказался лежащим в интервале от 2,4 до 3,2 и в дальнейшем анализе его принимали равным 3.

Коэффициент а, определяющий скорость образования твердой фазы, зависит от вида перемешивания и стадии процесса. Для различных видов воздействия в начале и конце кристаллизации значения коэффициента а, полученные при обработке кривых 5-8 (рис.1), приведены в таблице.

Таблица - Значения коэффициента а, определяющего эффективность различных видов воздействия в начале и в конце кристаллизации

Вид воздействия В начале В конце

кристаллизации кристаллизации

Сравнительный опыт 0,0002 0,0001

Радиальное воздействие 0,0009 0,0001

Вертикальное воздействие вида 1 0,0002 0,0001

Вертикальное воздействие вида 2 0,0008 0,0002

По кинетическим кривым (рис.1) получены зависимости скорости роста твердой фазы от времени (рис.2). Характерно, что максимум скорости для трех случаев приходится на один и тот же момент времени, приблизительно соответствующий образованию 50% твердой фазы. Это подтверждает выведенные выше теоретические соотношения. Максимальное значение

скорости также вписывается в рамки теории, при этом уравнение (5) примет вид Ям = \[а . Исключение составляет случай радиального воздействия.

8

1 7

1»

2

в? 5

а

Б 4

о

о.

¡2 3 о

о. 2

о

¡£

0 1 о

1

■ 2 * 3 -*-4

♦ 1 А

\\

/ V,

■I—■—■—■- ■—■—■...... •—»................. ...

10

20 30

Время мин

40

50

Рис.2 - Скорость роста твердой фазы при различных воздействиях на раствор

1 - без воздействия (сравнительный опыт), виды воздействия: 2 - радиальное, 3 - вертикальное при вибрации вида 1,4- вертикальное при вибрации вида 2.

Как видно, в сравнительном опыте коэффициент а уменьшается к концу кристаллизации в 2 раза, что свидетельствует о некотором влиянии естественной конвекции раствора. Следует считать, что к концу процесса конвекция затухает. Приближенно полагая, что линейная скорость роста кристаллов слабо зависит от переохлаждения, при из

формулы (3) получаем при отсутствии воздействия на раствор линейную связь между скоростью зарождения центров кристаллизации и величиной а.

Механическое воздействие в радиальном направлении ускоряет начало кристаллизации, при этом величина а возрастает до 0,0009, но к концу процесса она уменьшается до обычного значения 0,0001. Так как в этом случае теплообмен более интенсивный (рис.1, кривая 2) переохлаждение наступает раньше и, соответственно, раньше начинается объемная

кристаллизация. Вследствие дробления кристаллов при их радиальном движении растет число центров кристаллизации. Линейная скорость кристаллизации также увеличивается с ростом переохлаждения. Поэтому при радиальном воздействии на раствор связь между скоростью зарождения центров кристаллизации, линейной скоростью и величиной а более сильная. При радиальном механическом перемешивании структура твердого слоя становится мелкозернистой. При изменении направления вращения наблюдается уменьшение высоты слоя, что свидетельствует об уплотнении его структуры.

Механическое воздействие в вертикальном направлении при возвратно-поступательном движении мешалки с наконечником малого диаметра (вибрация вида 1) при частоте колебаний 5 Герц и глубине погружения на одну треть высоты изложницы не приводит к развитию конвекции во всем объеме. Наблюдаются мелкомасштабные течения малой интенсивности вблизи наконечника. В случае воздействия с наконечником большего диаметра (вибрация вида 2) при той же частоте и глубине погружения в изложнице выше и ниже диска возникают мощные потоки, захватывающие кристаллы. Как следует из графиков, вибрация задерживает образование кристаллов в начале процесса, а затем происходит их лавинообразный рост. Это может быть связано с растворением зародышей кристаллизации в перегретых слоях раствора при вертикальном перемещении.

Выводы

1. Разработанная методика анализа кинетических кривых роста твердой фазы позволяет найти параметры, определяющие степень влияния какого-либо воздействия на кинетику роста кристаллов. Приведенные результаты физического моделирования свидетельствуют о том, что воздействие на расплав в начальный период его кристаллизации приводит к образованию дополнительных вихревых структур, которые видоизменяют обычную картину течения и усиливают конвекцию.

2. Установлено, что при радиальном механическом перемешивании рост кристаллов ускоряется, при этом структура становится более мелкозернистой. Изменение направления вращения приводит к уплотнению структуры твердого слоя, что может быть использовано на практике. Вибрация задерживает рост кристаллов в начале их образования. За счет конвекции, возникшей при низкочастотной вибрации наконечника, происходит растворение зародышей кристаллизации на начальной стадии. Затем наблюдается лавинообразный рост твердой фазы в объеме раствора, что свидетельствует о позитивной роли вибрации в процессе кристаллизации.

Перечисленные закономерности имеют место при объемной кристаллизации в модельных экспериментах. Задача работы состоит в дальнейших исследованиях на натурных слитках.

Перечень ссылок

1. Скворцов А.А. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и заготовок / А.А.Скворцов, А.Д.Акименко, В.А.Ульянов. - М.: Металлургия, 1991. - 216 с.

2. Ефимов В.А. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов /

B.А.Ефимов, А.С.Эльдарханов. - М.: Металлургия, 1995. - 272 с.

3. Ефимов В.А. Современные технологии разливки и кристаллизации сплавов / В.А.Ефимов, А.С.Эльдарханов. - М.: Машиностроение, 1998. - 360 е.: илл.

4. Жук В.И. Исследование влияния внешнего и внутреннего теплоотвода на кристаллизацию и конвекцию методом физического моделирования. / В.И. Жук // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб.науч.тр. - Мариуполь, 1998. - Вып.6. - С. 361-365.

5. Влияние положения в литейной форме наружного холодильника на процессы в охлаждающемся расплаве металла / В.И.Жук, А.М.Скребцов, В.А.Алексеева, В.В.Щуренко, А.О.Секачев II Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб.науч.тр. - Мариуполь, 1999. - Вып.8. -

C.32-36.

6. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливок / Г.Ф.Баландин. - М.: Машиностроение, 1973,- 288 с.

Статья поступила 15.01.2004