автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Влияние внешних воздействий (слабых магнитных полей) на процессы кристаллизации

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи УДК. 669.18-154-868

ВИДОВ Станислав Владимирович

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ (СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ) НА ПРОЦЕССЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1993

Работа выполнена на кафедре "Металлургии стали" Московского ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Краоного Знамени института стали и сплавов.

Научный руководитель: кандидат технических наук ЗВЕРЕВ Б.Ф.

Научный консультант: доктор технических наук ВИЖАРЕВ Л.Ф.,

Официальные оппоненты: доктор технических наук ДУБ B.C. кандидат технических наук ПЕРЕВАЛОВ H.H.

Ведущее предприятие: А/0 "ЭЗТМ"

Эаащта состоится " ¿ ^ г, часов

на заседании специализированного совета'по присуждению ученых степеней в области металлургии Черных металлов К-053-08-Cd Московского института стали и сплавов по адресу: II7936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " / " /гс- ' СО { igg ^ г.

Справки по телефону: 236-82-17

Ученый секретарь специализированного совета, . профессор

И.Ф.КУРУНОВ

' 3

ОЩШ ХАРАКТЕРНСТИКЛ РАБОШ

Актуальность проблем!« Повышение эффективности металлурга чеокого производства является сегодня важнейшей задачей. Peut-, пив этой проблемы предусматривает повышение характеристик лито, го металла и получение слитка (заготовки) со свойствами,праблн-аавдикися к свойствам готовой продукции* Однако современные то* нологаи формирования слитков и заготовок чрозвцчайно трудоемка длителыш, вызывают значнтелъше потерн металла на переделах и не всегда обеспечивают получение однородной кристаллической структуры» Используемая б наотояцео вреда техника реализации то-нлоотвода обеспечивает дискретный теплоотвод от кристаллизующегося металла и» как следствие, получение таких же дискретных кристаллических структур, и на позволяет надеяться на суцестмн-иый окачок в ловшиении качества литых заготовок. В оачзи о этич п возникает необходимость разработз® основ технологии управлр-лия процесса!,ш кристаллизации слитка (заготовки) для получения литого металла с заранее задошшш свойствам, приблидашдпшся к овойстваш готовой продукции. Эта необходимость привела к рай-виню различиях способов внешнего воэдействая ва кристаллизуй щлйся расплав, Один из пзропеитявных методов внешнего везде';* стшя является применение шгдитдах иолзЗ.

Однако, имеющиеся экспериментальные даяние-по поводу влня» ная тптхтх полей на процесса кристаллизации нооят пративоре^-4nsvÈ характер» а различные гипотезы не тет достаточного экспериментального подгвзрзденяя» Как прасяло,, эти лшогоэы раог евдтриваюг копкритче способа обработки расплавов магнитными похтми и не ошеуваш поведение саотем яри других условиях возг действия. Разнообразие... конструктивных решений, противоречивость

технологических результатов применения магшшш? полей (Отсутствие в большинстве работ связи о общ?® представлениями современной теории кристаллизации ле позволяет оценить еффектив^ лоогь применения магнитного поля для управления процессами кристаллизации металла. Для решения втой задачи необходима разработка общего механизма вдияшш разжтакх магнитных полей, который бн вокрывал зависимость вффвктивноста их применения от режимов работы, параметров уогройств гелеращш'поля, состава металла и усло?Ш1Й его кристаллизации, что требует проведения исследований и по общим проблемам теория кристаллизации^Вынвле-ние такого общего механизма злишшя магнимшх нолей позволит наиболее полно реализовать технологические- возможности разлит-ных устройств, тучно обосновать конструкции* параметры, режимы . работа, провести их оптимизацию и разработал» алгоритм управления кристаллизацией металла и, следовательно». структурой слитка (заготовки) о помощью магнитных полей.

