Научная статья на тему 'Влияние технологических параметров обработки расплавов импульсным электрическим током на процесс перемешивания'

Влияние технологических параметров обработки расплавов импульсным электрическим током на процесс перемешивания Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
208
60
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Иванов А. В., Синчук А. В., Рубан А. С.

Показано, что наряду с силой тока в импульсе напряжение на емкостном накопителе, емкость накопителя, индуктивность разрядного контура и тип электродной системы являются важными технологическими параметрами, определяющими характер электровихревых течений, величину магнитного давления и скорости перемешивания жидкого металлического проводника при пропускании через него импульсного тока. Наиболее эффективной среди исследованных электродных систем для обработки цилиндрического проводника считается система «острие острие», обеспечивающая интенсивное перемешивание расплава, благоприятную структуру и улучшенный комплекс механических свойств сплавов после кристаллизации.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Иванов А. В., Синчук А. В., Рубан А. С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Influence of Technological Parameters of Treating the Melt with Pulse Electric Current on Mixing

It is shown, that the voltage of the capacitor integrator the capacity of the integrator, inductance of a discharge contour and the type of electrode system are the important technological parameters, that alongside with magnitude of a current in an impulse, defining character of electrovortical currents, value of magnetic pressure and speed of mixing a liquid metal conductor during passing a pulse current through it. The most effective among the investigated electrode systems for processing a cylindrical conductor is the system «an edge an edge», providing intensive mixing the melt, favorable structure and the improved complex of mechanical properties of alloys after crystallization.

Текст научной работы на тему «Влияние технологических параметров обработки расплавов импульсным электрическим током на процесс перемешивания»

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВОВ ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ НА ПРОЦЕСС ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

А.В. Иванов, А.В. Синчук, А.С. Рубан

Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, пр. Октябрьский, 43-А, г. Николаев, 54018, Украина, iiyt@,iiyt. com.ua

Показано, что наряду с силой тока в импульсе напряжение на емкостном накопителе, емкость накопителя, индуктивность разрядного контура и тип электродной системы являются важными технологическими параметрами, определяющими характер электровихревых течений, величину магнитного давления и скорости перемешивания жидкого металлического проводника при пропускании через него импульсного тока. Наиболее эффективной среди исследованных электродных систем для обработки цилиндрического проводника считается система «острие - острие», обеспечивающая интенсивное перемешивание расплава, благоприятную структуру и улучшенный комплекс механических свойств сплавов после кристаллизации.

УДК 537.528: 669.017.16

ВВЕДЕНИЕ

В металлургической промышленности и литейном производстве достаточно широко распространены различные технологии с применением больших электрических токов, протекающих через ванну расплава. Типичным примером является пропускание через расплав, находящийся в разливочном ковше или изложнице, импульсного тока, который, в отличие от постоянного или переменного тока, достигает десятков и сотен килоампер. Использование таких токов, а также наличие нескольких токоподводов к расплаву приводит к формированию в нем непотенциальных электромагнитных полей и протеканию ряда физико-химических процессов, которые могут оказывать значительное влияние на состояние расплава. Например, при неоднородном растекании тока в замкнутом объеме проводящей жидкости электромагнитная сила, возникающая как результат взаимодействия тока с собственным магнитным полем, приобретает вихревой характер и, уравновешиваясь силами гидродинамического происхождения, инициирует в расплаве электровихревые течения (ЭВТ). Именно с ЭВТ, а не с электродиффузией химических элементов, скорость которой крайне мала, связывают перемешивание расплава в ванне, а значит, и получение качественного однородного продукта.

