автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование влияния постоянного электрического тока на кристаллизацию металлов и сплавов

ВВЕДЕНИЕ 5 I* Современные представления о процесса криеталлиза-ции и действии на него электрического поля и пока. Постановка задачи- 7 1.1* Современные представления о процессе кри&тал-. лизации

1.1.Х.-Общепринятые механизмы роста кристаллов - из расплавов^

1Л*2*.ШК (пар-жидкость-кристалл) механизм роста

1.1.3. Декорирование поверхности твердых, тел II

1.2," Процессы,- сопровождающие; естественную , кристаллизацию.,

1.2. I*. Возникновение МС и »разделение зарядов при • кристаллизации диэлектриков.

1.2*2«, Акустический эффект пржлфисталлизации.

1.3. Влияние электрического поля на кристаллиза

- . цию

1.4. Влияние электрического тока на кристаллиза . цию 1.5.Выводы. Постановка задачи

2. Еетеетвеннаякристмизация металлов

2.1. Роль контактных явлений в процессе кристал - лизации

2.2. Контактная рааноетьпотенциалов на границе . раздела твердая-жидкая фаза

2.3. Связь межфазного натяжения с двойным электричаским шюем

2.4. Строение границы раздела фаз

2.5. Понятие равновесного зарод ша

2.6. Температура равновесия и переохлаждение

2.7. Понятие критического зародыша

2.8. 1о@т здитичесшого зародыша

2.9. Образование структур при необратимых процессах

С эл ементы теориидисйипативных. структур )

2.10. Образование диссипативных садктур в процессе кристаллизации (гипотеза)

2.Ц. Модель кристаллизации 58 . 2.12. Выводы 62 3. Влияние: постоянного электрического тока на кристаллизацию 65 3.1. Тепловые эффекты при прохождении тока через 4 ■ • неоднородный-проводник 65 — 3*2. Общий, поток .электронов-.и тепла. - . 69 3.3. Заек^омагнитные эффекты-при прохождении. . постоянного-электрического тока через неодно. • родный-проводник 71 3*4» Методика, исследования 77 3*5* Исследование олова и висмута 82 3*6. Исследование алюминия и его сплавов 94 3.7. Исследование бронзы 123 3.8* Исследование-стали.

3.9. Механизм, действия постоянного - электрического

4 .тока.на кристаллизацию металлов

3.10. Выводы

4. Промышленная реализация способа обработки рас плаза постоянный электрическим током:

4.1. Влияние постоянного .электрического тока на кристаллизацию корочки слитка в кристаллизаторе

4.2. Влияние постоянного электрического тока на . иакрюсщуктзфу непрерывного .©нитка

4.3. Влияние постоянного электрического тока на . кристаллизацию стали в изложнице

4.4. Выводы 184 Заключение

О Б Щ .И.Е.-В Н В- О Д Н

Актуальность теми диссертации обусловлена насущными потребностями металлургической промышленности. Одной из основных задач, поставленных ХХУТ съездом К1ГС перед металлургической промышленностью, является создание новых технологических способов повышения качества металла.

Литейное производство заинтересовано в разработке таких физических методов, которые позволяют воздействовать на металл в самый ответственный момент формирования структуры, позволяют управлять процессом кристаллизации металлов и сплавов.

В этом направлении успешно используются ультразвуковые, электродинамические, магнитные и другие методы. Способ воздействия, на процесс кристаллизации с помощью постоянного.электрического.тока хорошо изучен лишь при кристаллизации из газовой фазы и раствора. Имеющиеся данные говорят о простоте и эффективности этого способа. Постоянный электрический ток изменяет поверхностное натяжение, уменьшает работу образования зародышей,влияет на характер кристаллизации различных веществ.

Однако работ по изучению влияния постоянного электрического тока на кристаллизацию металлов недостаточно. Совершенно не изучено действие тока на кристаллизацию стали и цветных сплавов,. имеющих широкое применение . Мало данных по воздействию тока, на структуру и механические свойства металлов, на параметры кристаллизации.

Цель данной работы заключается в исследовании,, разработке и промышленной реализации способа повышения качества литых заготовок путем обработки металла в процессе кристаллизации постоянным-электрическим током: небольшой плотности непосредственно в. литейной форме или кристаллизаторе установки непрерывной разливки.

Впервые выполнены следующие исследования. С учетом контактного потенциала на границе раздела фаз рассмотрены процессы зарождения, роста и плавления кристаллов.

Рассмотрен механизм действия постоянного электрического тока на кристаллизацию металлов, который учитывает тепловые; и электродинамические эффекты при прохождении тока через кристаллизующийся расплав и процессы на границе раздела фаз«

На защиту выносятся следующие основные положения* Естественная кристаллизация металлов характеризуется дополнительными (по сравнению с общепринятыми) параметрами микроэдс и микротоками кристаллизации. Эти параметры, определяющие процессы за«* рождения и роста, возникают благодаря наличию на границе зародыш« расплав двойного электрического слоя.

Постоянны® электрический ток от внешнего источника с плотностью, соизмеримой с плотностью тока естественной кристаллизации,вносит дополнительные факторы, которые изменяют характер естественной кре-таллизации: ток перемешивает расплав вблизи Фронта.кристаллизации,, способствуя зарождению новой фазы и образованию пар кристаллизации; создает направленное движение газов и примесей; на границе раздела фаз происходит взаимодействие тока с электрическими параметрами слоя (микроэдс и микротоками); ток вызывает появление тепловых эффектов как на границе роста, так и в объеме расплава;

Разработанный способ обработки расплавов постоянным электричес« ким током позволяет повысить качество.отливок и слитков, благодаря удалению газа, получению плотной однородной структуры, уменьшению усадочной раковины и ликвационной неоднородности.

