автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Электротехнология и оборудование для получения непрерывнолитых слитков в электромагнитном кристаллизаторе. Теория и практика

На правах рукописи

Первухин Михаил Викторович

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СЛИТКОВ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Специальность 05.09.10 — Электротехнология

005048151

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 О ЯНВ 2013

Красноярск - 2012

005048151

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск)

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Тимофеев Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

Демидович Виктор Болеславович, доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, профессор кафедры электротехнологической и преобразовательной техники.

Миронов Юрий Михайлович доктор технических наук, профессор, Чувашский государственный университет, профессор кафедры автоматизированных электротехнологических установок и систем.

Чередниченко Владимир Семенович, доктор технических наук, профессор, Новосибирский государственный технический университет, профессор кафедры автоматизированных электротехнологических установок.

Ведущая организация:

Национальный исследовательский университет «МЭИ» г. Москва

Защита диссертации состоится «17» января 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.04 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, проспект Карла Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан «» 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Непрерывный рост потребления алюминиевых изделий и требований, предъявляемых к их качеству, обусловливает поиск новых, более эффективных технологий, применяющихся на всех этапах производственного цикла от приготовления алюминиевого сплава до получения слитков высокого качества. Наиболее эффективными при этом являются технологии, предусматривающие производственное использование электрических и магнитных полей, электрического тока и других электрофизических факторов. Таковыми являются различные виды электротехнологий. Большой вклад в создание электротехнологического оборудования металлургического назначения сделан такими учеными как B.C. Чередниченко, А.Б. Кувалдин, В.П. Рубцов, Ф.Н. Сарапулов, В.Н. Тимофеев и др.

Качество и физико-механические свойства алюминиевых сплавов во многом определяется условиями их кристаллизации. В соответствии с современными представлениями о кристаллизации металлов и сплавов сочетание высоких скоростей охлаждения и методов активного воздействия на кристаллизующийся расплав позволяет получать сплавы с требуемыми физико-механическими характеристиками.

На протяжении многих лет российскими и зарубежными учеными ведутся работы по изучению воздействия электромагнитных полей на процесс кристаллизации и свойства алюминиевых слитков. В конце 60-х годов 20-го века целый ряд исследователей в СССР, Великобритании, Франции и США пришли к целесообразности промышленного использования электромагнитного перемешивания расплава при его кристаллизации. Наиболее широко известны работы в этой области З.Н. Гецелева, Ю.А. Самойловича, А.Ф. Колесниченко, А.Б. Капусты, И.Л. Повха, В.И. Дубоделова, Sh. Asai и др. Результатом их исследований явилось широкое распространение электротехнологических установок, используемых для электромагнитного перемешивания жидкой фазы слитка в процессе его кристаллизации. Многолетняя эксплуатация таких установок показала высокую эффективность воздействия на кристаллизующийся расплав электромагнитного поля, что позволяет получить высокое качество поверхности слитка, высокую дисперсность и равномерность его микроструктуры и повышенные физико-механические свойства.

Вместе с тем, еще одним фактором, позволяющим получать алюминиевые сплавы со специальными характеристиками (высокая прочность, коррозионная стойкость, электропроводность, жаропрочность и др.), является скорость охлаждения. Эффект, получаемый от высоких скоростей охлаждения, подробно изучен в работах В.И. Добаткина, В.И. Елагина, Б.И. Бондарева и др. Благодаря их работам, быстрая кристаллизация как основа получения сплавов с комплексом свойств, не достижимых при использовании традиционных технологий литья, является не только предметом многочисленных исследований, но и находит все более широкое промышленное применение. Однако все существующие на сегодняшний день технологии быстрой кристаллизации характеризуются

низкой производительностью, малым выходом годного, нестабильностью физико-механических свойств полуфабрикатов, получаемых из гранул и др.

Таким образом, в настоящее время актуальной остается задача повышения эффективности процесса получения алюминиевых сплавов, обладающих специальными свойствами, за счет уменьшения количества технологических операций, увеличения производительности и выхода годного, уменьшения взрыво-и пожароопасности технологического процесса. В связи с этим представляет большой научный и практический интерес создание технологии и реализующего ее оборудования, позволяющих путем управления физическими процессами в кристаллизующемся слитке получать сплавы с заданными физико-механическими свойствами.

Как показал анализ возможных путей решения поставленной задачи, наиболее перспективным направлением является применение для этих целей электротехнологий, способных обеспечить комплексное воздействие на расплав в процессе его кристаллизации с целью создания условий, необходимых для получения сплавов с заданными физико-механическими свойствами.

Объектом исследования является электротехнологический комплекс для получения непрерывнолитой заготовки из алюминия и алюминиевых сплавов методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле с управляемым фронтом кристаллизации слитка.

Предмет исследования: электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы в алюминиевом слитке, кристаллизующемся в электромагнитном поле, их влияние на структуру и свойства формирующегося слитка, энергетические параметры и режимы работы электротехнологического комплекса.

Целью работы является развитие теоретических основ электротехнологического оборудования для получения высоколегированных алюминиевых сплавов с заданными физико-механическими свойствами методом кристаллизации в электромагнитном поле.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ использования в составе плавильно-литейных комплексов электротехнологического оборудования и электротехнологий, обеспечивающих повышение качественных показателей производства на всех этапах технологического цикла от приготовления сплава до литья.

2. Анализ факторов, влияющих на структуру и свойства кристаллизующегося слитка, способов управления ими в процессе кристаллизации и обоснование наиболее эффективных методов моделирования физических процессов, протекающих в электротехнологических системах непрерывной разливки сплавов.

3. Разработка математической модели сопряженных электромагнитных, тепловых и магнитогидродинамических процессов кристаллизующегося в электромагнитном поле слитка, учитывающей основные факторы воздействия на его физико-механические свойства, анализ закономерностей протекания этих процессов в системе «индуктор-слиток» и оценка их взаимного влияния для определения способов управления процессом кристаллизации.

4. Создание опытно-промышленной электротехнологической установки для экспериментального исследования процесса кристаллизации алюминиевых сплавов в электромагнитном поле при различных значениях воздействующих факторов (скорость вытягивания слитка, диаметр слитка, частота питающего напряжения), анализ микроструктуры и физико-механических свойств полученных образцов и определение степени воздействия на них различных факторов.

5. Определение диапазона электротехнических параметров системы кристаллизации расплава металлов, обеспечивающих устойчивое формирование слитка с мелкокристаллической структурой.

6. Разработка технических требований к создаваемому промышленному оборудованию, основанных на результатах математического и физического моделирования, формулирование обобщенных рекомендаций и их реализация при создании опытно-промышленной электротехнологической установки для получения непрерывнолитой заготовки из высоколегированных алюминиевых сплавов.

Научная новизна диссертационной работы определяется тем, что:

1. Впервые разработана математическая модель сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в кристаллизующемся слитке, позволяющая учитывать влияние фазового перехода и свободной поверхности металла, удерживаемой электромагнитным полем, на условия кристаллизации слитка и устойчивость его формирования.

2. В результате численного и физического экспериментов выявлены количественные и качественные закономерности протекания электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в слитке, кристаллизующемся в электромагнитном поле, позволяющие оценить их взаимное влияние друг на друга и на параметры технологического процесса, а именно:

- установлено, что для рассматриваемого способа литья при диаметрах слитка 5 -15 мм, скорость охлаждения достигает от 300 до 1000 К/с, что соответствует нижнему диапазону скоростей охлаждения, получаемых методами быстрой кристаллизации,

- показано, что устойчивое формирование цилиндрического слитка диаметром 5-15 мм обеспечивается в диапазоне частот питающего напряжения 20-60 кГц и токов в индукторе 2500 - 4700 А,

- определены характер и интенсивность циркуляции металла у поверхности раздела жидкой и твердой фаз слитка в зависимости от электрических параметров кристаллизатора и технологических параметров процесса литья и установлено, что в рассматриваемом диапазоне частот и токовой нагрузки средняя скорость циркуляции металла вблизи фронта кристаллизации составляет порядка 0,1 м/с,

- показано влияние тепловых и гидродинамических параметров кристаллизации на формирование слитка, его структуру и физико-механические свойства;

3. На основании сопоставления результатов численного и физического экспериментов установлен синергетический эффект высокой скорости охлаждения

и электромагнитного перемешивания, результатом которого является равномерная по сечению мелкодисперсная структура с дендритным параметром 10 -20 мкм, что соответствует скоростям охлаждения 104- 10 К/с при применении гранульных технологий.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны и реализованы алгоритмы расчета электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в жидкой фазе кристаллизующегося слитка. Выявлены факторы, влияющие на формирование структуры и физико-механические свойства сплавов, полученных методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле.

2. Спроектирована и создана опытно-промышленная электротехнологическая установка для получения непрерывнолитых слитков в электромагнитном поле, обеспечивающая реализацию исследуемых технологических режимов получения слитков с заданными физико-механическими свойствами, и определены технологические параметры процесса кристаллизации алюминиевых сплавов.

3. Впервые получены опытные образцы непрерывнолитых слитков диаметром 5 - 15 мм из алюминиевых сплавов методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле при различных условиях литья, позволившие оценить эффективность воздействия исследуемых параметров кристаллизации на структуру и физико-механические свойства слитков.

4. Разработанные способ и устройства для непрерывного литья слитков защищены патентами РФ № 2395364, № 86511, № 48836.

На защиту выносятся:

1. Научные основы электротехнологического оборудования для быстрой кристаллизации непрерывнолитого слитка в электромагнитном поле, обеспечивающего более высокую производительность и эффективность по сравнению с гранульными технологиями и заданный комплекс свойств получаемых слитков.

2. Математические модели и алгоритмы расчета сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов кристаллизующегося в электромагнитном поле слитка, позволяющие эффективно решать задачи создания условий кристаллизации, необходимых для получения слитков с требуемыми физико-механическими свойствами.

3. Закономерности протекания физических процессов при кристаллизации слитка в электромагнитном поле, их влияние друг на друга и свойства слитка, энергетические характеристики и условия процесса кристаллизации.

4. Конструкция, основные электрические и технологические параметры электротехнологической установки для получения алюминиевых сплавов со специальными свойствами методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью используемых допущений, применяемых средств и методов научных исследований и подтверждается удовлетворительной сходимостью экспериментальных

данных, полученных на опытно-промышленной установке, с теоретическими расчетами и данными других авторов.

Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка задач данного исследования, обоснование и разработка положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы; проведение, анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований; разработка математических моделей; разработка и внедрение электротехнологических систем для быстрой кристаллизации алюминиевых сплавов в электромагнитном поле.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 4-ой Международной конференции по нетрадиционным электромеханическим и электрическим системам (Санкт-Петербург, 1999 г.); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы и достижения в области электротехнологий в XXI веке»(Санкт-Петербург, 2001 г.); 5-ой международной конференции по нетрадиционным электромеханическим и электрическим системам (Щецен, Польша, 2001 г.); Международном семинаре по нагреву внутренними источниками (Падуя, Италия, 2001 г.); Международной научно-технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении» (Тула, 2002 г.); 8-ой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2002 г.); 5-ой международной конференции фундаментальной и прикладной магнитной гидродинамики «PAMIR» (Раматуэль, Франция, 2002 г.); Международном научном коллоквиуме «Моделирование электромагнитных процессов» (Ганновер, Германия 2003 г.); Международном симпозиуме по нагреву электромагнитными источниками (Падуя, Италия, 2004 г.); Международной конференции «Проблемы теории и практики индукционного нагрева» (Санкт-Петербург, 2005 г.); XII международной конференции «Алюминий Сибири» (Красноярск, 2006 г.); Международном симпозиуме по нагреву электромагнитными источниками (Падуя, Италия, 2007 г.); 2-ой Международной конференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева» (Санкт-Петербург, 2009 г.); 1-ом Международном конгрессе «Цветные металлы Сибири - 2009» (Красноярск, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2010 г.); Третьем международном конгрессе «Цветные металлы - 2011» (Красноярск, 2011 г.); XVII Международный Конгресс UIE-2012 «Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies» (Санкт-Петербург, 2012 г.).

Реализация результатов работы. Полученные результаты исследований нашли практическое применение при разработке и проектировании технологического оборудования по договору № 218у/2008/0421 от 03.04.2008 г. с ОАО «Чебоксарский завод кабельных изделий «Чувашкабель» (Чебоксары); при создании (2005 г.) и последующей модернизации (2010 г.) опытно-промышленной установки для литья алюминиевых сплавов в электромагнитном поле для ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики» (Красноярск); при выполнении работ по до-

говорам №17-кр. от 10.04.2008 г. с ООО «Конэкс» (Москва) и №04/09/-мг-01417 от 17.09.2009 г. с ООО «Эльта» (Москва).

Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 61 печатной работе, в том числе 18 статей в изданиях входящих в перечень изданий, рекомендованный ВАК РФ, 20 докладов на конференциях, 8 патентов на изобретения и полезные модели, 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 3 депонированных рукописи и 9 статей в межвузовских сборниках научных трудов.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 5 разделов, заключение, список использованных источников и приложения. Работа содержит 310 страниц основного текста, включая 87 рисунков и 19 таблиц. Список использованных источников состоит из 208 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулирована цель работы, выделены научная новизна, практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассматриваются вопросы применения электротехнологий и электротехнологического оборудования в составе плавильно-литейных агрегатов для производства алюминиевых сплавов; проводится анализ факторов, влияющих на качество слитков; выполнен обзор методов исследования физических процессов, протекающих в электротехнологическом оборудовании металлургического назначения; проведен обзор пакетов прикладных программ для математического моделирования физических процессов в кристаллизующемся слитке.

Проведенный обзор литературных источников показал, что применение электротехнологий на всех этапах производственного цикла получения литых алюминиевых полуфабрикатов позволяет повысить как эффективность технологического оборудования, так и качество литой продукции.

Известно, что качество алюминиевых слитков во многом определяется условиями их кристаллизации. В первую очередь это касается высоколегированных алюминиевых сплавов, вопросами разработки и получения которых занимались В.И. Добаткин, В.И. Елагин, В.М. Федоров и др. Благодаря их работам на сегодняшний день созданы и используются в промышленности жаропрочные, высокопрочные, свариваемые алюминиевые сплавы, а также сплавы с другими специальными свойствами. Уникальные свойства, присущие этим сплавам, обусловлены наличием в них тугоплавких элементов (марганец, хром, титан, железо, никель и т.д.), редкоземельных металлов и др. Однако все перечисленные компоненты имеют малую растворимость в твердом алюминии. Причем при наличии в сплавах указанных добавок в количествах, превышающих предельную растворимость, появляются первичные кристаллы интерметаллических соединений, которые находятся в слитке в виде грубых, неравномерно

распределенных включений, ухудшающих механические свойства литых полуфабрикатов.

Условия кристаллизации высоколегированных алюминиевых сплавов определяют не просто качество, а саму возможность их получения и практического использования. Производство полуфабрикатов из таких сплавов невозможно при использовании традиционных технологий литья и требует создания специальных условий их кристаллизации.

Как показывают многолетние исследования, принудительная циркуляция металла в жидкой фазе кристаллизующегося слитка и высокая скорость охлаждения позволяют получать литые заготовки, отвечающие самым жестким требованиям, предъявляемым к их физико-механическим характеристикам.

В соответствии с современными представлениями перемешивание расплава в процессе кристаллизации повышает качество литой заготовки за счет оплавления и разрушения движущимся потоком металла фронта кристаллизации, и расширения области переохлаждения металла в объеме жидкой лунки. Сегодня лидирующая роль в создании принудительной циркуляции металла в жидкой фазе кристаллизующегося слитка принадлежит электротехнологическому оборудованию, позволяющему осуществить бесконтактное воздействие на жидкий металл посредством вращающихся и пульсирующих электромагнитных полей.

Высокая скорость охлаждения, также нашла широкое применение в промышленном производстве алюминиевых полуфабрикатов. В работах В.И. До-баткина, Б.И. Бондарева, Ю.В. Шмакова отмечается, что наиболее существенным проявлением влияния высокой скорости охлаждения является диспергирование микроструктуры сплава, расширение концентрационных областей твердых растворов, кристаллизация в соответствии с метастабильными диаграммами состояния. Диспергирование микроструктуры дает возможность получить в литом металле свойства деформируемого, а эффект метастабильной кристаллизации позволяет создавать сплавы с уровнем свойств, недостижимым для сплавов, получаемых по традиционным технологиям.

Обзор публикаций по теме показывает, что все существующие на сегодняшний день технологии кристаллизации с высокими скоростями охлаждения сводятся к диспергированию расплава, его охлаждению в водной или газовой среде и получению гранул сплава размером от 0,05 до 5 мм. Их общим недостатком являются: низкая производительность, малый выход годного, нестабильность физико-механических свойств при дальнейшей пластической обработке сплава и др. Поэтому в настоящее время актуальной остается задача повышения эффективности процесса получения высоколегированных алюминиевых сплавов. Анализ существующих технологий литья показал, что наиболее перспективным решением поставленной задачи является технология непрерывного литья слитков малого поперечного сечения в электромагнитном поле, в основе которой лежит способ литья в электромагнитный кристаллизатор, широко известный из работ З.Н. Гецелева, Г.А. Балахонцева и других авторов. Такой способ позволяет путем сочетания таких факторов, как электромагнитное

перемешивание жидкой фазы слитка и высокой скорости охлаждения, получать литую заготовку с требуемыми физико-механическими свойствами, а получение самой заготовки в виде непрерывного слитка позволяет уменьшить количество технологических переделов при производстве конечной продукции.

Формирование слитка электромагнитным полем сопровождается сопряженными электромагнитными, тепловыми и гидродинамическими процессами в кристаллизующемся металле. Их характер предопределяет физико-механические свойства отливаемого слитка и зависит от электрических и конструктивных параметров кристаллизатора. Поэтому получение слитка с необходимыми свойствами требует знания закономерностей протекания физических процессов в нем и возможностей управления этими процессами.

Жидкий металл является агрессивной средой, и в настоящее время не существует технических средств, позволяющих с необходимой достоверностью проводить исследование физических процессов в нем. Для этих целей в работе применяются методы математического моделирования. Анализ задач, подлежащих решению, и изучение возможностей различных пакетов прикладных программ обусловил применение для математического моделирования пакетов ANSYS и FLUENT.

Исследование микроструктуры и физико-механических свойств слитков необходимо проводить путем физического моделирования. Для этого должны быть получены экспериментальные образцы слитков, закристаллизованных в электромагнитном поле при разных параметрах кристаллизации, которые затем будут изучены на уровне микроструктуры и подвержены механическим испытаниям. Выводы о влиянии физических процессов, протекающих в жидкой фазе слитка, на его структуру и физико-механические свойства будут делаться на основе сопоставления результатов, полученных методами физического и математического моделирования.

Во втором разделе проведен анализ физических процессов, протекающих при литье слитка в электромагнитном поле; разработаны математические модели для расчета сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в кристаллизующемся слитке с учетом фазового перехода и свободной поверхности его жидкой фазы.

Эскиз системы «индуктор-слиток» электромагнитного кристаллизатора (патенты № 48836, № 86511) показан на рисунке 1.

Процесс литья осуществляется следующим образом. Жидкий металл 1 посредством литейной оснастки 2 подается

5 ' I V,,

Рис.1 - Эскиз системы «индуктор-слиток» электромагнитного кристаллизатора

в индуктор 3. Под действием электромагнитного поля, создаваемого индуктором, в жидком металле наводятся вихревые токи, взаимодействие которых с электромагнитным полем приводит к возникновению объемных электродинамических сил удерживающих жидкий металл от растекания, и создающих в нем магнитогидродинамические течения. Под действием охлаждающей воды, поступающей из охладителя 4, жидкий металл непрерывно затвердевает и вытягивается из кристаллизатора со скоростью \выт в виде непрерывного слитка 5.

Система уравнений, описывающих связанные электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы в слитке, формируемом электромагнитным полем, содержит уравнение векторного потенциала, уравнение непрерывности, уравнение движения, уравнение неразрывности, уравнение сохранения энергии:

У2А = -//08; (1)

У8 = 0; (2)

р{%+= +^+Ут+; (3)

Уу = 0; (4)

^ + = (5)

от

где А— векторный потенциал; 6— вектор плотности тока; //0 — магнитная постоянная; V- вектор скорости движения жидкого металла; т- тензор вязких напряжений; Г^ — объемная электродинамическая сила; р - давление; р -плотность; / - время; Т- температура; Н - удельная энтальпия; Л - удельная теплопроводность; — источник тепла; g — вектор ускорения свободного падения.

Решение системы уравнений (1) — (5) в общем виде является сложной задачей. Поэтому в диссертационной работе при построении математических моделей вводится ряд допущений, позволяющих упростить процесс расчета без существенной потери точности.

Форма записи уравнений (1) - (5), определяется на основании анализа критериев подобия, которые для рассматриваемого устройства с его характерными размерами имеют значения:

- число Рейнольдса Б1е ~ 4000 - математическая модель должна учитывать турбулентное течение;

- число Гартмана На ~ 100 - внешнее магнитное поле будет оказывать существенное влияние на движение расплава в жидкой фазе слитка;

- магнитное число Рейнольдса Яет ~ 0,1 - расчет магнитогидродинамических процессов можно вести в безиндукционном приближении;

- число Вебера \Уе ~ 0,001 - эффект поверхностного натяжения играет существенную роль в процессе формирования жидкой фазы слитка.

В виду сложности исследуемых физических процессов для их численного моделирования в работе применяется несколько постановок задачи:

I. Для расчета электрических параметров системы «индуктор-слиток» и энергетических показателей процесса литья анализ электромагнитного поля ведется в трехмерной стационарной постановке в декартовой системе координат. Такой подход позволяет наиболее полно учесть геометрию рассматриваемой системы.

