LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Технологія металів. Машинобуд. → Підвищення якості литого металу методом електрогідроімпульсної обробки розплаву

розплаву - в акустичному наближенні за допомогою хвильового рівняння для потенціалу швидкості, а коливання газової бульбашки в розплаві - за допомогою рівняння Херрінга-Флінна. Методом чисельного рішення встановлено, що в розплаві чавуну коливальний режим в усьому діапазоні параметрів W0 = 1,25-5 кДж і rв = 5-50 мм, які застосовуються в розробленому технологічному обладнанні, забезпечує наявність зосередженої під хвилеводом кавітаційної зони діаметром (3-4) rв і довжиною по осі хвилеводу (5-10) rв. Для узгодженого режиму розряду при W0 ≤ 1 кДж і rв ≥ 30 мм умови для виникнення кавітації не створюються.

Третій розділ роботи містить результати експериментальних досліджень фізичних процесів, що проходять в розплаві на розрядній і післярозрядній стадіях ЕГІО, розглядає технологічну оброблюваність різних ливарних сплавів та механізм електрогідроімпульсного впливу на мікронеоднорідний стан розплаву, умови зародкоутворення і кристалізації.

Введено поняття електрогідроімпульсної технологічної оброблюваності розплаву. Показано, що при однакових значеннях енергії розрядного імпульсу W0 зростання різниці між акустичними характеристиками матеріалу хвилеводу, який зазвичай виготовляють із сталі Ст3, і оброблюваного розплаву призводить до зменшення рівня тиску в розплаві Рр(t). Тому акустична жорсткість металевої рідини ρс0 (де ρ – густина рідини, с0 – швидкість звуку в рідині) є тим фізичним фактором, який визначає енергетичні втрати на межі "торець хвилеводу – розплав" та технологічну оброблюваність розплаву.

Для реєстрації кавітаційних збурень, що виникають на розрядній стадії ЕГІО, та визначення розмірів кавітаційної зони проведено експериментальні дослідження на модельних середовищах. Було застосовано методику фіксації деформаційно-ерозійної картини на алюмінієвих фольгах товщиною 20 мкм, яка утворюється внаслідок схлопування бульбашок в кавітуючій рідині. В якості модельних середовищ використано воду з ρс0 = 15,5105 кг/(м2с) та сплав Розе з ρс0≈ 170105 кг/(м2с). На рис. 2 наведено фотографії експериментальних фольг, вилучених з модельних рідин після обробки із застосуванням однакових енергетичних параметрів навантаження. Після ЕГІО води на фольгах з'являються пом'ятини діаметром (0,1-0,5) мм, а фольги, вилучені із розплаву Розе характеризуються більш вираженою деформаційно-ерозійною картиною, оскільки крім пом'ятин мають численні проколи різного діаметру. Останній факт вказує на більш інтенсивний розвиток кавітації в розплаві Розе внаслідок його більш високої акустичної жорсткості.

Встановлено, що кількість пом'ятин і проколів на фольгах збільшується з ростом накопиченої енергії імпульсу W0, кількості введених у розплав розрядних імпульсів та об'єму рідини, а також зменшується із зменшенням кута нахилу площини фольги до осі хвилеводу і збільшенням відстані до його торця. Застосування хвилеводів з rв = 5-30 мм також дозволило визначити розміри кавітаційної зони, яка виникає на розрядній стадії в воді (діаметр зони – (2-4) rв; довжина по осі хвилеводу – (4-5) rв), та порівняти їх з результатами математичного моделювання для розплаву чавуну.

Вплив режиму електричного розряду на швидкість післярозрядного перемішування і видалення газу визначено шляхом ЕГІО прозорої рідини. За допомогою швидкісної зйомки відстежувалась динаміка низхідного гідродинамічного потоку, яким створена на першій розрядній стадії кавітаційна хмарка підхоплюється, прямує до дна ємності з рідиною та спливає на поверхню, а під торець хвилеводу надсилається нова порція рідини.









Рис. 2. Експериментальні фольги, отримані при W0 = 1,25 кДж і η = 0,33, х20:

а, б – вода; в, г – сплав Розе; а, в – 50 імп.; б, г – 95 імп.


Фіксувався відрізок часу від початку обробки до моменту, з якого утворення кавітаційної хмарки припинялось внаслідок видалення з рідини газу. Апроксимація експериментальних даних, отриманих при W0 = const і rв = const, дозволила описати тривалість обробки t наступним співвідношенням:

, (2)


де k = 1450 для узгодженого режиму розряду і k = 1050 для коливального режиму розряду; V - об'єм рідини; f - частота надходження розрядних імпульсів. Як видно з (2), при коливальному режимі розряду тривалість обробки зменшується майже в 1,4 рази. Це дає можливість рекомендувати коливальний режим не лише для ЕГІО великих, але і малих ємностей з розплавом, які швидко охолоджуються, або для обробки незначно перегрітого над температурою ліквідус ТL розплаву.

Враховуючи встановлену залежність кавітаційних процесів, що проходять в розплаві на розрядній стадії ЕГІО, і гідродинамічних процесів, що проходять на післярозрядній стадії, від енергії одиничного імпульсу W0, частоти надходження розрядних імпульсів f та часу обробки t, для порівняння затрат на ЕГІО різних розплавів запропоновано використовувати показник об'ємної питомої енергії ω, як інтегральний показник силового навантаження:


. (3)

Для визначення механізму впливу ЕГІО на структуру ближнього порядку металевої рідини розплав розглянуто у вигляді відкритої термодинамічної системи, умовою рівноважності якої є мінімум вільної енергії


F = H – TрS, (4)


де H - ентальпія; S - ентропія; Tр - температура расплаву. Розрахунок термодинамічних характеристик, які входять до (4), проводили для алюмінієвого розплаву з використанням моделі рідини твердих сфер та співвідношень для рідких неперехідних металів. В табл. 1 наведено результати розрахунку, які показують, що внаслідок зменшення густини атомної упаковки після ЕГІО позиційна ентропія розплаву збільшується. Як результат, при Тр=const криві вільної енергії обробленого і необробленого металу зсуваються одна відносно одної на величину в декілька кДж/моль, що відповідає зсуву по температурній осі на величину DТ вліво (рис. 3).


Таблиця 1. Структурні та термодинамічні характеристики алюмінієвого розплаву


Характеристика

Одиниця виміру

До ЕГІО

Після ЕГІО

Температура розплаву

К

973

973

Координаційне число

-

9,0

7,8

Густина упаковки

-

0,34

0,28

Ентропія

Дж/моль∙К

91,2

98,1

Вільна енергія