CC BY
26
КРАТКОЕ СООБЩЕНИЕ
УДК 669.162.275.1:621.789
Аркулис М.Б., Велюс Л.М., Савченко Ю.И.
БО!: 10.18503/2311-8318-2016-3(32)-66-68
ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова»
К ВОПРОСУ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЧУГУНА ИМПУЛЬСНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Целью исследования является теоретическое обоснование возможности управления образованием микронеоднородностей с помощью импульсного магнитного поля. Исследования приведены для вещества в жидком состоянии, в частности для чугуна в парамагнитном состоянии при температуре плавления. В сообщении приведен аналитический вывод закономерности для определения количества атомов ближнего порядка в зависимости от напряженности магнитного поля и частоты следования импульсов. Для получения закономерности использованы метод статистической физики, теории вероятности и математической статистики. В работе представлен прогноз результатов влияния импульсного магнитного поля на диамагнитные материалы. Приведены результаты вычислительного эксперимента по определению размеров кристаллитов в зависимости от напряженности магнитного поля. Полученные закономерности рекомендуются для управления технологическими процессами при производстве чугуна.
Ключевые слова: кристаллизация, микроструктура, импульсное магнитное поле, ближний порядок, зародыш.
Введение
Снижение неоднородности в структуре металлических материалов является одной из актуальных проблем металлургической отрасли. Наряду с ультразвуковой обработкой, электромагнитным перемешиванием [1], способом порошковой металлургии, расплавы подвергают воздействию управляемого импульсного магнитного поля. Вопросами формирования структуры металла на микро- и макроуровнях проводились широким кругом исследователей. Результаты исследований и методы обработки различных материалов импульсного магнитного поля представлены в ряде работ [2-6]. В работах [2, 3] установлено, что при определенных параметрах магнитно-импульсной обработки (энергия разряда, количество импульсов) улучшаются литейные свойства сплава, происходят благоприятные изменения в структуре и, как следствие, улучшаются механические свойства сплава в литом состоянии, которые впоследствии оказывают влияние на качество полуфабриката и готовой металлургической продукции [7, 8]. В работе [4] установлено необратимое изменение температур кристаллизации Ткр и плавления Тпл полимеров при их кратковременной обработке импульсным магнитным полем. Эксперименты с образцами прессованной древесины показали существенное увеличение их торцевой твердости после обработки [5]. В [6] исследовались оптимальные условия воздействия импульсного магнитного поля на стекло. Осуществление управления процессом кристаллизации чугуна позволяет снизить неоднородность в структуре металлических расплавов и требует выявления возможных управляющих воздействий.
Методика
В работе жидкие металлы и сплавы считаются микронеоднородными по структуре и составу, отличаются высокотермической устойчивостью, наследственной от твердого состояния структурой ближнего порядка [9].
Впервые на близость строения и свойств жидких и твердых металлов указал Я.И. Френкель [10]. Согласно рекомендациям [8, 9] расплав рассматривается как жидкость с микронеоднородными образованиями, чувствительными к внешнему управляющему воздействию.
Чугун в жидком парамагнитном состоянии является классической системой, к которой применима статистика Максвелла-Больцмана [11]. Обозначим N число зародышей кристаллов в расплаве в отсутствие магнитного поля, а N - число зародышей при наличии импульсного магнитного поля с частотой следования приблизительно 1 Гц. Тогда
N
— = ехр N Р
-АЖ
_т
кТ
(1)
где -АЖт - добавочная энергия магнитного дипольного момента рт в магнитном поле с индукцией В; &=1,38-10-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура системы.
Добавочная энергия одного атома определяется
-АЖ = р В,
т г тг '
(2)
где рт2 - проекция магнитного момента атома железа на направление вектора индукции В.
Величина -Л^т положительна, так как железо при температуре плавления является парамагнитным [12], и магнитный дипольный момент одного атома железа равен
ртг = п ■ ц б ,
(3)
© Аркулис М.Б., Велюс Л.М., Савченко Ю.И.
где п=2,218 - число магнетонов Бора на один атом железа [12]:
(ХБ = е/г/(2/и ) = 9,3 • 1СГ24 А • м2. Величина магнитного дипольного момента равна ртг = 2,218 ■ = 2,218 ■ 9,3 ■Ю-24 = = 2,06 ■Ю-23 А ■ м2.