Активное изучение ЭВТ и электромагнитных сил, воздействующих на ванну расплава при электродуговом и электрошлаковом переплаве, началось в 50-60-х годах прошлого века [1, 2]. Теоретические и экспериментальные исследования этого явления при прохождении постоянного тока через проводник рассмотрены в работе [3]. В частности, установлено, что в отсутствие внешнего магнитного поля основное влияние на характер ЭВТ оказывают сила тока и геометрические условия его растекания в объеме жидкости (геометрия жидкого проводника, расстояние между электродами, плотность и вязкость расплава). В настоящее время ЭВТ изучаются преимущественно в процессах, происходящих в плавильных агрегатах [4], и крайне редко (например, в [5]) - применительно к внепечной обработке расплава. Анализ современных публикаций, где представлены результаты обработки расплавов импульсным током, не позволяет однозначно определить роль ЭВТ. Между тем при протекании через проводник кратковременного мощного импульса тока, когда, в отличие от постоянного тока, Джо-улев нагрев и электродиффузия сведены к минимуму, объемные электромагнитные силы и вихревые течения могут быть ключевыми механизмами в изменении состояния жидкого проводника.

Ранее в работе [6] нами показано, как ЭВТ возникают во время обработки цилиндрических емкостей с расплавом разрядными импульсами тока с амплитудой Imax от 4 до 6,5 кА. Происходит это из-за концентрации электромагнитного поля в характерных областях проводника — стыках стенок и приэлектродных зонах (использована электродная система «острие-острие»), где имеют место скачки магнитного давления порядка 1 атм. На примере этой же электродной системы показано, что ЭВТ определяется не только силой импульсного тока, но и такими параметрами, как частота тока в импульсе, длительность импульса и геометрия проводника [7]. Однако возможности управлять характером ЭВТ этим не ограничиваются, так как метод обработки расплавов импульсным током (в част-

© Иванов А.В., Синчук А.В., Рубан А.С., Электронная обработка материалов, 2012, 48(2), 110-117.

110

ности, периодически повторяющимися разрядными импульсами микросекундной длительности, источником которых является высоковольтный генератор импульсных токов с емкостным накопителем) позволяет варьировать множество других параметров (энергия в импульсе, частота следования импульсов, скважность, его форма, спектр и т.д.).

Цель данной работы - путем математического моделирования определить влияние электрических параметров разрядной цепи и типа электродной системы на ЭВТ в жидком алюминиевом проводнике цилиндрической формы и получить экспериментальные результаты, подтверждающие эффективность перемешивания расплава при обработке периодически повторяющимися импульсами.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Как и в работе [7], рассматривается процесс прохождения одиночного импульса с частотой колебаний тока порядка 105 Гц по жидкому алюминиевому проводнику при температуре 700оС. Проводник имеет форму цилиндра высотой Н0 =100 мм и радиусом R0 = 40 мм. Форма импульса тока I(t) задается в виде затухающей синусоиды:

I (t)=-^L ■e(-R/2L)t -sin(Q-t), (1)

\C

где U0 - напряжение заряда конденсаторной батареи, В; С - емкость конденсаторной батареи, мкФ; L - индуктивность разрядного контура, мкГн; R - активное сопротивление разрядного контура, Ом; а> - круговая частота импульса тока, рад-с-1.

Напряженность магнитного поля Нф находим из уравнения Максвелла, записанного в цилиндрической системе координат (Z, г, ф):

,0, + Vx(o^1(VxHф-J е)-v х(,0, Нф) = 0, (2)

где V - оператор Гамильтона; v - скорость объекта, м/с; J - плотность наведенных токов, А/м2; ,0 - магнитная постоянная, 4%-10-7 Гн/м; ц - относительная магнитная проницаемость, ц = 1; о - удельная проводимость металла (Омм)-1.

Величину магнитного давления Рм определяем из выражения

P (t,r)

ц0цНф(t,r) 2

(3)

Гидродинамические поля в проводнике определим путем численного решения уравнения На-вье-Стокса для несжимаемой жидкости при V - v = 0 :

dv 1 F

— = -(v - V)v + yAv —VPM + -^, dt p p

(4)

где ^эм - электромагнитная сила, Н; А - оператор Лапласа; у - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; p - плотность расплава, кг/м3.