Расчетная модель (рис.2) содержит индуктор 1, шины 2 и слиток 3. При построении расчетной модели приняты следующие допущения:

- расчетную область ограничивает среда с идеальными магнитными свойствами (// = оо);

- жидкая и твердая фазы слитка моделируются средой, имеющей конечную электрическую проводимость жидкого и твердого алюминия, соответственно;

- электромагнитное поле индуктора изменяется по синусоидальному закону.

С учетом анализа критериев подобия и принятых допущений, уравнения (1) и (2) записываются в комплексном виде:

У2А = -//05 ; (6)

У6 = 0. (7)

Комплексная плотность тока имеет

вид:

6 = -//йА, (8)

где у—удельная электрическая проводимость; со = 2т$ —циклическая частота.

Система уравнений (6) - (8) решается для трех компонент магнитного векторно-

» 1 3

\ \ \ \ 1- / / /

\ V ......л /в

1

V ; Ш В? 'пНв

и Л \ \

И

Рис.2 - Расчетная модель системы «индуктор-слиток»

го потенциала: А = ехА^ + еуАу + егА,.

На границе расчетной области для касательной и нормальной составляющей магнитного векторного потенциала задаются условия:

аАг

5п

= 0; А„|г = О,

(9)

где п - нормаль к границе расчетной области.

Исходными данными для расчета являются геометрические размеры системы «индуктор-слиток» и электрофизические свойства материалов расчетной области. В качестве источника электромагнитного поля задается ток в индукторе / , который подбирается итерационно до выполнения условия

где р - электромагнитное давление; рг - гидростатическое давление; апов -коэффициент поверхностного натяжения; г - радиус слитка.

II. Исследование процесса кристаллизации слитка в электромагнитном поле проводится путем анализа нестационарных тепловых и магпитогидроди-намических процессов в трехмерной постановке в цилиндрической системе координат. При этом электродинамические силы и джоулево тепло в уравнения (3) — (5) импортируются из расчета трехмерного электромагнитного поля. Турбулентное течение описывается с помощью модели крупных вихрей LES.

Расчетная модель (рис.3) содержит: 1 - жидкая фаза слитка, 2 - затравка, 3 - твердый слиток, 4 — двухфазная область.

При построении расчетной модели приняты допущения:

- слиток имеет бесконечно большие размеры в направлении продольной оси z ;

- слиток и его жидкая фаза

имеют правильную цилиндрическую форму.

В соответствии с принятой LES - моделью турбулентности и оговоренными допущениями, «отфильтрованная» система уравнений Навье — Стокса имеет вид:

Vv = 0 ; (11)

^(f + (vV)vj = -Vp + pg + ^2v-VT + f3d, (12)

где v - динамическая вязкость; т - тензор подсеточных напряжений.

В уравнениях (11) и (12) все величины со знаком «л» считаются отфильтрованными на расчетной сетке, с локальным размером фильтра А = (¿>х ■ 8у ■ 5,)'/3, где 8Х, 8у и Sz - размеры ячейки сетки по каждой из координат.

Уравнение энергии (5) с учетом фазового перехода примет вид: ?&- + V(pvH) = V(XVT)-(- ^"-^(руАН)) + Q,

Рис. 3 - Расчетная модель кристаллизующегося слитка в момент времени / = О (а) и г=<х> (б)

ôt

1 dt

дж '

(13)

В выражении (13) <2дж- джоулево тепло; АН - скрытая теплота, которая выражается через скрытую теплоту фазового перехода сплава Ь\

где - объемная доля жидкости в ячейке.

Электродинамические силы и джоулево тепло в выражении (12) и (13) импортируются из электромагнитного расчета.

Решение уравнений (11) и (12) ведется для трех компонент вектора скорости: У = ёг\\ + +ёгу2.

На границах расчетной области задаются следующие условия:

- на входных и выходных границах все величины, за исключением давления, удовлетворяют условию Неймана:

дФ

V =0, (14)

дг г

где Ф - множество всех величин, использующихся при решении задачи;

- для давления на входных и выходных границах выполняется условие Дирихле, имитирующее условие бесконечного удаления стенок:

р|г=0; (15)

- нормальные и касательные составляющие скорости на стенках равны нулю:

ул|г =0 и уг|г =0; (16)

- для объемной доли жидкой фазы на стенке задаются условия сноса:

СП

= 0 , (17)

г

■сс{Тпов-ТохХ (18)

где п- вектор нормали к поверхности кристаллизации.

- на внешней поверхности слитка теплообмен с окружающей средой происходит по закону Ньютона - Рихмана:

дг1

где а - коэффициент теплоотдачи; Тпов - температура поверхности слитка; Тохл - температура охлаждающей среды.

В качестве начальных условий задаются Т3 - начальная температура затравки, Ти - начальная температура металла и V - начальная скорость в жидкой фазе слитка:

г4=о = го1; тз\,=0 =7ш; Ч=0=0. (19)

Уравнения (11) - (19) полностью описывают процесс тепломассообмена в слитке, кристаллизующемся в электромагнитном поле. Скорость вытягивания слитка определяется итерационно в зависимости от формы фронта кристаллизации и того положения, которое он принимает относительно средней линии индуктора (ось х - х' на рис. 3) в процессе литья.

III. Устойчивость формирования слитка в электромагнитном поле рассчитывается путем совместного анализа электромагнитных, тепловых и магни-тогидродинамических процессов в кристаллизующемся слитке с учетом свободной поверхности жидкой фазы. Задача решается в осесимметричной постановке, что позволяет экономить вычислительные ресурсы при сохранении приемлемой точности расчета. Турбулентное течение описывается двухпараметри-ческой моделью Ментера БЯТ.

Расчетная модель (рис.4) содержит: 1 - жидкий металл, 2 - затравка, 3 -индуктор, 4 - твердый слиток, 5 - двухфазная область, 6 - воздух. При ее построении приняты следующие допущения:

- электромагнитные, тепловые и гидродинамические поля имеют осевую симметрию относительно оси г (ось симметрии О - О');

- расчетную область ограничивает среда с идеальными магнитными свойствами

- электромагнитное поле индуктора изменяется по синусоидальному закону;

- влиянием движения металла в жидкой фазе слитка на электромагнитное поле пренебрегаем.

О О

О' О' I

f Увыт

а) б)

Рис.4 -Расчетная модель формирования слитка в момент времени t = 0 (а) и

/ = оо (б)

Электромагнитное поле в расчетной области описывается уравнениями (6) - (8), решение которых в соответствии с принятыми допущениями будет находиться лишь для одной компоненты магнитного векторного потенциала в комплексной форме А = ё(/1Ар. Решение уравнений (6) - (8) осуществляется в программном пакете FLUENT на языке программирования С++ в виде библиотек User defined function.

Гидродинамические и тепловые процессы в расчетной модели описываются уравнениями (3) - (5). Для экономии расчетного времени и вычислительных ресурсов, в рассматриваемой модели использована усредненная во времени форма записи уравнения (3):

p{jt + (vV)vj = -Vp + pg + v(t - f3Ä + f„„, (20)

где — pv'j ■ v'■ - тензор рейнольдсовых напряжений; ftlH - сила поверхностного натяжения.

Вектор скорости будет иметь две составляющие: V = е2 у, + егуг. В качестве модели турбулентности при расчете принята модель Ментера (БЭТ).

Уравнение энергии в модели имеет вид, аналогичный (13).

Для магнитного векторного потенциала на краях расчетной области будет выполняться условие (9). На границе слитка с окружающей средой выполняются условия (14) - (18).

На оси симметрии выполняются условия: 8А дг

= 0; V _ , = 0;

дг

о- -Г

дг

= 0; ЗР

дг

= 0.

Начальные условия для рассматриваемой модели аналогичны (19).

Для решения задачи со свободной поверхностью в диссертационной работе использован метод жидкости в ячейках (УОР-метод). Отслеживание перемещения жидкой фазы слитка и фронта кристаллизации осуществляется путем решения уравнения переноса объемной доли жидкой фазы в ячейке:

дГ Э/

где Г - функция маркер, величина которой задает объемную долю жидкой фазы в расчетной ячейке.

Математическая модель позволяет оценить влияние технологических параметров литья (скорость вытягивания слитка, частота питающего напряжения, тока в индукторе) на устойчивость формирования слитка и качество его поверхности.

Адекватность построенных математических моделей оценивалась на основании тестовых расчетов и сравнении полученных результатов с результатами физического эксперимента и результатов, полученных другими авторами.

В третьем разделе проводится анализ сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в системе «индуктор-слиток», оценка их взаимного влияния друг на друга и определение способов управления процессом кристаллизации.

Результатом расчета электромагнитного поля является распределение на-пряженностей электрического и магнитного полей в расчетной области (рис.5). На рисунке Н, Е и г- текущие значения напряженности магнитного и электрического полей и радиуса слитка; Н0 и Е0 - напряженности магнитного и электрического полей на поверхности слитка, Яп - радиус слитка; А - глубина проникновения электромагнитного поля в слиток.

Процессы, протекающие при формировании слитка в электромагнитном поле, определяются плотностью потока энергии на поверхности слитка, обеспечивающего удержание и перемешивание жидкой фазы слитка за счет электродинамических сил и нагрев слитка за счет внутренних источников тепла.

Средняя за период величина потока энергии через поверхность единицы объема слитка определяется комплексным вектором Пойнтинга:

П = ^Ёхн]. (21)

\н/н„\ 1

0.8 (1.6 0.4 0.2 0

0 0,2 0.4 0.6 0.8

а)

r/R„

0.8 r/R„

Рис. 5 - Затухание магнитного (а) и электрического (б) полей в жидкой фазе

слитка

Взаимодействие магнитного поля и вихревых токов в жидкой фазе слитка приводит к возникновению электродинамических сил, удерживающих жидкий металл от растекания и создающих в нем магнитогидродинамические течения. Средняя за период удельная электродинамическая сила в единице объема слитка определяется из выражения:

*эд = \ ГМо Re(fl) = f3ä + ez Cd •

■эд ~~ 2/И0 1эд ■ (22)

Электромагнитное давление, создаваемое радиальной составляющей электродинамической силы irэд, определяется из выражения

Рэм=К<1г. (23)

о

В результате решения уравнений (21) - (23) получено распределение удельных электродинамических сил и электромагнитного давления в жидкой фазе слитка. На рис. 6 представлены их относительные значения, где í\\ р - текущие значения силы и давления, Гтах и ртах - их максимальные значения.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 r/R„ б)

Рис. 6 - Характер изменения электродинамической удельной силы (а) и давления (б) в жидкой фазе слитка

Для перехода в расчетах системы «индуктор-слиток» от дифференциальных параметров электромагнитного поля к интегральным вводится схема замещения (рис.7). На схеме обозначены: йи - напряжение, приложенное к индуктору; 1и - ток в индукторе; гу, х, - активное и внутреннее реактивное сопротивление индуктора, г[,х'2 -вносимое активное и внутреннее реактивное сопротивления слитка, х3 - сопротивление рассеяния.