За время кристаллизации ткр расплав воспринимает импульсы длительностью Т1. Обозначим
Z = Ткр/ Т1
число импульсов магнитного поля, воспринимаемое расплавом за время кристаллизации ткр. Тогда
-АЖ = Z • р В = Z • 2,06 -10"23 В. (4)
т ± тг ' у 7
Переходя к напряженности Н, [А/м], в (4) получаем -АЖт = Z • Рт^О • Н =
= Z • 2,06 • l0234n • 107 • H « Z • 2,6 • 10"29 H. Подстановка (5) в (1) дает
Z • 2,6 • l0"29 H
(5)
1,38 -10~23 • 1,5 •lO3 ;exp{z • l, 25 -l0"9 H }.
(6)
Из (6) видно, что (N/N0)>1; N > N0, Поскольку N • d = const, то увеличение числа зародышей, с учетом (6), приводит к уменьшению размеров кристаллитов d в соотношении
de = 3N.
d V N
= exp <
Z • l, 25 40"9 H
= e
Z •0,4l7l0"9 H
Если учесть, что жидкий расплав есть система областей ближнего порядка [6], содержащих V атомов, то
d0/d =
vZ-0,4l7-l0 H
(7)
Результаты
Приведем графики зависимостей расчетов по (7) для 2=130 и различных V, которые могут выступать в качестве управляющего воздействия (см. рисунок).
Анализ полученных зависимостей показывает, что импульсное магнитное поле при определенных условиях оказывает существенное влияние на уменьшение размеров кристаллитов, что позволяет выполнить эффективное управление. Также следует отметить, что экспериментальное определение величины ё^ё позволяет определить количество атомов в области ближнего порядка. В нашем случае
l , d0
v =-- ln—.
Z • H • 0,417 •Ю"9 d
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
(8)
1. При рассмотрении расплава как жидкости с микронеоднородными образованиями с точки зрения статистических закономерностей, используя полученные зависимости (7) и (8), возможно подобрать режим импульсной магнитной обработки металла для получения заданной неоднородности чугуна.
40 60 Напряженноеп.ыапптгого поля. кА'ы ----v=]---v=10 -v=100
а
400 350 И 300
к 250 &
¡•iioo
Е то
о
50
о
v=1000
о
i:o
:о 40 «О 80 100 Напряженность магнитного поля. кАУм
б
Относительное уменьшение размеров кристаллитов с ростом величины напряженности магнитного поля: а - при малых значениях v; б - при больших значениях v
2. Выдвинута научно обоснованная гипотеза о том, что если подвергнуть диамагнитное вещество обработке импульсным магнитным полем, то будет наблюдаться обратный эффект. В случае диамагнетика добавочная энергия магнитного дипольного момента рт имеет положительное значение и, как следствие, отношение N/N0 примет значение больше единицы, т.е. скорость роста кристалла будет опережать скорость образования зародышей.
Список литературы
1. Непрерывная разливка стали. Расчеты медных кристаллизаторов / И.М. Ячиков, К.Н. Вдовин, В.В.Точилкин и др. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2014. 192 с.
2. Черников Д.Г. Разработка физического способа модифицирования литейных алюминиевых сплавов магнитно-импульсной обработкой // Известия ОрелГТУ. Серия: Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2009. № 2-3/274(560). С.87-92.
3. О магнитно-импульсной обработке расплава силумина АК9Т/ В.А. Глущенков, Ф.В. Гречников, А.Ю. Иголкин и др. //Литейное производство. 2011. №9. С.8-11.
4. Левин М.Н., Постников В.В., Матвеев Н.Н. Влияние импульсной магнитной обработки на кристаллизацию гиб-коцепных полимеров // Высокомолекулярные соедине-
ния. А. 2003. Т.45. №2. С.217-223.
5. Воздействие слабых импульсных магнитных полей на модифицированную древесину / В.В. Постников, М.Н. Левин, Н.Н. Матвеев и др. // Письма в журнал технической физики. 2005. Т.31. Вып.9. С.14-19.
6. Алексеенко В.И. Возможности влияния импульсного магнитного поля на структурные состояния в оксидном стекле // Журнал технической физики. 1998. Т.68. №10. С.50-54.
7. Стратегия постановки задачи многокритериальной оптимизации состава шихтовых материалов для электродуговой сталеплавильной печи / О.С. Логунова, Е.Г. Филиппов, И.В. Павлов, В.В. Павлов // Изв. вузов. Черная металлургия. 2013. №1. С.66-70.
Information in English
8. Логунова О.С., Парсункин Б.Н., Суспицын В.Г. Автоматизированная оценка качества непрерывнолитой заготовки // Сталь. 2004. №12. С.101-104.
9. Ершов Г.С., Поздняк А.П. Микронеоднородность металлов и сплавов // Металлургия. 1985. 214 с.
10. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкости. Л.: Наука, 1975. 592 с.
11. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: учебник. М.: Высш. шк., 1987. 360 с.
12. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. 352 с.
13. Бозорт Р. Ферромагнетизм. М.: Изд-во Иностранная литература, 1956. 784 с.
Поступила в редакцию после доработки 11 мая 2016 г.
The Issue of Control of the Process of Iron Crystallization by Pulsed Magnetic Field
Mikhail B. Arkulis
Ph.D. (Pedagogics), Assistant Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected].
Lev M. Velyus
Ph.D. (Eng.), Magnitogorsk, Russia. Yuriy I. Savchenko
Ph.D. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Nosov Russia. E-mail: [email protected].
The aim of this study is to provide the theoretical basis of the control capabilities of microinhomogeneity formation using a pulse magnetic field. The results are given for the substance in the liquid state, in particular for iron in the paramagnetic state at the melting temperature. The study presents an analytical derivation of law for determining the number of short-range order atoms depending on magnetic field strength and pulse repetition rate. To obtain the law, the methods of statistical physics, probability theory and mathematical statistics were used. The paper presents the results of the forecast of the effect of pulsed magnetic fields on diamagnetic materials. The results of computational experiments aimed at determining the crystallite size depending on the intensity of the magnetic field are show. These laws are recommended for control of technological processes in production of iron.
Keywords: Crystallization, microstructure, magnetic field strength, pulse repetition frequency, short-range order, nucleation center.
References
1. Yachikov I.M., Vdovin K.N., Tochilkin V.V. et.al. Nepreryivnaya razlivka stali. Raschetyi mednyih kristallizatorov [Continuous Casting of Steel. Design of Copper Moulds]. Magnitogorsk, Publishing center of Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2014, 192 p.
2. Chernikov D.G. Development of Physical Method of cast Aluminum Alloys Modification by Magnetic-impulse Processing. Izvestiya OrelGTU. Seriya: Fundamental'nye i prikladnye problemy tekhniki i tekhnologii [Izvestiya OrelGTU. Series: Fundamental and applied problems of engineering and technology], 2009, no.2-3/274(560), pp.87-92. (In Russian).
3. Gluschenkov V.A., Grechnikov F.V., Igolkin A.Yu. et.al. Magnetic-impulse Processing of AK9T Silumin Melt. Liteynoe proizvodstvo [Foundry industry], 2011, no.9, pp.8-
Magnitogorsk State Technical University. , Magnitogorsk,
11. (In Russian).
4. Levin M.N., Postnikov V.V., Matveev N.N. Influence of Magnetic-impulse Processing on Crystallization of Flexible Polymers. Vysokomolekulyarnye soedineniya [High-molecular compounds], 2003, vol.45, no.2, pp.217-223. (In Russian).
5. Postnikov V.V., Levin M.N., Matveev N.N. et.al. Influence of Weak Impulse Magnetic Fields of Modified Wood. Pis'ma v zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Articles from the journal of physics for engineering], 2005, vol.31. is.9, pp.14-19. (In Russian).
6. Alekseenko V.I. Influence of Impulse Magnetic Field on Structural State in Oxide Glass. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Journal of physics for engineering], 1998, vol.68, no.10, pp.50-54. (In Russian).
7. Logunova O.S., Filippov E.G., Pavlov I.V., Pavlov V.V. Strategy of Task Setting of Multicriteria Optimization Charge Composition for Electric Arc Steel-making Furnace. Izv. vuzov. Chernaya metallurgiya [Proceedings of universities. Ferrous metallurgy], 2013, no.1, pp.66-70. (In Russian).
8. Logunova O.S., Parsunkin B.N., Suspitsyn V.G. Automatic Assessment of Quality of Continuous Cast Billet. Stal' [Steel], 2004, no.12, pp.101-104. (In Russian).
9. Ershov G.S., Pozdnyak A.P. Microinhomogeneity of Metals and Alloys. Metallurgiya [Metallurgy], 1985, 214 p.
10. Frenkel Ya.I. Kineticheskaya teoriya zhidkosti [Kinetic Theory of Liquid]. Leningrad, Publishing center «Nauka», 1975. 592 p.
11. Matveev, A.N. Molekulyarnaya fizika [Molecular Physics. Textbook for technical universities]. Moskow, Vysshaya shkola Publ., 1987. 360 p.
12. Irodov I.E. Elektromagnetizm. Osnovnyie zakonyi [Electro-magnetism. Basic Laws]. Moscow, Laboratoriya bazovyih znaniy Publ., 2001. 352 p.
13. Bozort R. Ferromagnetizm [Ferromagnetism]. Moscow, Inostrannaya literature Publ., 1956. 784 p.