Примем, что плотность сторонних токов J = 0 и на оси Z Нф = 0. Зададим начальные условия:

Н

ф

t=0

= 0 ;

I\

t=0

0; v

It=0

= 0.

Рассмотрим три наиболее технологичные электродные системы, с помощью которых производится токоподвод к жидкому проводнику.

Электродная система «острие-острие» (рис. 1,а) - система для обработки расплава в емкости, выполненной из непроводящего материала. Состоит из верхнего погружаемого электрода и нижнего неподвижного противоэлектрода c равными радиусами R(1 = 2 мм. Материал электродов - медь.

111

Электродная система «острие-плоскость» (рис. 1,б) - система для обработки расплава в емкости с футерованными непроводящими боковыми стенками. Роль противоэлектрода выполняет открытое металлическое дно емкости (Re = R0 = 40 мм).

Рис. 1. Геометрическая модель жидкометаллического проводника: а - «острие-острие»; б - «острие-плоскость»; в - «острие-стенки». 1 - зеркало расплава; 2 - внешняя боковая поверхность проводника; 3 - нижняя торцевая стенка проводника; 4 - электрод и противоэлектрод; 5 - область стекания тока; 6 - внешняя боковая стенка проводящей емкости; 7 - боковая поверхность электрода; Ш - проводящая стенка емкости толщиной 0,005 м

Электродная система «острие-стенки» (рис. 1,в) - система для обработки расплава в емкости с проводящими боковыми стенками и изолированным внутри дном.

Приняв, что погружаемый в расплав верхний электрод может быть изолированным и неизолированным по боковой поверхности, зададим граничные условия согласно табл. 1.

Таблица 1. Граничные условия

Область «Острие-острие» «Острие-плоскость» «Острие-стенки»

1 H _ I (0 H Ф о 2 • п • r H _ I(t) Ф 2 • п • r H _ I(t) H Ф о 2 • п • r

2 н _ 1 (^) Ф 2 • п • R0 H _ I(t) Ф 2 • п • R0 H _ I (t) Ф 2 • п • R0

3 H _ 1 (?) Ф о 2 • п • r Hф = 0 n x E = 0**

4 H I (t) • r + А скин Ф 2 • п • Re2 ■ А скин II а II Ф s >s

5 - H I (t) • (r - R0 +АСК1Ш) H I(t) • (r - (R + Ш) + ^H)

Ф 2 • п • R0 •Асин Ф 2 • я-(R0 + Ш) •Аскин

6 H I(t) Ф 2 • п • (R + Ш)

7* H Ф = 0 H ф = 0 H Ф =0

*Изолированная боковая поверхность погружного электрода. **Е - напряженность электрического поля; n - нормаль.

112

Выбрав в качестве некоторой исходной точки значения U0 = 30 кВ; C = 1 мкФ; L = 2 мкГн, при которых в работе [6] нами получены положительные изменения структуры и свойств алюминиевого сплава, проанализируем влияние на ЭВТ параметров разрядного контура, изменяющихся в пределах: U0 = 10-50 кВ; C = 0,25-5 мкФ; L = 1-8 мкГн. Указанный диапазон без особых сложностей реализуется экспериментально существующими источниками и задает импульсы тока с Imax от 3,5 до 80 кА и ю * (160-1900) -103 рад-с-1.