Полная комплексная мощность системы «индуктор-слиток» складывается из мощности в слитке £ , мощности в индукторе мощности рассеяния

Б и мощности в шинах Их

расчет осуществляется интегрированием потока энергии по поверхности соответствующего элемента систе-¡Х2 мы:

= Р + 70,

где в - вектор-нормаль к поверхности; Р и - активная и реактивная я-1 мощности.

Рис.7 - Схема замещения системы Параметры схемы замещения

«индуктор-слиток» определяются из выражения:

. Р

г = г + ]х = — + ) —.

Г Г 1 и 1 и

Основная задача при разработке оборудования для кристаллизации в электромагнитном поле - создать необходимую плотность потока энергии, обеспечивающую формирование слитка заданного диаметра с требуемыми физико-механическими свойствами. В качестве факторов, позволяющих управлять плотностью потока энергии, приняты ток индуктора /„ и частота питающего напряжения /.

Решение уравнения (10) позволило получить кривые, позволяющие установить взаимосвязь диаметра слитка и тока в индукторе при разной высоте жидкой фазы слитка ИЖф (рис. 8 а). Адекватность расчетов проверялась на физической модели индуктора путем удержания магнитным полем столба металла заданного диаметра и высоты (рис. 8 б).

Микроструктура слитка и его физико-механические свойства определяются тепловыми и гидродинамическими процессами, протекающими при его кристаллизации.

Для оценки влияния электромагнитного поля на тепловые процессы, протекающие в слитке, проведен расчет относительной энергии вносимой в слиток внутренними источниками тепла. Расчет показал, что доля электромагнитной энергии, передаваемой в слиток, не превышает 6% от его полной внутренней энергии и снижается при увеличении относительного радиуса слитка. С учетом того, что тепло, выделяющееся в тонком поверхностном слое слитка, разносит-

а) б)

Рис.8 - Зависимость диаметра слитка от тока индуктора при разной высоте жидкой фазы слитка (а) и столб жидкого металла, удерживаемого электромагнитным полем индуктора (б)

ся магнитогидродинамическим течением по всему объему жидкой фазы, можно говорить о незначительном влиянии внутренних источников энергии на тепловые потоки в слитке.

На рис. 9 и 10 показаны картины тепловых и гидродинамических полей в жидкой фазе слитка, полученные при различных режимах литья. Наиболее благоприятными с точки зрения формирования структуры слитка и его свойств являются такие режимы литья, при которых формируется плоский фронт кристаллизации (рис. 9 а и 10 а).

а) б) в)

Рис. 9 - Распределение гидродинамических и тепловых полей в жидкой фазе слитка 010 мм при скоростях вытягивания: а) - 5 мм/с; б) - 10 мм/с;

в) — 15 мм/с

В рассматриваемом способе литья эффективность воздействия на фронт кристаллизации магнитогидродинамическим перемешиванием также определяется глубиной и формой жидкой лунки. При плоском фронте воздействию движущегося металла подвергается вся поверхность кристаллизации. По мере углубления жидкой лунки в центральных областях слитка у поверхности кри-

19

сталлизации возникает область «затенения», где скорость циркуляции металла резко падает и степень ее воздействия на фронт кристаллизации снижается.

б)

в)

Рис. 10 - Распределение гидродинамических и тепловых полей в жидкой фазе слитка а) - 05 мм; б) - 010 мм; в) - 015 мм при скорости вытягивания

10 мм/с

С точки зрения воздействия на фронт кристаллизации важной характеристикой потока металла является его средняя линейная скорость уф вблизи фронта кристаллизации. Расчеты показали, что углубление жидкой лунки при изменении скорости вытягивания слитка приводит к уменьшению скорости течения металла у фронта кристаллизации (рис. 11 а) и снижению ее среднего значения (рис. 11 б). При этом снижается площадь поверхности фронта кристаллизации, на которую оказывает воздействие движущийся металл. V, м/с

0.25

0.2

0.15 -

0.1

0.05

быт

=15 мм/с

з мм/с

vcp, м/с 0.12

0.1 -

0.08

0.06 -

0.04

0.02

0

0.2

15 Уаыт, ММ/с

0.4 0.6 0.8 1 r/R„ 0 5 10 а) б)

Рис. 11 — Скорость циркуляции металла вдоль фронта кристаллизации (а) и ее среднее значение (б) в зависимости от скорости вытягивания слитка

Скорость охлаждения, которую удается получить при литье рассматриваемым способом, по расчетам составляет от 400 К/с - для слитков диаметром 15 мм до 1000 К/с - для слитков диаметром 5 мм (рис.12 а), что соответствует

нижнему диапазону скоростей, получаемых методами быстрой кристаллизации, и позволяют получать равномерную мелкодисперсную структуру слитка.

* 0X7» 1000

800

600

400

200

К/с

14

12 10

8 6

4

? -

0

10

15

10

15

а)

б)

Рис. 12 - Зависимость скорости охлаждения слитка (а) и скорости вытягивания слитка (б) от его диаметра

Построенные математические модели позволяют для каждого из рассматриваемого диапазона диаметров слитка получить зависимости, позволяющие подобрать такие скорости вытягивания слитка, при которых фронт кристаллизации будет плоским (рис.12 б), и магнитогидродинамическое воздействие на фронт кристаллизации будет наиболее эффективным.

Анализ процесса формирования слитка в электромагнитном поле при различных параметрах системы «индуктор-слиток» проведен на математической модели с учетом свободной поверхности жидкой фазы слитка.

На рис. 13 показано формирование слитка электромагнитным полем при разных значениях тока в индукторе. Высота жидкой фазы слитка Нжф =50мм. На

а) б) в)

Рис. 13 - Формирование слитка 010 мм в электромагнитном поле при токе в индукторе а) - 2000 А; б) - 2500 А; в) - 2700 А

рисунке видно, что при значении тока 2000 А гидростатическое давление превышает электромагнитное, и происходит пролив металла (рис. 13, а). Увеличение тока до 2500 А (рис. 13, б) позволяет удерживать металл от пролива, однако

21

при этом происходит отклонение диаметра слитка от заданного значения. Дальнейшее увеличение тока до 2700 А соответствует устойчивому формированию слитка диаметром 10 мм (рис. 13, в). Расчет проводился для частоты питающего напряжения 60 кГц.

Влияние частоты питающего напряжения на устойчивость формирования слитка диаметром 10 мм при токе индуктора 2700 А показано на рис. 14. Как видно из рисунка, в диапазоне частот 60 - 20 кГц происходит устойчивое формирование слитка (рис. 14 а, б). При частоте 10 кГц (рис. 14 в) происходит колебание свободной поверхности, из-за чего форма получаемого слитка принимает вид гофрированной поверхности. Особенно это заметно при диаметрах слитка менее 10 мм. Колебания свободной поверхности вызваны интенсивными течениями металла в жидкой фазе слитка.

а) б) в)

Рис. 14 - Формирование слитка 010 мм в электромагнитном поле при частоте питающего напряжения а) - бОкГц; б) - 20кГц; в) - ЮкГц

В четвертом разделе проводится экспериментальное исследование непре-рывнолитых слитков из высоколегированного алюминиевого сплава 01417М, полученных кристаллизацией в электромагнитном поле; показано влияние скорости охлаждения, скорости литья и параметров электромагнитного поля на микроструктуру слитка.

Экспериментальное исследование эффективности предлагаемой в работе технологии проводится на высоколегированном алюминиевом сплаве 01417М, в состав которого входит: А1-основа; La- 3,0%; Се- 5,3%; Рг- 0,015%; Fe-0,24%; Si- 0,06%.

Промышленные сплавы на основе системы А1-РЗМ, и в частности сплав 01417М, благодаря сочетанию высокой электропроводимости, прочности и малой удельной массы, нашли широкое применение в качестве токоведущих элементов в авиастроении. Однако структурная особенность этих сплавов, связанная с образованием неоднородных грубых эвтектических составляющих, является серьезным препятствием к освоению промышленной технологии получения проволоки проводникового назначения диаметром 0,07 - 0,1 мм. Основной задачей при получении слитков из сплава 01417М, идущих в дальнейшем на изготовление проволоки, является диспергирование эвтектической составляющей и обеспечение однородности ее распределения по сечению и длине литой заго-

товки. В связи с этим очень важно уже в литом состоянии получить мелкодисперсную структуру, которая будет наследоваться на последующих этапах передела.

Для проведения исследований из слитков, отлитых в электромагнитном поле, были подготовлены экспериментальные образцы. Для выявления кристаллической структуры шлифы образцов подвергали химическому или ионному травлению. Микроструктура полученных образцов исследовалась на растровых электронных микроскопах HITACHI ТМ 1000 и JEOL JSM 7001F1.

Для сравнения микроструктуры слитков, полученных при различных условиях кристаллизации, были изготовлены экспериментальные образцы без воздействия электромагнитного поля в процессе кристаллизации. Сплав кристаллизовали в асбестовой форме, в медной водоохлаждаемой гильзе и в виде капли на медной шлифованной подложке.

При низких скоростях охлаждения (кристаллизация в асбестовой форме) образуются неравномерно распределенные в эвтектике включения А1ИХ3 (рис. 15 а), имеющие форму неправильных пластин переменной ширины. При увеличении скорости охлаждения (кристаллизация в медной водоохлаждаемой гильзе) формируется однородная структура доэвтектического состава с дисперсными первичными кристаллами алюминиевой фазы. Эвтектика становится более

а) б) в)

Рис. 15 - Микроструктура образца, закристаллизованного: а) - в асбестовой форме; б) - в водоохлаждаемой медной гильзе; в) - в виде капли

дисперсной и регулярной, однако наблюдаются отдельные крупные включения А1цХ3 (рис.15 б). В обоих случаях по сечению слитка присутствует ярко выраженная неоднородность микроструктуры, которая отрицательно сказывается на технологических свойствах слитка при дальнейшем переделе.

Кристаллизация расплава в виде капли диаметром ~ 2 мм характерна для гранульных технологий с высокими скоростями охлаждения. Микроструктура такого образца представляет тонко дифференцированную эвтектику с высокой степенью дисперсности и однородности по всему объему капли (рис. 15 в).

'Исследования микроструктуры проводилось в центре коллективного пользования Сибирского федерального университета. Автор благодарит Зеер Г.М., Зеленкову Е.Г и Жаркова С.М. за помощь, оказанную при подготовке образцов и проведении исследований.

23

Микроструктура слитка, полученного литьем в электромагнитном поле со скоростью вытягивания 5 мм/с (рис.16), по степени дисперсности и равномер-

а) б)

Рис. 16 - Микроструктура образца, 010 мм закристаллизованного в электромагнитном поле: а) - центр; б) - край

ности распределения близка к кристаллизации сплава в виде капли. Указанная скорость вытягивания соответствует плоской форме фронта кристаллизации, благодаря чему обеспечиваются одинаковые условия для формирования микроструктуры слитка, как на его поверхности, так и в центральных областях.

