Присутствие в металлах и их сплавах сотых и даже тысячных долей процента газовых и неметаллических примесей значительно снижает их прочность и пластичность. Для очистки металлов от нежелательных примесей газов, оксидов, нитридов и других неметаллических включений разработан комплекс технологических операций, которые можно объединить общим понятием «рафинирование». Процесс рафинирования имеет огромное значение для повышения качества металлов и сплавов.
Очистка жидкого металла от неметаллических включений состоит в выделении на поверхность расплава мельчайших газовых пузырьков и частиц оксидов, нитридов, сульфидов и других соединений, которые в обычных условиях остаются в расплаве и попадают в слиток. В последние годы все чаще используют комбинированные методы рафинирования - адсорбционные и физические. При рафинировании адсорбционным методом в расплав вводят инертные или активные газы, а также твердые вещества, легко разлагающиеся на газообразные продукты. Вследствие низкого давления внутри этих газовых пузырьков в них диффундируют растворенные в металле водород, азот и другие газы, а на поверхности пузырьков адсорбируются твердые частицы неметаллических включений. После достижения значительных размеров пузырьки рафинирующих веществ всплывают на поверхность расплавленного металла. Для достаточно полного удаления неметаллических включений из расплава необходимо пропустить через металл большое количество рафинирующих веществ, что не всегда является целесообразным и возможным.
При рафинировании физическим методом, в частности, вакуумированием, требуется дополнительное оборудование и время на обработку металла.
Применение ультразвуковых колебаний для воздействия на ряд технологических процессов при получении и обработке металлов и сплавов достаточно известно и теоретически обосновано[1-3]. В настоящее время ультразвуковые методы воздействия на межфазную поверхность металлов в жидком и твердом состоянии приобрели промышленное значение.
Повысить качество изделий, получаемых непосредственно из жидкого металла, можно с помощью эффективных способов регулирования свойств расплавов, в первую очередь используя для этих целей внепечную обработку стали. Значительное количество опубликованных исследований, посвященных влиянию ультразвука на расплавы металлов, свидетельствует о том, что ультразвуковая обработка является одним из перспективных способов регулирования свойств твердого тела [2]. Эти работы касались, преимущественно, возможности использования ультразвука в процессе затвердевания расплава. Однако, реализации этого способа в методе изготовления изделий непосредственно из расплава препятствует целый ряд обстоятельств. Кроме этого, озвучивание до полной кристаллизации требует ввода ультразвуковых колебаний непосредственно в отливаемую деталь, а это не всегда осуществимо.
Наиболее оправданным и перспективным способом улучшения свойств и структуры изделий является ультразвуковая обработка жидкого металла. Опубликованные ранее работы, в основном, посвящены возможности применения ультразвукового метода для регулирования свойств расплавов цветных металлов и их сплавов. Ультразвуковая обработка сталей и других сплавов исследована в значительно меньшем объеме. Одной из причин недостаточного исследования влияния ультразвукового поля на расплавы сталей является отсутствие надежных и эффективных устройств работающих при высоких температурах, а также способов введения ультразвука непосредственно в жидкий металл.
Мечта каждого металлурга научиться управлять структурой слитка, при этом, желательно получать слитки с зерном, измельченным до такой степени, чтобы его размеры соответствовали размеру сечения ветвей дендритов, а форма зерен приближалась бы к округлой.
Ультразвук позволяет решать три основные задачи стоящие перед металлургами:
- повышение качества металла, в том числе и за счет регулирования его структуры
- снижение энергозатрат на изготовление металла
- повышение стойкости футеровки сталеплавильных агрегатов.
Наиболее целесообразно использовать ультразвуковую обработку в таких технологических процессах получения слитка, где имеет место его последовательная кристаллизация и объем затвердевшей в единицу времени жидкой фазы является относительно небольшим и приблизительно постоянным. К таким процессам, в частности, относится и непрерывная разливка стали.