Повышение качества металла, разливаемого на установке непрерыв«* ной разливки, за счет улучшения макроструктуры непрерывного слитка, уменьшения количества поверхностных и внутренних трещин и пор.

I.СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ КРИСТШИЗАЦИЙ И ДЕЙСТВИИ НА НЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ТОКА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

4.4. Выводы

Постоянный электрический ток оказывает существенное влияние на затвердевание непрерывного слитка. Улучшаются прочностные и пластические свойства корочки, формирующейся ж кристаллизаторе, уменьшается ликвавдтнная неоднородность в осевой зоне. Все это при» водит к уменьшению количества поверхностных ш внутренних трещин.

При крястаплизации слитка в изложнице электрический ток вызывает направленное движение примесей - ©еры и фосфора, способствуя* * Т г

Млица 4.5

Ваепределение углерода по сечению слитка, сталь 8Х6НФТ —----------- — ----------■«••■• -----U^.- — — Номер Контрольный Опытный i Опытный i , ТОЧКИ СЛИТОК СЛИТОК, ; слиток, G +Г2В на верхнем; -I2B на верхнем электроде, | электроде,

1 % е j % С j . " . . . —i' i

1 I i 0,88 0¿86 0,86 2 ( 0,88 0,87 0i8fe i I 3 0,86 0,86 I 0,86 i 4 0,87 0,86 0,86 í

5 0,86 0,86 0,86

I 6 0,85 0,86 0,85 ! г i»: 7 0,85 0,86 1 j 0,86 i 8 0,86 0,86 0,86 9 0,86 0,87 ; 0,86

10 0,86 0,87 0,86 !

II 0,87 0.87 S i 0.86 12 0,87 0,87 i 0,84 13 0,85 j 0,86 ! 0,84 j

I 14 0,86 0,86 0,85 1 15 0,86 0,86 0,85

16 0,87 0,86 0,85

17 0,84 .°:82. 0,82 vo ¿aеч tiQi sa л cd vo S » и « s s1*

К ^

D * Я ^ и pt la м g о Со и * и ^

ITk M О (Л M О п о •sf M о ■3-М О ft О О ft о - % о ft О г M о . « о m tn

M M о о

- « » о о

•з-м о « о ií-м о » » о о п о l" Jí"

M l-l о о о о

- ÍÍ МММ

ООО » » «

ООО M о

Si Я di

§И 0 Я M Çvl <4

Щ И

VO vö vo in i

M M M M I—I M M M M I—I oooooooooo « ft * « ^ • * * ^ ¿ о о о о о о

МММ Mí МММ о о о о о о о ft ft . ft. ft ft m A ft ft ft ft ooooooooooo от vo oo.

L— M

P ОЭ tsa Ш я

§

VO VO m VO m я ■sf 1П M VO M мэ m m vo

M M м M м M M M M M M M M M о о о о о о о о о о о о о о о о о

• « • «к ft « ft ft .ft » ft ft ft » ft « о о о о о о о о о о о о о о о о о

Mcyo-sfinvOfc^OOOXOMOjíTk

4- m vo

МММ b i

-f A V ♦

H HI M -Э О* Ul

M M

Id ГО M о vo a> Ul U ГО H о о о о о о о о

• 4f- Щ"- ■ Ц-- Ч ■ Я* Ч" ч: о о о о о о о о

М М M M М М M M VOVOVOVOVOVOJS-M о о о о чг ч • «г- ч ооооооооо

Роооооооо f.- «f- Ч Ч Ч" чг ' /Ч tstjtatjq-qqqtj

UI M ф 4» 42- VO VO VO Kà

ООО ООООО О ооооо Ч" Ч » «F3 Ч' «Г «Г- Ч" «*'" * Ч' «г

О о о оо ооооооооо

ММММ М МММММММММ U^uU^líUg^UMfUgru

ТО fu го о о

• «г о о

8 я

W Гр U о ООООО ООО ооооо ООО «г ч~ <г ч «г- * ' «г чг ч ч ч ч ^ ч ч

О О О О ООО О О о о О О О О о о

МММ МММММММММММ М ММ

JS- O U) VO J? \© 1л> VO J5» VD Ы VO VO VO Ы

G&

53 rfcТ

-f

Номер точки; 1 2 3 4 5 б 7

8 9 Ю

11

12

13

14

15

16 17

ЦйП.тпщя 4.8

HB по сечежю слжтка, сталь 8Х6НФТ i'

Контрольный Опытный слиток

Й12В электроде

234 234

234 225 227 221 249 249 249 251 229 236 286 232

221 слиток слиток

12 В на верхнем -Œ2B на* верхнем электроде

303 303

271 274 277

241

246 246 257 257 251 257 244 236

257

265

254 227

229 254 234 232

249 254 274 234 246 225 219 уженывяжю лх содержания в расплаве, повышению нлошиосяс иетшши Электрод играет важную золь в механизме действия дожа« псэ-* тану выбору материала и конструкции; электрода необходимо уделять басБисе внимание. Л Т