Влияние скорости вытягивания на микроструктуру слитка показано на рис. 17. Увеличение скорости вытягивания от 5 до 15 мм/с приводит к увеличению эвтектической составляющей и неравномерному ее распределению по сечению слитка. Это можно объяснить изменением условий охлаждения и отсутствием электромагнитного перемешивания в центральной части слитка из-за увеличения глубины его жидкой лунки. Кроме того приближение скорости литья к 15 мм/с приводит к формированию дефектов на поверхности слитка и как следствие к обрывам при дальнейшем волочении проволоки.

а) б) в)

Рис. 17 - Микроструктура центральной части образца 010 мм при скоростях вытягивания: а - 5 мм/с; 6-10 мм/с; в - 15 мм/с

Наиболее значимым фактором, определяющим качество слитка, является скорость его охлаждения. Из рис. 18 видно, что с увеличением скорости охлаждения от 300 до 900 К/с происходит закономерное измельчение как первичных кристаллов алюминия, так и эвтектической составляющей, а их распределение становится более равномерным, что положительно сказывается на физико-механических свойствах слитка.

Размеры кристаллов алюминия и равномерность распределения эвтектики по сечению слитков при различных скоростях охлаждения были оценены с помощью программного обеспечения АхюУ^юп Кс1.4.8.

Измерения проводили на снимках микроструктур, полученных при увеличении хЗООО раз, в нескольких точках по диаметру шлифа образцов. Средний размер эвтектической составляющей литого образца диаметром 15 мм в про-

Рис. 18 - Микроструктура образцов, полученных кристаллизацией в электро-

магнитном поле при скоростях охлаждения: а) - 300; б) -700; в) - 900 К/с

дольном сечении составил 13,2 мкм, в поперечном - 2,5 мкм (рис. 19 а). При уменьшении диаметра образца до 5 мм происходит уменьшение размера эвтектической составляющей в продольном направлении до 7 мкм, в поперечном - до 1,5 мкм (рис.19 б). Таким образом, при уменьшении диаметра литой заготовки наблюдается более однородная и мелкодисперсная структура, чем у литой заготовки с большим диаметром.

Рис. 19 - Распределение размеров эвтектической составляющей литых заготовок: а) - 015 мм; б) - 05 мм. N - общее число замеров, п - количество значений структурной составляющей в определенном интервале размеров.

Микроструктура образцов, полученных при разной частоте питающего напряжения, представлена на рис. 20. Из рассматриваемого диапазона частот формируется наиболее крупная и неравномерная структура при частоте 60 кГц (рис. 20 а). С уменьшением частоты фазы становятся более дисперсными и равномерно распределенными по сечению образца с незначительным разбросом по размерам (рис. 20 б и в). В данном случае можно говорить об измельчении пер-

вичных кристаллов алюминия и эвтектической составляющей в результате увеличения интенсивности циркуляции металла в жидкой фазе слитка, связанной с увеличением глубины проникновения электромагнитного поля в жидкий металл.

а) б) в)

Рис. 20 - Микроструктура образцов 010 мм, полученных при частотах питающего напряжения: а) - 60 кГц; б) - 40 кГц; в) - 20 кГц

Исследование физико-механических свойств литой заготовки показало, что предлагаемая технология позволяет получать такое сочетание прочностных и пластических свойств, которое дает возможность деформировать материал со степенями деформации до 99% без промежуточных отжигов. В результате испытаний установлено, что структура слитка диаметром 5 мм наиболее однородная и дисперсная, при этом достигаются наиболее высокие прочностные характеристики; с увеличением диаметра слитка структура становится менее однородной, увеличивается размер зерна, при этом снижаются прочностные характеристики, и увеличивается пластичность (табл.1). Выбор соотношения между параметрами микроструктуры слитка и его физико-механическими свойствами должен определяться требованиями, предъявляемыми к конечной продукции, и технологией дальнейшего передела литой заготовки.

Проведенные исследования и выявленные закономерности позволяют сформулировать рекомендации для проектирования и создания электротехнологического оборудования, а также для выбора параметров технологического процесса получения непрерывнолитых слитков из высоколегированного сплава 01417М.

Таблица 1 - Физико-механические свойства сплава 01417М

Диаметр слитка, мм Скорость вытягивания, мм/с св, МПа §,% НУ, кгс/мм2

5 10 235,9 4,69 5,8 56,36

10 7 211,96 5,64 6,15 61,26

15 5 205,31 9,24 10,15 54,28

В пятом разделе рассмотрена опытно-промышленная установка для получения слитков диаметром 5 - 15 мм методом литья в электромагнитном поле, в основу проектирования которой положены технические и технологические решения, полученные в результате теоретических и экспериментальных исследо-

26

ваний; приведено описание основных элементов установки, построены рабочие характеристики согласующей схемы, позволяющие для заданных параметров литья настроить установку на требуемый технологический режим.

_ Опытно - промышленная

-I И 4 2 электротехнологическая установка

•^■КХ 1 ^ИС« (рис.21) состоит из литейной машины

1, индукционной тигельной печи 2 для приготовления и выдержки расплава, кристаллизатора 3, источника питания и согласующего контура 4. Питание кристаллизатора осуществляется от высокочастотного транзисторного генератора, частота питающего напряжения на выходе которого изменяется в диапазоне 20 - 60 кГц.

Согласование электрических параметров кристаллизатора с параметрами источника питания осуществляется согласующим контуром, работающим по принципу смешанного резонанса и позволяющим при любых технологических параметрах литья настроить уста-Рис. 21 - Опытно-промышленная новку на рабочий режим.

установка Для расчета рабочих характери-

стик согласующего контура построена его схема замещения (рис. 22 а). Так как напряжение на выходе генератора имеет несинусоидальную форму, то процессы, протекающие в схеме, исследованы с помощью методов гармонического анализа.

П Хи

я/

—I-У

Ха

/|. Ш, Р.

СОХф

2.0

бет

1*с2

Ха I)

Ь'и

СОЯф

57 59 б| 63 / кГц

а) б)

Рис. 22 - Схема замещения согласующего контура (а) и его рабочие характеристики (б)

Напряжение на выходе генератора имеет прямоугольную форму и может быть представлено в виде ряда Фурье:

с/

ъткм

(24)

Полные комплексные сопротивления схемы определяются из выражений:

1 „ .1

гкъ = /?2 + ¡ксо12;

ктС,

—£2 ' +

(25)

Выражения (24) и (25) позволяют определить токи и напряжения ветвей схемы замещения, а также мощность, передаваемую от генератора в нагрузку.

Расчет параметров схемы замещения и ее рабочих характеристик проводился отдельно для каждой частоты питающего напряжения 20, 40 и 60 кГц. В результате расчета для каждого значения частоты питающего напряжения подобраны такие параметры схемы замещения, при которых в нагрузку будет передаваться наибольшая активная мощность. Тонкое регулирование мощности, передаваемой в нагрузку, осуществляется подстройкой частоты на выходе генератора. На рисунке 22 б показаны рабочие характеристики согласующего контура для частоты 60 кГц, позволяющие осуществлять регулирование мощности, передаваемой в нагрузку, в диапазоне частот 60 ±3 кГц и тем самым обеспечивать формирование слитка диаметром от 5 до 15 мм.

В результате проведенных исследований разработана промышленная технология производства проволоки из сплава 01417М, которая включает следующие основные операции: получение непрерывного литого слитка диаметром 10 мм в электромагнитном поле; ротационную ковку в пруток диаметром 8 мм; сварку прутков в длинномерные бухты; волочение до диаметра 2,0 мм; отжиг;

волочение до диаметра 0,5 мм; заключительный отжиг. На рис. 23 показаны образцы продукции основных этапов передела по описанной технологии.

В таблице 2 приведены значения технологических параметров литья, полученных в результате математического моделирования и физического эксперимента на сплаве 01417М. В числителе приведены результаты расчета, а в знаменателе - результаты, полученные на физической установке. Как видно из таблицы, отклонение теоретически определенных параметров от параметров, полученных в результате эксперимента, не превышает 15 %.

28

Рис. 23 - Основные этапы передела: 1- слиток; 2 - пруток после ротационной ковки; 3- проволока диаметром 0,5 мм

На основании полученных результатов разработаны технические условия на проволоку круглую электротехническую из алюминиевого сплава 01417М (ТУ18 1131-004-52766160-09). Технические условия зарегистрированы в ТК 462 Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.

Таблица 2 — Технологические параметры получения слитков из сплава 01417М и их сравнение с расчетными данными _

Температура Диаметр Ток индуктора Скорость вытягивания

литья слитка '„.а слитка

Т,К dc„ мм

5 2850 12/(10-12)

1023 10 2720 7,5/(6-8)

15 2570 5,5/(4-5)

Промышленная партия проволоки выпущенная в количестве 2000 кг была направлена в ОКБ кабельной промышленности, на производственной базе которого были изготовлены монтажные провода и осуществлена поставка проводов в КБ им. Бериева, где они были использованы при изготовлении самолета-амфибии БЕ-200.

В заключении представлены основные выводы и результаты работы. В приложении приведены документы, подтверждающие использование результатов диссертационной работы:

- при создании электротехнологической установки для производства литой заготовки диаметром 8 мм из сплава 01417М на предприятии ООО НПЦ «Магнитной гидродинамики» (г. Красноярск);

- при производстве проволоки диаметром 0,5 мм из литой заготовки диаметром 8 мм (сплава 01417М) на ООО НТЦ «Авиаспецсплав» (г. Москва);

- в учебном процессе для студентов специальности 140605.65 - «Электротехнологические установки и системы» Политехнического института ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Научно обоснована возможность применения электротехнологического процесса быстрой кристаллизации непрерывнолитого слитка диаметром 5 -15 мм в электромагнитном поле для получения высоколегированных алюминиевых сплавов, обеспечивающего более высокую производительность и эффективность по сравнению с гранульными технологиями и заданный комплекс свойств получаемых слитков.

2. На основе анализа методов и средств математического и физического моделирования и их возможностей доказано, что для исследования физических процессов в кристаллизующемся слитке в наибольшей степени соответствуют программные продукты ANSYS и FLUENT, а исследование влияния различных факторов воздействия на кристаллизующийся слиток, его микроструктуру и

физико-механические свойства целесообразно выполнять с использованием физического эксперимента.

3. Разработана математическая модель сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов, выявлены количественные и качественные закономерности их протекания в слитке, кристаллизующемся в электромагнитном поле, проведена оценка их взаимного влияния друг на друга и на параметры технологического процесса.

4. Установлено, что исследуемый способ литья в электромагнитном поле слитков диаметром 5-15 мм позволяет получать скорости охлаждения 300 -1 ООО К/с, что соответствует условиям быстрой кристаллизации, а устойчивое формирование слитка указанных диаметров обеспечивается в диапазоне частот питающего напряжения 20-60 кГц и токов в индукторе 2500 - 4700 А при скорости литья до 15 мм/с.