Цель работы« Выяснение механизма взаимодействия? внешнего ' слабого магнитного ноля и криоиаллизувдегося металла- и- т зтой' основе обоснование параметров воздействия для получения олад-мальной кристаллической структуры лигой заготовки* Досмжешв-ооновной цели потребовало . еиение следующего комплекса вопросов;

- рассмотрение состояние расплава перед фронтом затвердит • вания (область "структурной диффузга") и выявление параметра,

характеризующего эту область и изменившегося под влиянием поля;

- вшшлешш связи этого параметра с параметрами процесса кристаллизации и закономерностей формирования макроструктуры

.слитков (заготовок) под миядиеы магнитного пода;

- выявление механизма влияний магнитного доля на процессы

распределения примесей нри кристаллизации слитков (заготоеок)•'

- изучение влияния параметров устройств генерации ноля, состава и условий кристаллизации' ыегадла на эффективность !!»■«;' пения машнмшх долей для управления структурой получаемого ста. ■ тка (заготовки);

г разработка основ технологии получения слитка ^¿аг^тс.^иО о задашшда свойствами и рекомендаций по лрсмшшзнноЗ р-зализаики данной технологии.

Научная новизна» Разработана гипотеза взаимодействия маетного поля и кристаллизующегося металла, основанная на представлениях о таракагшшшх свойствах области "структурной диффузии" перед фронтом затвердевания. Установлено, что наложение магнит-ного поля изменяет параметры втой области (переохлаздонне)#что ■ влияет и ш структуру получаемого слитка» Сложный характер зависимости иереохлаэдзния расшива от инду-щт. пачя.свидетельствует о возможности управления кристаллической структурой И1г>-го металла» Показано, что влияние магнитного поля на процессы' сегрегации примесей при кристаллиза^и основало на различии в магнитных моментах атомов примеси и растворителя (железа). При атом, в зависимости от соотношения кладу данными физическими характеристика.® олемеятоз,может ¿ыть увеличение :'.ли уме.чуаеп'е ликвацнонных процессов под влиянием псля.

Разработана математическая модель расчета опакмалгних пара- • метров воздействия при кристаллизации многокомпонентна сплавов на основе келеэа о учетом различных условий теплботвода п характерном® оборудования, генерирувдях воздействия^ для получении необходимой структура слитка.

Нолучввы новые а,;сперименталыше данный! подтверэдшж-е сложное влияние мпгшггного ноля на процессы кристаллизации и ооглаоуюиц^еся о разрябогаяиям дездоизмом« Сложная сгшжагмос«*

'.¡олучаемой структуры слитка от параметров внешнего магнитного , поля позволяет объяснить неоднозначность выводов различных

авторов ио поводу применимости магнитных нолей для улучшения

структуры слитка.

Практическая ценность» Разработан метод расчета параыет-ров внешнего магнитного ноля для получения слитков с заданной структурой сталей и сшивов на основе железа.

Рассчитаны параметры внешнего магнитного поля, обеспечивающие изменения в распределении различных фаз и плотности карбидной сетка, идя получения необходимой структуры слитков стали P6i6.

Разработаны рекомендации, позволяющие рассчитывать и проектировать необходимое оборудование для создания технология получешш слитков различной стали с необходимой структурой.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обоу-кдены на Всесоюзной школе - семинаре "Электрофизические методы и технологии воздействия на структуру и свойства металлических материалов" (г.Николаев сентябрь 1990 г.), на Первом конгрессе сталеплавильщиков (Москва, 12 - 16 октября 1992 г.), на кафедре "Металлургия стала" МИСиС.

Объём уаботн»

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заклвче-!ия-, списка- литературы из 61 источника, содержит 192 страниц, 22 таблиц-,. 57 рисунков.

ОСНОВНОЕ содешнив РАБОТЫ.

I. В результате рассмотрения литературннх источников установлено, что в большинстве работ обнаружено вдиише внешнего ыаг-шшшго поля на формирование кристаллической структуры, причем наиболее заметное влияние оказывают магнитные поля, генерируемыми катушками индуктивности (соленоидами, индукторами). Однако однозна'шых выводов о параметрах внешних воздействий» о ыеханиэ-г ме влияния на конечную структуру получаемого металла, о целесообразности применения ыагнитшх полей дан управления процессами • кристаллизации для получения отливок о заданными свойствами шт. При этой параметры внешних воздействий определяются, так правило, эксперкменталышм путем пркмэяитольно к уза готово?.<у оборудовало для гояерации о тая воэдзйотвнй и без четного првдогшдашш о реально протанакскс ироцеосах.