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Численное решение уравнений производилось с помощью пакета мультифизического моделирования Comsole 3.3. На рис. 2 для различных электродных систем с неизолированным погружным электродом представлены векторные изображения ЭВТ, возникающие в жидком проводнике в тот момент, когда разрядный ток достигает первого максимума Imax = 21 кА (U0, C и L взяты для исходной точки). Отмечается схожий характер ЭВТ для электродных систем «острие-плоскость» и «остриестенки», образующих одноконтурное поле в основном, центральном, объеме проводника и периферийные зоны с хаотическим распределением скоростей. Для электродной системы «острие-острие» наблюдается двухконтурное поле скоростей течений с двумя противонаправленными потоками в центральной части проводника, ограненными периферийной зоной с хаотическим распределением скоростей. Эти потоки устремлены к центральному сечению проводника, в котором они сходятся, и далее жидкость движется в радиальном направлении. Турбулентность особенно сильно выражена вблизи острийных электродов, где напряженность электрического и магнитного полей максимальна, и в зонах, где действуют разнонаправленные силы F3Mt то есть в углах цилиндрического проводника. Исходя из максимальных значений скорости движения в центральном диаметральном сечении проводника v4 и максимальных значений скорости движения жидкости в скин-слое vA (табл. 2), определенных расчетным путем, можно также полагать, что именно электродной системой «острие-острие» обеспечивается наиболее интенсивное перемешивание расплава. Следовательно, применяемая электродная система не только выполняет функцию токоподвода, но и является важным

Z, м

0,1

0,08'

0,06'

0,04

0,02

•• v*. * ■-*

,гдШЩ ,

г; - * .*> 1 .-о" ! - ‘ \ ;■ Г - ; , г -4 ( i; - * . *

«

1-

* : •; i- »:>*

г ; J ч л: i;*

> „ . *

0,02

б

0,04

Рис. 2. Поля скоростей в жидкометаллическом проводнике в момент достижения током первого максимума (неизолированный погружной электрод; U0 = 30 кВ; С = 1 мкФ; L = 2 мкГн): а - «острие-острие»; б - «острие-плоскость»; в - «острие-стенки»

Таблица 2. Максимальные скорости течений в центральном диаметральном сечении v4 и в скин-слое vA (U0 = 30 кВ; С = 1 мкФ; L = 2 мкГн)_________________________________________

Неизолированный погружной электрод Изолированный погружной электрод

Электрод- ная система «острие- острие» «острие- плоскость» «острие- стенки» «острие- острие» «острие- плоскость» «острие- стенки»

Vц, м/с 1,15-10-3 1,66-10-4 7,6-10-4 2,14-10-3 5,4-10-4 7,6-10-4

vA, м/с 2,4 10-3 7,5-10-4 1,44-10-3 2,28-10-3 6,24-10-4 1,42-10-3

113

14 12 10 8 6 4 2 0 х 103 Па

/ у

г «г

У

0 \’ц! XlO'3 N 0 2 i/c 0 3 0 4 0 5 о и» кВ

к

0 с _

Ч

J " т _

1 _ t.** • *

J 0 1

о4 Г г „га

О 10 20 30 40 50 У0’кВ

а

б

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

10

8

6

4

2

0

х 103 Па

\\

\\

9 с * * »

9 t

g L, мкГн

в

«острие-острие»; ........«острие-плоскость»;________«острие-стенки»

Рис. 3. Магнитное давление на боковой поверхности и максимальные скорости течений в центральном диаметральном сечении жидкометаллического проводника в момент достижения током первого максимума в зависимости от параметров разрядного контура: а - C = 1 мкФ и L = 2 мкГн; б - U0 = 30 кВ и L = 2 мкГн; в - U0 = 30 кВ и C = 1 мкФ