5. Впервые методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле получены опытные образцы непрерывнолитых слитков диаметром 5-15 мм из алюминиевых сплавов, позволяющие оценить эффективность воздействия исследуемых параметров кристаллизации на структуру и физико-механические свойства слитков.

6. В результате сопоставления результатов математического моделирования и физического эксперимента установлен синергетический эффект высокой скорости охлаждения слитка и электромагнитного перемешивания металла, результатом которого является равномерная по сечению мелкодисперсная структура с дендритным параметром порядка 10-20 мкм, что соответствует скоростям охлаждения 104 - 105К/с при применении технологий быстрой кристаллизации.

7. Обоснованы конструктивные и электрические параметры системы «индуктор-слиток» и технологические параметры процесса литья в электромагнитном поле, спроектирована и создана опытно-промышленная электротехнологическая установка производительностью 5 кг/час для получения непрерывноли-той заготовки диаметром 8±0,5 мм из высоколегированного алюминиевого сплава 01417М.

8. Разработанные алгоритмы и программы, способ непрерывного литья цилиндрического слитка и конструктивные решения, принятые при проектировании системы «индуктор-слиток», защищены свидетельствами и патентами: №2011611973, №2011619131, №2011619130, № 86511, №67492, №48836, № 2395364.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Метод анализа электромагнитного поля в индукционных устройствах / М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинин, С. А. Бояков // Электричество. - 1999. - № 10. - С. 58-67.

2. Модернизация индукционной системы с применением схемы смешанного резонанса / М. В. Первухин [и др.] // Вестн. Воронеж, гос. техн. ун-та. -2009. - Т. 5. - № 6. - С. 187-190.

3. Численный анализ электрических процессов при кристаллизации слитка в магнитном поле / М. В. Первухин, А. Б. Кувалдин, Е. А. Головенко, М. Ю. Ха-цаюк // Вестн. МЭИ. - 2009. - № 5. - С. 49-53.

4. Первухин, М. В. Решение вопросов безопасности экспериментальной установки для получения прутка из алюминиевых сплавов с использованием электромагнитного кристаллизатора / М. В. Первухин, М. Ю. Хацаюк, Т. В. Иг-натенко // Вестн. МАНЭБ. - 2009. - Т. 14. - № 6. - Ч. 2. - С. 65-70.

5. Первухин, М. В. Расчет параметров электромагнитного кристаллизатора, обеспечивающих устойчивое формирование слитка в магнитном поле / М. В. Первухин, Н. В. Сергеев // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки.-2010.-№ 2 (26).-С. 153-161.

6. Первухин, М. В. Формирование структуры сплава на основе системы А1-Се при кристаллизации под действием электромагнитного поля / М. В. Первухин, Д. К. Фигуровский, Е. В. Романова // Технология легких сплавов. - 2010. -№2.-С. 71-76.

7. Первухин, М. В. Применение МГД-технологии при получении сплавов на основе системы Al-Ce / М. В. Первухин, Д. К. Фигуровский, Е. В. Романова // Электрометаллургия. - 2010. - № 7. — С. 41^5.

8. Результаты математического моделирования процесса нагрева цилиндрической загрузки в однофазном индукционном нагревателе / М. В. Первухин [и др.] // Науч. вестн. НГТУ. - 2010. - № 3. - С. 19-25.

9. Математическое моделирование плоской линейной индукционной машины с увеличенным рабочим зазором / М. В. Первухин [и др.] // Вестн. Воронеж. гос. техн. ун-та. - 2010. - Т. 6. - № 10. - С. 21-25.

10. Первухин, М. В. МГД-процессы в жидкой фазе слитка, формирующегося в магнитном поле / М. В. Первухин, Е. А. Головенко, М. Ю. Хацаюк // Изв. вузов. Электромеханика. —2011. -№ 1. — С. 26-30.

11. Быстрая кристаллизация высоколегированных алюминиевых сплавов в электромагнитном поле / М. В. Первухин [и др.] // Изв. вузов. СевероКавказский регион. Технические науки. - 2011. -№ 2. - С. 47-51.

12. О решении задачи оптимального выбора параметров питания линейной машины генетическим алгоритмом с локальным поиском / М. В. Первухин, С. С. Бежитский, Е. А. Головенко, В. А. Горемыкин // Вестн. Сиб. гос. аэрокосм, ун-та им. акад. М. Ф. Решетнёва. - 2010. - Вып. 4 (30). - С. 23-27.

13. Первухин, М. В. Структурные особенности сплава 1417М системы А1-Се, полученного с использованием электромагнитного воздействия в процессе кристаллизации / М. В. Первухин, Д. К. Фигуровский, Е. В. Романова // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2011. - № 4. - С. 19-23.

14. Исследование структуры металла и оценка свойств опытных образцов из сплава системы А1-РЗМ, полученных совмещенными методами литья и об-

работки давлением / М. В. Первухин [и др.] // Вестн. МГТУ им. Г. И. Носова. -2011,-№2.-С. 23-28.

15. Математическое моделирование электромагнитных и термогидродинамических процессов в системе «индуктор - слиток» электромагнитного кристаллизатора / М. В. Первухин, М. Ю. Хацаюк, А. В. Минаков, Н. В. Сергеев // Магнитная гидродинамика. — 2011. — Т. 47. — № 1. — С. 3—11.

16. Первухин, М. В. Влияние скорости охлаждения на формирование микроструктуры при кристаллизации алюминиевого сплава 1417М / М. В. Первухин, Г. М. Зеер, Е. Г. Зеленкова // Металловедение и термическая обработка металлов. -2011,- №5. -С. 11-13.

17. Математическое и физическое моделирование плоских двусторонних линейных индукционных машин металлургического назначения / М. В. Первухин [и др.] // Вестн. МЭИ. - 2011. - № 4. - С. 63-68.

18. Исследование структуры металла и оценка свойств опытных образцов из сплава для производства электропроводников с помощью методов литья и обработки давлением / М. В. Первухин [и др.] // Вестн. МГТУ им. Г. И. Носова.-2012.-№ 1.-С. 51-55.

Патенты и программы для ЭВМ

19. Пат. 2164458 Российская Федерация, МПК7 В 22 Э 11/12. Статор для электромагнитного перемешивания электропроводных расплавов / М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, Н. П. Маракушин. -№ 99101018/02 ; заявл. 18.01.1999 ; опубл. 27.03.2001, Бюл. № 9.

20. Пат. 2158463 Российская Федерация, МПК7 Н 02 К 41/025. Линейная индукционная машина / М. В. Первухин, Р. М. Христинич, В. Н. Тимофеев, С. А. Бояков. -№ 98124055/09 ; заявл. 31.12.1998 ; опубл. 27.10.2000, Бюл № 30.

21. Пат. 2237091 Российская Федерация, МПК С 22 В 9/02, С 22 В 21/06. Способ рафинирования алюминия и его сплавов / М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, В. А. Горбунов, С. А. Бояков и др. -№ 2003116212/02 ; заявл. 02.06.2003 ; опубл. 27.09.2004, Бюл. № 27.

22. Пат. 2395364 Российская Федерация, МПК7 В 22 Б 11/01, В 22 Б 11/049. Способ непрерывного литья цилиндрического слитка / М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, С. А. Бояков, Н. В. Сергеев. - № 2008147587/02 ; заявл. 02.12.2008 ; опубл. 27.07.2010, Бюл. № 21.

23. Пат. 48836 Российская Федерация, МПК7 В 22 Б 11/04. Устройство для непрерывного литья слитков в электромагнитном поле / М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, А. М. Велентеенко, Н. В. Сергеев, Е. В. Кузнецов. -№ 2005116058/22 ; заявл. 26.05.2005 ; опубл. 10.11.2005, Бюл. № 31.

24. Пат. 67492 Российская Федерация, МПК7 В 22 Б 11/06, В 21 С 23/00. Установка для непрерывного литья, прокатки и прессования металла / М. В. Первухин, С. Б. Сидельников, Н. Н. Довженко, В. Н. Тимофеев, Р. Е. Соколов и др. -№ 2006146472/22 ; опубл. 27.10.2007, Бюл. № 30.

25. Пат. 86511 Российская Федерация, МПК7 В 22 D 11/04. Устройство для непрерывного литья слитков в электромагнитном поле / М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинин, С. А. Бояков, Н. В. Сергеев. - № 2009107832/22 ; заявл. 04.03.2009 ; опубл. 10.09.2009, Бюл. № 30.

26. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011611973. Программа для расчета параметров системы «индуктор - слиток» в среде ANSYS / М. В. Первухин, М. Ю. Хацаюк. - Регистр. 04.03.2011 г. (Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам).

27. Пат. 2433365 Российская Федерация, МПК F 27 В 14/06, F 27 D 11/06. Индукционная тигельная печь / М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, Н. В. Тимофеев, Р. М. Христинич и др. - № 2010108862/02 ; заявл. 09.03.2010 ; опубл. 10.11.2011,Бюл№31.

28. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011619131. Программа импорта и интерполяции источниковых членов уравнений движения и энергии для решения Ю-задачи во FLUENT / М. В. Первухин, М. Ю. Хацаюк. — Регистр. 24.11.2011 г.

29. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011619130. Программа импорта и интерполяции источниковых членов уравнений движения и энергии для решения ЗЭ-задачи во FLUENT / М. В. Первухин, М. Ю. Хацаюк. - Регистр. 24.11.2011 г.

Список публикаций в других журналах, сборниках научных трудов, материалах международных и всероссийских научных конференций

30. Первухин, М. В. Анализ преобразования электрической энергии в индукционной единице / М. В. Первухин // Оптимизация режимов работы систем электроприводов : сб. науч. тр. ; под ред. В. А. Трояна. — Красноярск : КГТУ, 1999.-С. 31-33.

31. Первухин, М. В. Влияние магнитогидродинамических свойств жид-кометаллического ротора на характеристики индукционной электрической машины / М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич // Нетрадиционные электромеханические и электрические системы : сб. тр. 4-й Междунар. конф., Санкт-Петербург, 21-24 июня 1999 г. - СПб., 1999. - С. 857-862.

32. Первухин, М. В. Повышение качества стальных заготовок на металлургических заводах Сибири / М. В. Первухин, Р. М. Христинич, Н. А. Авду-лова // Сб. докл. Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием : в 3 ч. Ч. 2. -Красноярск, 2000. - С. 277.

33. Первухин, М. В. Анализ влияния нелинейных свойств магнитопровода на характеристики индукционной канальной печи / М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич ; Краснояр. гос. техн. ун-т. - Красноярск, 2000. — 9с.— Деп. в ВИНИТИ 13.03.2000, № 621-BOO.

34. Первухин, М. В. Анализ электромагнитного поля индукционных систем, содержащих среды с нелинейными и анизотропными свойствами /

М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинин // Вопросы совершенствования электротехнического оборудования и электротехнологий : сб. ст. — Екатеринбург : УГТУ - УПИ, 2000. - № 8. - С. 134-139.

