CC BY
68
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
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