Специалистами нашего предприятия совместно со специалистами ОАО «ММК» разработан и предлагается к промышленному внедрению новый способ подачи ультразвуковых колебаний, а также разработано устройство, позволяющее локально озвучивать ультразвуком жидкую сталь непосредственно при ее непрерывной разливке.
Учитывая особенности ультразвуковых колебаний, определены места ввода излучателя и параметры генератора ультразвука, разработан новый тип волноводов и излучателей, которые могли бы работать длительное время при температурах разливки жидкой стали.
Локальный перегрев металла в период его выпуска в зоне истечения расплава из сталеразливочного ковша в промковш и из промковша в кристаллизатор позволяет осуществить возможность уменьшения температуры расплава в сталеплавильных агрегатах или же увеличить время внепечной обработки стали не приводя ее к дополнительному перегреву. В данном случае, поглощение акустической энергии, сильное развитие кавитации и акустических потоков в расплаве, приводят к дополнительному нагреву жидкой фазы на 10 - 15 0 С и активируют нерастворимые примеси, которые в обычных условиях не участвуют в процессе кристаллизации.
Само по себе понижение температуры расплава, если не учитывать уменьшение жидкотекучести стали, благоприятно сказывается как на условиях кристаллизации, так и на повышение стойкости футеровки сталеплавильных и сталеразливочных агрегатов.
Как известно, в первую очередь, разрушение материала футеровки идет вследствие химического взаимодействия жидкого металла и тех оксидов из которых выполнена данная футеровка. Скорость химической реакции описывается известными уравнениями и прямопропорциональна температуре [4]. Сейчас не имеет смысла описывать все механизмы этого процесса, достаточно принципиально показать характер изменения скорости реакции от температуры в различных условиях.
На рисунке наглядно показано, что при температурах близких к плавлению железа, снижение температуры расплава на 5 - 150 С значительно уменьшает скорость реакции между расплавом стали и материалом футеровки. Соответственно, происходит увеличение стойкости рабочей футеровки и, как следствие, уменьшение неметаллических включений в расплаве.
Повышение стойкости футеровки сталеплавильных агрегатов, сталеразливочных и промежуточных ковшей позволяет не только улучшить качество выплавляемого металла, но и снизить удельные затраты на производство стали.
Кроме перечисленных преимуществ снижения температуры на различных стадиях получения и обработки стали, следует особо отметить уменьшение окисления металла, в том числе и вторичное, со всеми вытекающими последствиями.
Эффект ультразвуковой дегазации при определенной частоте и интенсивности звука уже находит применение в промышленной практике при дегазации расплавов легких и цветных металлов, сталей специального назначения, стекла, нефти, различных растворов и ряде других жидких материалах [3; 6]. Наибольшая эффективность дегазации в этих средах наблюдается в ультразвуковых полях высокой интенсивности с активным протеканием акустической кавитации. Дегазация расплавленного металла, как правило, сопровождается его рафинированием. В некоторых опубликованных исследованиях при дегазации серого чугуна и стали на 25% уменьшается содержание в них оксидов Al, Si, Fe, Mn и других элементов.
Современные представления о механизме ультразвуковой дегазации связаны с предположением о наличии в жидкости зародышей в виде пузырьков газа. Эти газообразные зародыши обладают особыми свойствами, которые обеспечивают им возможность существования даже при высоких статистических давлениях. В средах, где присутствуют твердые несмачиваемые примеси, например, в жидких металлах, газовая фаза содержится также в микроскопических неровностях их поверхностей. При повышении интенсивности ультразвука общее число пузырьков - зародышей резко возрастает. На первой стадии дегазации пузырьки газа колеблются в акустическом поле и увеличивают свои размеры вследствие диффузии в них растворенных газов. На второй стадии ультразвуковой дегазации пузырьки газа, достигнувшие определенного размера, поднимаются на поверхность жидкости, захватывая с собой неметаллические включения, которые располагаются на границе раздела жидкой и газообразной фаз.