35. Первухин, М. В. Расчет параметров магнитопровода при проектировании индукционных канальных печей / М. В. Первухин ; Краснояр. гос. техн. ун-т. - Красноярск, 2000. - 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 19.04.2000, № 106.

36. Первухин, М. В. Математическая модель индукционной канальной печи / М. В. Первухин // Информатика и системы управления : межвуз. сб. науч. тр. Вып. 6.-Красноярск : НИИ ИЛУ, 2001.-С. 136-141.

37. Первухин, М. В. Математическое моделирование устройств индукционного нагрева / М. В. Первухин // Вестн. Ассоциации выпускников КГТУ. Вып. 6. - Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2001. - С. 133-134.

38. Электромагнитные вращатели жидкого металла в индукционных единицах / М. В. Первухин [и др.] // Нетрадиционные электромеханические и электрические системы : тр. 5-й Междунар. конф., Щецен (Польша), 5-8 сент. 2001 г. - Щецен, 2001. - Т. 3. - С. 743-748.

39. Электромагнитные вращатели, перемешиватели и насосы для алюминиевых сплавов / М. В. Первухин [и др.] // Результаты Междунар. семинара по нагреву внутренними источниками, Падуя (Италия), 12-14 сент. 2001 г. - Падуя, 2001.-С. 261-267.

40. Комплекс для электротермического удаления старых лакокрасочных покрытий с металлической поверхности железнодорожных вагонов / М. В. Первухин [и др.] // Современная электротехнология в машиностроении : тр. Междунар. науч.-техн. конф., Тула, 4-5 июня 2002 г. - Тула : ТулГУ, 2002. -С. 441-452.

41. Электромагнитные устройства для создания вращательного движения жидкого металла в печах для плавки алюминия / М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, С. А. Бояков // Результаты 5-й Междунар. конф. PAMIR фундаментальной и прикладной магнитной гидродинамики, Раматуэль (Франция), 16-20 сент. 2002 г. - Раматуэль, 2002. - Т. II. - С. 145-150.

42. Исследование и разработка электротехнологий для металлургического комплекса Красноярского края / М. В. Первухин [и др.] // Вестн. УГТУ -УПИ.-2003.-№5(25).-С. 120-123.

43. Первухин, М. В. Математическая модель индуктора для перемешивания жидкой сердцевины алюминиевого слитка / М. В. Первухин, С. П. Тимофеев // Вестн. УГТУ - УПИ. - 2003. - № 5 (25). - С. 179-183.

44. Электромагнитные устройства для создания вращающегося движения жидких металлов. Моделирование электромагнитных процессов / М. В. Первухин, Р. М. Христинич, В. В. Стафиевская, Т. А. Боякова // Результаты Междунар. науч. коллоквиума, Ганновер (Германия), 24-26 марта 2003 г. - Ганновер, 2003.-С. 235-239.

45. Первухин, М. В. Математическая модель электромагнитного кристаллизатора для литья прутков из сплавов на основе алюминия / М. В. Перву-

хин, Н. В. Сергеев ; Красноярск, гос. техн. ун-т. - Красноярск, 2004. -18 с.-Деп. в ВИНИТИ 18.06.04, № 1041-В2004.

46. Исследование электротермических процессов при литье в электромагнитный кристаллизатор / М. В. Первухин, Ю. А. Горбунов, Н. В. Сергеев,

B. Н. Тимофеев // Результаты Междунар. симпозиума по нагреву электромагнитными источниками, Падуя (Италия), 22-25 июня 2004 г. — Падуя, 2004. -

C. 39-46.

47. Первухин, М. В. Применение программного комплекса ЕГТА при подготовке студентов специальности «Электротехнологические установки и системы» / М. В. Первухин // Повышение качества непрерывного профессионального образования : материалы Всеросс. науч.-метод, конф. : в 2 ч. Ч. 1. - Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2005. - С. 227-228.

48. Первухин, М. В. Индукционная установка для получения прутка из алюминиевых сплавов 7 М. В. Первухин // Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева : материалы Междунар. конф. — СПб., 2005. -С. 211-218.

49. Первухин, М. В. Литейно-прессовый комплекс для производства длинномерных пресс-изделий из алюминиевых сплавов / М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, С. Б. Сидельников // Алюминий Сибири — 2006 : сб. докл. XII Междунар. конф. - Красноярск, 2006. - С. 444-445.

50. Первухин, М. В. Математическая модель слитка малого поперечного сечения, кристаллизующегося в электромагнитном поле / М. В. Первухин,

B. В. Гаврилов // Вестн. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 42. Математические методы и моделирование. - Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2006. — С. 99-106.

51. Применение МГД-технологий при производстве алюминиевых сплавов / М. В. Первухин [и др.] // Результаты Междунар. симпозиума по нагреву электромагнитными источниками, Падуя (Италия), 19-22 июня 2007 г. - Падуя, 2007.-С. 145-152.

52. Анализ распределения мощности между обмотками многофазного индукционного нагревателя / М. В. Первухин [и др.] // Результаты Междунар. симпозиума по нагреву электромагнитными источниками, Падуя (Италия), 19-22 июня 2007 г. - Падуя, 2007. - С. 579-586.

53. Новые технологии и оборудование для обработки цветных металлов и сплавов / М. В. Первухин [и др.] // Моделирование и развитие процессов ОМД : межрегион, сб. науч. тр. - Магнитогорск : ГОУ ВПО МГТУ, 2007. -

C. 259-262.

54. Индукционное оборудование для цветной металлургии / М. В. Первухин [и др.] // Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева : материалы 2-й Междунар. конф., Санкт-Петербург, 20—22 мая 2009 г. — СПб., 2009.-С. 66-71.

55. Электротехнологические установки для плавильно-литейного производства алюминиевых сплавов / М. В. Первухин [и др.] // Цветные металлы Сибири — 2009 : сб. докл. 1-го Междунар. конгресса. — Красноярск : ООО «Вер-со», 2009.-С. 657-663.

56. Разработка новой технологии для получения сварочной проволоки из сплавов на основе алюминия / М. В. Первухин [и др.] // Новые материалы и технологии в машиностроении : сб. науч. тр. Вып. 10. - Брянск : БГИТА, 2009.-С. 102-108.

57. Первухин, М. В. Математическое моделирование системы «индуктор -слиток» электромагнитного кристаллизатора / М. В. Первухин, М. Ю. Хацаюк // Успехи современной электротехнологии : тр. Междунар. науч.-техн. конф., Саратов, 20-25 окт. 2009 г. - Саратов, 2009. - С. 96-99.

58. Первухин, М. В. Особенности формирования эвтектики сплава системы А1-Се, полученного с использованием электромагнитного воздействия в процессе кристаллизации / М. В. Первухин, Д. К. Фигуровский, Е. В. Романова // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения : материалы Междунар. науч.-техн. конф., Москва, 23-27 нояб. 2010 г. - М. : МИРЭА : Энергоатомиздат, 2010. - Ч. 3. - С. 371-375.

59. Исследование влияния скорости кристаллизации на свойства золотого ювелирного сплава 585 пробы / М. В. Первухин [и др.] // Цветные металлы -2011 : сб. докл. III Междунар. конгресса, Красноярск, 7-9 сент. 2011 г. - Красноярск, 2011. - С. 526-527.

60. Новые технические и технологические решения при получении прутков из малопластичных сплавов алюминия совмещенными методами / М. В. Первухин [и др.] // Цветные металлы - 2011 : сб. докл. III Междунар. конгресса, Красноярск, 7-9 сент. 2011 г. - Красноярск, 2011. - С. 567-572.

61. Инновации для глубокой переработки алюминия / М. В. Первухин, С. А. Бояков, В. Б. Осипенко, В. Н. Тимофеев // Цветные металлы - 2011 : сб. докл. III Междунар. конгресса, Красноярск, 7-9 сент. 2011 г. - Красноярск, 2011.-С. 608-614.

Подписано в печать 15.11 2012 г. Формат 60x84/16. Уч.-изд. л. 2,2. Тираж 100 экз. Заказ № 10616 Отпечатано:

Полиграфический центр Библиотечно-издательского комплекса СФУ 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Сибирский федеральный университет

На правах рукописи

05201Зэилоч

Первухин Михаил Викторович

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СЛИТКОВ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор В.Н. Тимофеев

Красноярск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ с.

ВВЕДЕНИЕ 6

1. СОВРЕМЕННОЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ

ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ ЛИТОЙ ПРОДУКЦИИ 15

1.1. Электротехнологическое оборудование в составе плавильно -литейных комплексов для получения высококачественных сплавов и сплавов со специальными свойствами 15

1.1.1. Электрические печи для плавки и приготовления алюминиевых сплавов 18

1.1.2. Электромагнитное перемешивание в процессе приготовления сплава 28

1.1.3. Рафинирование алюминиевых сплавов 31

1.2. Электротехнологии и оборудование для получения высококачественной литой продукции 34

1.2.1. Проблемы получения высококачественной литой продукции с заданными свойствами и пути их решения 34

1.2.2. Влияние скорости охлаждения на свойства литой заготовки и технологии быстрой кристаллизации 38

1.2.3. Перемешивание кристаллизующегося расплава и оборудование

для его реализации 52

1.3. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор 63

1.4. Обзор методов и средств математического моделирования физических процессов в электротехнологическом оборудовании металлургического назначения 70

1.4.1. Обзор работ в области математического моделирования

процессов кристаллизации в электромагнитном поле 70

1.4.2. Коммерческие пакеты прикладных программ для расчета

сложных физических процессов 78

1.4.3. Краткий обзор численных методов 83

1.4.4. Обзор методов решения задач со свободной поверхностью 86

1.5. Выводы по главе 91

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ТЕПЛОВЫХ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ СЛИТКА 94

2.1. Описание объекта исследования 94

2.2. Постановка задачи 99

2.2.1. Уравнения электромагнитного поля 100

2.2.2. Уравнения Навье - Стокса и модели турбулентности 101

2.2.3. Уравнение энергии с учетом фазового перехода 109

2.2.4. Расчет задачи со свободной поверхностью 112

2.3. Построение математических моделей 116

2.3.1. Математическая модель электромагнитных процессов в системе «индуктор-слиток» 116

2.3.2. Математическое моделирование тепломассообмена в слитке, кристаллизующемся в электромагнитном поле 122

2.3.3. Расчет формирования слитка магнитным полем с учетом свободной поверхности 130

2.4. Проверка достоверности математической модели 139

2.5. Выводы по главе 142

3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 146

3.1. Расчет интегральных и дифференциальных электромагнитных

характеристик системы «индуктор-слиток» 146

3.1.1. Расчет энергетических характеристик системы «индуктор-слиток» 153

3.1.2. Расчет силовых характеристик системы «индуктор-слиток» 162

3.2. Анализ магнитогидродинамических и тепловых процессов в кристаллизующемся слитке 178

3.3. Анализ устойчивости формирования слитка 201

3.4. Выводы по главе 207

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЛИТКОВ ЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ 209 ПОЛЕ

4.1. Химический состав исследуемых сплавов и подготовка образцов

к исследованию 209

4.2. Исследование сплава 01417М 213

4.3. Исследование сплава AL-0,15Zr 240

4.4. Исследование сплава АК12 244

4.5. Выводы по главе 249

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КРИСТАЛЛИЗАТОРОМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СЛИТКОВ 252

5.1. Общее описание установки 252

5.2. Расчет рабочих характеристик согласующего контура 265

5.3. Технологические параметры процесса получения слитков из

сплава 01417М 273

5.4. Сравнение экспериментальных и расчетных данных 277

5.5. Рекомендации по проектированию электротехнологической

установки для получения непрерывнолитых слитков 280

5.6. Выводы по главе 284

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 286

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 288

ПРИЛОЖЕНИЕ 310

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывный рост потребления алюминиевых полуфабрикатов, а также требований, предъявляемых к их качеству, обусловливает поиск новых, более совершенных и эффективных технологий применяющихся на всех этапах производственного цикла от приготовления алюминиевого сплава до его кристаллизации. Наиболее эффективными при этом являются технологии и оборудование, которые предусматривают производственное использование электрических и магнитных полей, электрического тока, электрических зарядов и других электрофизических факторов. Таковыми являются различные виды электротехнологий. Их применение позволяет повысить эффективность воздействия на сплавы и полуфабрикаты с целью получения в них целесообразно направленных изменений [1, 2].