3 смей о а'»: .•! долаетоя вывод о необходимости вшпзлошуг общего механизма влшшил магнитных полей на процеосц кристаллизации, который включал бы в себя основные полояення "озвременной теории кристаллизации а учитывал фазнческув сущность взшшодой~ ствия парамагнитного вещества и неоднородного воля, Такой механизм позволит создавать необходимые производственные установки и оборудование для получения литого металла о заданными свойств ваш. - *■' ".*

2, Экспериментально изучалось влияние слабух (значение ш.-

3

дуквди не превышало 3 к 10 ~ , Тл) постоянного л переменного (частота 50 Гц) маиштлих полей, генерируй'лх с помощь» катуцек индуктивности (соленоидов),

Исследование проводилось в следующих направлениях; - изучение влияния магнитных полей ид параметры процесса кристаллизации (переохлаждений) путем холодного СмЬичеокого мода-

лировашш ш тиосульфате натрия л при кристаллизации слитку , модельного склада различной массы ири различна®

условиях тешюотвода, Данный сплав бил выбран о целью исключения полиморфных превращений в твердом состоянии и получение нря иощшной,- теетерздурв структур» отображающих процесс крио-талжгзбщии

¡изучение- влияния магнитных полей на распределение примесей; щ?» крйетаялвзацки модельного сплава

«• изучение влияния магнитных полей на процессы кристаллит зации слиткда свала Р6К5. Выбор данной марки стали был обусловлен, о- одной- ово|огда» конкретными условиями производства, с о другой стороны: темл что в состава стали есть примеси,магнит-ные моменты атомов, когорых больше такового для железа.

Установка- для. исследования; воздействия полей на кристаллизацию тиосульфата натрия состояла и?-- медного водоохлаздаеыого кристаллизатора' о прозрачными- передней. а задней отешсаш и- соленоида, внутрь которого помещался кзкедаляизатор. Благодаря' прозрачным стенкам кристаллизатора- процесс Алидада вздзредш* и'периодически фотографировали объект наблвдеикяь,

Установка для обработки магнитными поляг,® крискшэдущеу» гося расплава А? Зр/, Ь/ та со ой 0,3 кг состояла из печи- со» противления с графитовым нагревателем и соленоида, помощешюго под печью. Послэ расплавления металла в алуедовом тигле и доведения расплава до заданной температуры о помощью специального устройства опускался в соленоид, где он выдерживался до полной кристаллизации.

Для исследования процеооа кристаллизации слитков сплава массой 5 кг были созданы две установки, которые . обеспечивали различный теплоотвод от затвердевающего металла.

Плавление металла проводили в индукционной печи. В первое случае кристаллизация металла проходила непосредственно в плавильном тигле шщукционнои печи, для чего индуктор с помощи) специальных устройств закатывали необходимым током. Во втором случае расплавленный и подогреты! до необходимой температуры металл сливали в цамотшй тигельt который бал помещен в соленоид вне печи. Очевидно, что при ^фисталлизаиди в шамотном тигле гепяоотвод от сляк* интенсивнее» чем при кристаллизации в плавким; tavee «»¿^ЗДийтой печл* Гак, скорость кристаллизации' в иочу ÔeI? кг/шн, скорость'кристаллизации в шамотном

гле 0,82 кг/мин.

На второй установке помимо экспериментов на ¡¡сдельном сплц-вз /ё -3, ы также изучалось влшизю кагнитшсс нолей на кристаллизацию сплава ¿сг-&Сс/Л и стали Р6Ш.