Кроме эффекта рафинирования, при ультразвуковой обработке расплавленного металла повышается также его жидкотекучесть. Относительное увеличение жидкотекучести во время наведения ультразвуковых колебаний характерно для всех жидкостей и составляет примерно 25-30%. Для каждого вида жидкостей необходимо проводить подбор частоты и интенсивности колебаний, чтобы максимально снизить вязкость озвучиваемых ультразвуком жидкостей.
Процесс кристаллизации металла является одним из процессов, во многом определяющим качество готового изделия. Это особенно справедливо для изделий получаемых методом литья и, в первую очередь, при непрерывной разливке стали.
Обработка металла в процессе кристаллизации ультразвуком изучена наиболее подробно [2; 3; 5]. Существует множество работ по этой тематике, как теоретических, так и практических. Во многом эти работы схожи - все они показывают значительное преимущество ультразвуковой обработки металла в докристаллизационный период, в период начала кристаллизации и в течение всего времени кристаллизации.
Впервые идея об улучшении качества металла воздействием на процесс кристаллизации при помощи вибрации была высказана Д.К. Черновым. Как показали результаты проведенных впоследствии многочисленных работ, вибрационная обработка расплава приводит к измельчению макроструктуры слитка, что благоприятно сказывается на его свойствах [6].
Учитывая то, что измельчение зерна металла является наиболее общим проявлением действия ультразвука, представляется целесообразным оценить роль отдельных факторов в реализации этого эффекта.
Анализ процесса кристаллизации металлов в ультразвуковом поле показывает, что обрабатываемость материала во многом определяется эффективностью проникновения ультразвука в объем расплава и к фронту кристаллизации. Последняя, в свою очередь, зависит от способа введения колебаний в расплав. Способы введения колебаний связаны с существующими процессами получения отливок и слитков, для которых можно, и самое главное, целесообразно применять ультразвуковую обработку. К указанным процессам относится получение слитков и отливок в изложницах, а также в машинах непрерывного литья заготовок. Измельчать структуру металла лучше всего в начальной стадии кристаллизации. В связи с чем и необходимо иметь наименьшую температуру расплава перед кристаллизатором. В предложенном нами способе введения ультразвуковых колебаний, существует реальная возможность максимально обеспечить эффективность работы самой установки по озвучиванию, улучшить дегазацию и рафинирование жидкого металла, снизить температуру разливки металла и положительно повлиять на процессы кристаллизации.
И в заключение можно привести ряд примеров практического применения ультразвука, которые были получены в последнее время и которые наглядно показывают возможности ультразвуковых колебаний и необходимость более широкого применения данного метода в черной металлургии.
При обработке металлов колебаниями максимальной мощности, например, линейные размеры зерна в железе и олове уменьшаются в среднем в 4 раза.
Ультразвуковая обработка железа приводит к значительному повышению предела прочности при температуре - 196 0 С в 1,3 раза. Характеристики пластичности при этом не только не снижаются, а, наоборот, показывают некоторую тенденцию к повышению.
Структурные изменения в низколегированных сталях приводят к повышению характеристик пластичности на 30-40% при некотором повышении (до 10%) предела прочности.
Теперь уже всем понятно, что в условиях рыночной экономики и высокой конкуренции ускоренное внедрение прогрессивных процессов и в первую очередь в непрерывном литье, является важнейшим условием развития металлургии.
Общими усилиями с ОАО «ММК», мы постараемся в течение текущего года провести промышленные испытания установки и надеемся получить результаты, которые бы подтвердили теоретические и лабораторные исследования.
Библиографический список:
1. Манюхин А.И. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов . - М. «Наука», 1986. с . 12-14.
2. Шиляев А.С. Ультразвуковая обработка расплавов. Минск, «Навука и тэхника». 1992 . с. 24-26., 44.
3. Эскин Г.И. Обработка и контроль качества цветных металлов ультразвуком. -М. «Металлургия». 1992. с 106.
4. Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. -М. «Металлургия» 1996. с. 479-481.
5. Абрамов О.В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле. - М. «Металлургия». 1972. с. 280
6. Бровман М.Я. Непрерывная разливка металлов. -М. «Экомет» 2007 с. 326