Свойства алюминиевых полуфабрикатов во многом определяется условиями кристаллизации слитков. В соответствии с современными представлениями о кристаллизации металлов и сплавов сочетание высоких скоростей охлаждения и методов активного воздействия на кристаллизующийся расплав позволяет получать сплавы с требуемыми физико-механическими характеристиками [3-8].

Еще в конце 60-х г. XX в. целый ряд исследователей в СССР, Великобритании, Франции и США пришли к выводу относительно целесообразности промышленного использования электромагнитного перемешивания. С тех пор на протяжении многих лет российскими и зарубежными учеными ведутся работы по изучению воздействия электромагнитных полей на процесс кристаллизации и свойства литых алюминиевых полуфабрикатов и созданию электротехнологического оборудования по реализации этого воздействия [9-15]. Наиболее широко известны работы в этой области ученых БИ. АБа1, В.И. Дубоделова, А.Ф. Колесниченко, И.Л. Повха, А.Б. Капуста и др. [9-25]. Результатом их

деятельности стало широкое распространение электротехнологических установок металлургического назначения для получения высококачественных цветных и черных металлов и их сплавов с применением электромагнитного перемешивания. Многолетняя эксплуатация промышленных установок показала высокую эффективность такого способа воздействия на кристаллизующийся расплав: высокое качество поверхности слитка, дисперсность и равномерность его микроструктуры, повышенные физико-механические свойства.

Еще одним фактором, позволяющим получать алюминиевые сплавы, обладающие значительным приростом специальных характеристик (повышенный уровень прочностных, усталостных свойств и коррозионной стойкости, низкий коэффициент термического линейного расширения, жаропрочность и др.), является высокая скорость охлаждения[26-28]. Эффект, получаемый от высоких скоростей охлаждения, достаточно подробно представлен в работах В.И. Добаткина, В.И. Елагина, Б.И. Бондарева и др.[29-32]. Благодаря их исследованиям, быстрая кристаллизация как основа получения сплавов с комплексом свойств, которые невозможно получить при использовании традиционных технологий литья, на сегодняшний день является не только предметом многочисленных исследований, но и находит все более широкое промышленное применение. Все существующие на сегодняшний день технологии быстрой кристаллизации сводятся к диспергированию расплава, его охлаждению в водной или газовой среде и получению гранул сплава размером от 0,05 до 5 мм [28, 29, 33]. Их общими недостатками являются: низкая производительность, малый выход годного, нестабильность физико-механических свойств при дальнейшей пластической обработке сплава и др.

Таким образом, в настоящее время актуальной остается задача повышения эффективности процесса получения алюминиевых сплавов, обладающих специальными свойствами, заключающаяся в уменьшении количества технологических операций, увеличении производительности и выхода годного,

уменьшении взрыво- и пожароопасное™ технологического процесса. В связи с этим представляет большой научный и практический интерес создание технологии и реализующего ее оборудования, позволяющего путем управления физическими процессами в кристаллизующемся слитке и обеспечения высоких скоростей его охлаждения получать сплавы с заданными физико-механическими свойствами.

Как показал анализ возможных путей решения поставленной задачи, наиболее перспективным направлением является применение для этих целей электротехнологий, способных обеспечить комплексное воздействие на расплав в процессе его кристаллизации и создать условия, необходимые для получения сплавов с заданными физико-механическими свойствами.

Объектом исследования является электротехнологический комплекс для получения непрерывнолитой заготовки из алюминия и алюминиевых сплавов методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле с управляемым фронтом кристаллизации слитка.

Предмет исследования: электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы в алюминиевом слитке, кристаллизующемся в электромагнитном поле, их влияние на структуру и свойства формирующегося слитка, энергетические параметры и режимы работы электротехнологического комплекса.

Целью работы является развитие теоретических основ электротехнологического оборудования для получения высоколегированных алюминиевых сплавов с заданными физико-механическими свойствами методом кристаллизации в электромагнитном поле.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ использования в составе плавильно-литейных комплексов электротехнологического оборудования и электротехнологий, обеспечивающих повышение качественных показателей производства на всех этапах технологического цикла от приготовления сплава до литья.

2. Анализ факторов, влияющих на структуру и свойства кристаллизующегося слитка, способов управления ими в процессе кристаллизации и обоснование наиболее эффективных методов моделирования физических процессов, протекающих в электротехнологических системах непрерывной разливки сплавов.

3. Разработка математической модели сопряженных электромагнитных, тепловых и магнитогидродинамических процессов кристаллизующегося в электромагнитном поле слитка, учитывающей основные факторы воздействия на его физико-механические свойства, анализ закономерностей протекания этих процессов в системе «индуктор - слиток» и оценка их взаимного влияния для определения способов управления процессом кристаллизации.

4. Создание опытно-промышленной электротехнологической установки для экспериментального исследования процесса кристаллизации алюминиевых сплавов в электромагнитном поле при различных значениях воздействующих факторов (скорость вытягивания слитка, диаметр слитка, частота питающего напряжения), анализ микроструктуры и физико-механических свойств полученных образцов и определение степени воздействия на них различных факторов.

5. Определение диапазона электротехнических параметров системы кристаллизации расплава металлов, обеспечивающих устойчивое формирование слитка с мелкокристаллической структурой.

6. Разработка технических требований к создаваемому промышленному оборудованию, основанных на результатах математического и физического моделирования, формулирование обобщенных рекомендаций и их реализация при создании опытно-промышленной электротехнологической установки для получения непрерывнолитой заготовки из высоколегированных алюминиевых сплавов.

Научная новизна диссертационной работы определяется тем, что:

1. Впервые разработана математическая модель сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в кристаллизующемся слитке, позволяющая учитывать влияние фазового перехода и свободной поверхности металла, удерживаемой электромагнитным полем, на условия кристаллизации слитка и устойчивость его формирования.

2. В результате численного и физического экспериментов выявлены количественные и качественные закономерности протекания электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в слитке, кристаллизующемся в электромагнитном поле, позволяющие оценить их взаимное влияние друг на друга и на параметры технологического процесса, а именно:

- установлено, что для рассматриваемого способа литья при диаметрах слитка 5-15 мм скорость охлаждения достигает от 300 до 1000 К/с, что соответствует нижнему диапазону скоростей охлаждения, получаемых методами быстрой кристаллизации;

- показано, что устойчивое формирование цилиндрического слитка диаметром 5-15 мм обеспечивается в диапазоне частот питающего напряжения 20-60 кГц и токов в индукторе 2500-4700 А;

- определены характер и интенсивность циркуляции металла у поверхности раздела жидкой и твердой фаз слитка в зависимости от электрических параметров кристаллизатора и технологических параметров процесса литья и установлено, что в рассматриваемом диапазоне частот и токовой нагрузки средняя скорость циркуляции металла вблизи фронта кристаллизации составляет порядка 0,1 м/с;

- показано влияние тепловых и гидродинамических параметров кристаллизации на формирование слитка, его структуру и физико-механические свойства.

3. На основании сопоставления результатов численного и физического экспериментов установлен синергетический эффект высокой скорости

охлаждения и электромагнитного перемешивания, результатом которого является равномерная по сечению мелкодисперсная структура с дендритным параметром 10-20 мкм, что соответствует скоростям охлаждения 104-105К/с при применении гранульных технологий.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны и реализованы алгоритмы расчета электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в жидкой фазе кристаллизующегося слитка. Выявлены факторы, влияющие на формирование структуры и физико-механические свойства сплавов, полученных методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле.

2. Спроектирована и создана опытно-промышленная электротехнологическая установка для получения непрерывнолитых слитков в электромагнитном поле, обеспечивающая реализацию исследуемых технологических режимов получения слитков с заданными физико-механическими свойствами, и определены технологические параметры процесса кристаллизации алюминиевых сплавов.

3. Впервые получены опытные образцы непрерывнолитых слитков диаметром 5-15 мм из алюминиевых сплавов методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле при различных условиях литья, позволившие оценить эффективность воздействия исследуемых параметров кристаллизации на структуру и физико-механические свойства слитков.

4. Разработанные способ и устройства для непрерывного литья слитков защищены патентами РФ № 2395364, № 86511, № 48836.

На защиту выносятся:

1. Научные основы электротехнологического оборудования для быстрой кристаллизации непрерывнолитого слитка в электромагнитном поле, обеспечивающего более высокую производительность и эффективность по

сравнению с гранульными технологиями и заданный комплекс свойств получаемых слитков.

2. Математические модели и алгоритмы расчета сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов кристаллизующегося в электромагнитном поле слитка, позволяющие эффективно решать задачи создания условий кристаллизации, необходимых для получения слитков с требуемыми физико-механическими свойствами.

3. Закономерности протекания физических процессов при кристаллизации слитка в электромагнитном поле, их влияние друг на друга и свойства слитка, энергетические характеристики и условия процесса кристаллизации.

4. Конструкция, основные электрические и технологические параметры электротехнологической установки для получения алюминиевых сплавов со специальными свойствами методом быстрой кристаллизации в электромагнитном поле.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью используемых допущений, применяемых средств и методов научных исследований и подтверждается удовлетворительной сходимостью экспериментальных данных, полученных на опытно-промышленной установке, с теоретическими расчетами и данными других авторов.

Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка задач данного исследования, обоснование и разработка положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы; проведение, анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований; разработка математических моделей; разработка и внедрение электротехнологических систем для быстрой кристаллизации алюминиевых сплавов в электромагнит