3» Гипотеза ¿жшзш догяктшх нолей на процессы крюглял!-задаи построею. ка основе следущах предиолопенкДs

3.1- Венду того, что расплав пород фронтом затвердевай:»» переохлажден, существует "структурная дафрузкл" твердой а/дзн ь расплав, По мере удаления от поверхности раздела с[дз с умептг. -нием степени переохлаждения упорядоченность в строении хпдасЛ

Лаз и нарушается, На определенном расстоянии от фронга sotwîjïv /

вавия строение расшива становится тшшчнш для яядкого ее тояншт. Слой расплава перед фронтом затвердевания толцаисЦ é к яааивается области) структурной дф^узии",

Еолл в качестве критерия неоднородности пспоркиостц яа <Хаэ и упорндочзнкостз в области "структурной диЭДу-^т" г;- • брать онхрошяэ, то оценить протякешюоть &то8 области jurmoj представив со состоящей из некоторых олопп» ? пр-дп.^ат к«*«-»--.

•из' которых данный критерий упорядоченности не изменяется» но различен дая разных слоев.

/По известной функция атомного распределения для жидкого железа было построено распределение вероятности нахождения атома на расстояния X от поверхности раздела фаз Количественная оценка., основанная на вышеукаааняш предположении показала, что частная функция энтропии возрастает от О в кристалле до значения, характерном для жидкости на большом удалении ох поверхности раздела фае да экспоненциальному закону:

с (I)

/ V ероФянешость области "структурной диффузии", * ¡дарения "кулевого* слоя аидкости (0< За«? закой дал возможность о-дегжть длгну области "структурной зиа"» Ее протяженность сказалась- равной Критическому диаметру кристаллического зародыша» определенного по формуле:

> (2)

еде: о'3 - критический диаметр кристаллического зародыша, Я^-рТ критический радиус кристаллического зародыша, <3 !г энергия поверхности раздела фаз,

'т — тр.мпр.пятпгпя »и!сте.,л".за!ей.

¿1 - теплота кристаллизавди I м3. металла, аТ - переохлаждение-. Таким образом, область "структурной диффузии" ыо;кно представить как двухфазную зону, .оодержащуь кристаллические "зародыш;!" диаметром со структурой твердой фазы вблизи температуры с_гвер-девания, Мзкду "зародышами" разупорядоченный расплав.В долфац»-ной зоне - только один слой "зародышей".

, 3,2, Тиким образом» шпшшю магнитного ГШЛЯ ИГ. ООлги ч I "структурной диффузии* можно продатгшш. как тзиопоо на и- •.I шгшшше зародыши двухфазной зоны.

Для объяснения механизма влияния ыаглн'шого пилн ¡и п)> цеоо кристаллизации полагали, что параметр« процесса крисич . защш и структуры получающегося слтка завися® от характер!) движения "зародышей" двухфазной зоны.

За характеристику движения эароднш принимали проок^ш с. скорости на ось ¿Г слитка» Величине этой проекции определяете)' следующими факторами: скоростно конвекции • скоростью дтк жения парамагнитного "зародана" в поле, имеющем градиент. шадк цни , "потерей" скорости, связанной о колебаниями вектора "намагниченности" зароддаа в переменном поле- При нало-

яешш постоянного поля последним фактором г.озно пренебречь,

Б об:?,ем виде прсекщш на ось ¿Г скорости лишения зарод,!-иеП при воздействии магнитного поля тлеет над:

■О; К ' ^ . (3) ■' '

Дли распета скорости упорядоченного дмк'еиия "уйрояшвй" при их больном количество и возмо*лш взаимодействуй бшш оделят» следуетше допупвиигпвоэ "зйроднпи" равноценны, имеют одп-наковио разкерч и структуру; времл кедду их возносшпта пктт^к взанмодейстшя мкоро больше времена, зачючнкуаюго на к®»-дойстг'.г.о; тройтиз взаимодействия "зародыцпЯ" много рэае /С"ой~ пнх и юа! можно пренебречь; результатом каядого акта в-лт-доЗ отгон яиллвтея вознрапсило "зародыша" п рашо»есиоо состоящий

Пило опзвпяядо' коиечюве'размеров неоднородно и но дертикпяьиоЗ ооч 7' , 11л ааргажичншшй "зародм", т-вцеи-пч8 в тш«зЯ соленоид, воздойот^уся СКМ, РрООГЛ^Ч которой ля

ось определяется следующим соотнопением:

^ • , £4)

1'дй; " ГА - градиент индукции по оси ¿Г ,

магнитный мемент "зародаша" - "намагниченность". "Намагниченность" "зародаша" могло определить по теории Ла;ке-вена дая парамагнетиков.