114

На рис. 3 приведены зависимости максимального магнитного давления на боковую поверхность цилиндрического проводника и максимальных скоростей движения в центральном диаметральном сечении проводника от параметров разрядного контура U0, L, С (в момент, соответствующий первому максимуму тока в импульсе). Как и сила тока в импульсе, магнитное давление и скорости ЭВТ находятся в прямо пропорциональной зависимости от напряжения на накопителе и емкости и в обратно пропорциональной зависимости от индуктивности разрядного тока. Можно видеть, что варьирование напряжением зарядки накопителя и емкостью накопителя позволяет существенно изменять магнитное давление и скорости ЭВТ в расплаве (для электродной системы «острие-острие» - в 10 раз и более). Варьирование индуктивностью L изменяет магнитное давление и скорости ЭВТ в гораздо более узком диапазоне, что допускает возможность увеличения индуктивности разрядного контура за счет удлинения токоподводящих проводов к расплаву без «ущерба» для процессов перемешивания. Напомним также, что в соответствии с полученными нами ранее в работе [7] данными ЭВТ существенно зависят от того, каким набором U0, L, С реализуется одна и та же сила тока в импульсе. Импульсы, сформированные за счет изменения емкости или индуктивности при неизменном напряжении, влекут за собой изменение частоты тока, следовательно, ширины скин-слоя Аскин. Таким образом, несмотря на существующую взаимосвязь (см. соотношение (1)), U0, L, С и Imax являются технологическими параметрами, независимо определяющими характер ЭВТ.

Диаграмма, представленная на рис. 4, позволяет наблюдать влияние на скорость ЭВТ глубины погружения неизолированного верхнего электрода в расплав h, за счет которой также можно в несколько раз увеличить скорость перемешивания. При этом в различных электродных системах проявляется принципиально различный характер зависимостей v4(h). Возможно, это связано с изменением условий растекания тока, когда с увеличением глубины погружения электрода увеличивается доля тока, проходящего через его боковую неизолированную поверхность. Косвенно это предположение можно подтвердить, анализируя поля скоростей в проводнике с изолированным погружным электродом (рис. 5) и данные табл. 2. Как видно из рис. 5, изоляция погружного электрода не вносит принципиальных изменений в картины ЭВТ - в электродной системе «острие-острие» поле остается двухконтурным, в других системах - одноконтурным. Однако при отсутствии протекания тока через боковую поверхность электрода становятся более очерченными контуры течений, в пределах которых меняется направление движения жидкости на противоположное, и не столь выраженными, как в случае неизолированного электрода, периферийные хаотические течения. Расчеты показывают также, что в системах с изолированным электродом значения \ц несколько выше, а скорости периферийных течений vA, наоборот, меньше по сравнению с системами с неизолированным электродом. Но в конечном итоге принятие решения о необходимости изоляции электрода должно быть сопряжено с поиском подходящих высокотемпературных изоляционных материалов.

Рис. 4. Зависимость максимальной скорости течений в центральном диаметральном сечении в момент достижения током первого максимума от глубины погружения электрода (электродная система «острие-острие»; неизолированный погружной электрод; U0 = 30 кВ; С = 1 мкФ; L = 2 мкГн)

115

б

Рис. 5. Поля скоростей в жидкометаллическом проводнике в момент достижения током первого максимума (изолированный погружной электрод; U0 = 30 кВ; С = 1 мкФ; L = 2 мкГн): а - «остриеострие»; б - «острие-плоскость»; в - «острие-стенки»

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

а

в

В ходе экспериментальных исследований оценивали влияние напряжения зарядки накопителя U0 как одного из самых значащих по воздействию на ЭВТ технологических параметров и типа электродной системы на характеристики проводника, закристаллизовавшегося после пропускания импульсного тока. При этом исходили из металловедческих представлений, что из хорошо перемешанной жидкости образуется макроскопически изотропная и однородная по химическому составу структура. Наряду с измельчением зерна твердого раствора это обеспечивает понижение содержания водорода, повышение плотности литого металла и улучшение механических свойств.

Таблица 3. Характеристики сплава АК9 (С = 1 мкФ, L = 2 мкГн), электродная система «остриеострие»__________________________________________________________________________

Uo, кВ Предел прочности ов, МПа Относительное удлинение 8, % Средний диаметр макрозерна D, мкм

Без обработки 150 2 42

14 150 5 41

20 165 5 40

30 190 6 36,5

12

10

8

6

4

2

0

D, мкм

~ГГ

— в без отработки ■ «острие-плоскость»

■ «острие-острие» □ «острие-стенки»

Электродная система

Рис. 6. Диаметр макрозерна в сплаве АК7 (U0 = 30 кВ, С = 1 мкФ, L = 2 мкГн)

116

Соблюдая условия, принятые при математическом моделировании, обрабатывали алюминиевые расплавы АК9 и АК7, физические характеристики которых (удельную проводимость, плотность, вязкость) можно считать одинаковыми. Импульсы тока пропускали с частотой 2 Гц в течение 1 минуты.

В табл. 3 и на рис. 6 приведены характеристики структуры и свойств сплавов, которые дают представление об эффективности импульсной электротоковой обработки. Видно, как зеренная структура и механические свойства сплавов улучшаются с увеличением U0, то есть с ростом силы тока в импульсе. И предпочтительной в этом отношении является электродная система «острие-острие», что косвенно подтверждает результаты моделирования ЭВТ.

ВЫВОДЫ

Отмечено, что электрические параметры разрядной R-L-С цепи и системы токоподвода к расплаву являются управляемыми технологическими параметрами, с помощью которых можно реализовать контролируемый процесс перемешивания проводящей жидкости при пропускании через нее импульсов тока. С одной стороны, это определяет широкие технологические возможности метода импульсной токовой обработки реальных литейных расплавов: интенсификацию ЭВТ в стационарной емкости для перемешивания за счет наращивания электрических параметров и за счет варьирования электродными системами при определенных электрических параметрах, например если энергетические возможности источника тока ограничены. С другой стороны, возникает задача сведения множества влияющих на ЭВТ параметров к единому универсальному, использование которого позволит принимать оптимальные решения для эффективной обработки расплавов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Марков Н.А., Чердовских П.П. Распределение электрического тока в ванне дуговой печи. М.; Л.: Энергия, 1966. 104 с.

2. Мошняга В.Н., Шарамкин В.И. Экспериментальное исследование электровихревого течения в цилиндрической емкости. Магнитная гидродинамика. 1980, (1), 77-80.

3. Бояревич В.В., Фрейберг Я.Ж., Шилова Е.И., Щербинин Э.В. Электровихревые течения. Рига: Зи-натне, 1985.315 с.

4. Казак О.В., Семко А.Н. Электровихревые течения в осесимметричных сталеплавильных печах постоянного тока с подовым электродом. Вестник Донецкого национального университета. Сер. А: Природничi науки. 2010, (2), 116-122.

5. Жилин В. М., Ивочкин Ю. П., Оксман А.А. Исследование тепловых и гидродинамических эффектов, сопровождающих растекание электрического тока в объеме жидкого металла. VI Minsk International Heat and Mass Transfer for UMMIF 2008. Proceedings. (Minsk, May 19-23, 2008). Minsk, 2008. P. 9-16.

6. Борисов Г.П., Цуркин В.Н., Синчук А.В., Иванов А.В. О высоковольтной электроимпульсной обработке расплава. Металлургия машиностроения. 2010, (5), 33-39.

7. Ivanov A.V., Sinchuk A.V. and Bogoslavskaya A.S. A Study of the Electromagnetic and Hydrodynamic Processes in a Liquid-metal Conductor Exposed to Current Pulses. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2011, 48(1), 28-34.

Summary

Поступила 07.07.11

It is shown, that the voltage of the capacitor integrator the capacity of the integrator, inductance of a discharge contour and the type of electrode system are the important technological parameters, that alongside with magnitude of a current in an impulse, defining character of electrovortical currents, value of magnetic pressure and speed of mixing a liquid metal conductor during passing a pulse current through it. The most effective among the investigated electrode systems for processing a cylindrical conductor is the system «an edge - an edge», providing intensive mixing the melt, favorable structure and the improved complex of mechanical properties of alloys after crystallization.

117

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.