Так как известна проекция силы на ось , то можно определит:, л проекцию скорости упорядоченного движения "зародоией" ш эту ось .

При наложении переменного поля вектор "намагниченности'' колеблется в соответствии о "колебаниями" вектора индукции поля. Если индукция изменяется по гармоническому закону, го "зародил" в этом плане г гармонический осциллятор". Потери скорости можно определить из уравнения энергии гармонического осциллятора, зная энергии атомов, из которых состоит "зародыш' в магнитном поле.

Окончательное уравнение для потерк скорости в переменном магнитном поле имеет вид:___

где: ,, - количество атощш и зародыше", М - магнитный ыомекг атома, & г индук151я магнитного поли, Р73 г касса "зародшна",

/ г частота колебания вектора индукции магнитного полл (частота тока в соленоиде).

Расчет проекция скорости конвективного потока йез воздействия и под влиянием магнитных полей не представляет загрудне-пня.

Проекция на ось Т скорости движения "зародашеП" связана

' а параметрами процесса кристаллизации» Очевидно, что о увеличением 2/ (т.е. скорости удаления "зародыш" из двухфазно'.! зоны) меньше скорость роста "зародышей" '¿^ , т.о. ¡у />■,_, Так как скорость "зародышей" пропорциональна квадрату пере-охлаадекия, то ,

Коэффициент Дг мозшо определив вксперимеиталыю .

3,3. Согласно оовременны!л представлениям, для многокомпонентных систем в двухфазной области существуют различные тшш упаковок, свойственные даннш элементам. Таким образом,"зародили" двухфазной области отличаются между собой составом, в отличие от состава жидкой фазы»

Как известно| различная растворимость элементов в кидаой и твердой фазах приводит к обогащении граница затвердевания, слоем ликвируюищх примесей,

При наложении магнитного поля важное значеш1е тлеет соотношение мезду магнитными моментами атомов примеси и растворителя (например, железа). Если магнитный момент атома примеси меньше, чем у атома железа, то атомы примеси- будут оттеонятьоя к фронту кристаллизации и толцина обогащенного пограничного олоя будет уменьшаться»

В бинарном сплаве величины скорости зародышей, обогащенных примесью, Ол и зародышей, обогащенных железом, при 'наложении магнитного поля различны, если различш магнитные моменты атомов примеси и железа. При этом изменяется значение толщины обогащенного пограничного слоя;

с^сГ- «у^ о) :

где: ¿¡°- значение толщины обогащенного пограничного слоя без воздействия поля,

(3 г значение толщины обогащенного пограничного олоя под поздействием поля.

Вид уравнения (9) в значительной степени зазисит от

значения числа Шмидта

С>с * ^(Онс (1С)

г • ' ' '

Если значение ос близко к I, то гидродинамический слой близок к диффузионному пограничному 'слою, В зтом случае перенос

и

. ы-'uo'iBa определяется к кодаоходей, Тогда величиш скоростей '■' т.•/ & г, дожш вкдктть к значения скоростей конвекции. Таким образом, под влиянием магнитного поля толщина обо^ п,щепного пограничного слоя изменяется, та о приводит к измено-

в процессах сегрегации примесей. Уменьшение толщины Ô свидетельствует об усилении внедрения частиц примеси в твердую

в» следовательно» об уменьшении ликвационши процеосов. îno происходит в том случае, если с1^ ^ (то есть когда маг-пит nuit момент атома примеси меньше такового у железа),как ето следует из формулы (S), Если лв магнитный момент атома примеси бомт цпкйъога для железа, то толщина слоя сГ увеличивается и, оледоьатедьно, ликвация данной примеси должна усиливаться при наложении мознаго иода.

4. На основ© пре,кда*{Ш11аЙ гипотезы была создана математическая модель процесса Kjnemvaiaaiain под влиянием пол?!.

4.1» На основе ыодьлза рдссчагаш зависимости переохлаяде-шш тиосульфата натрия, сгаазо» сг*

от индукции внешнего поля (постоякаого ж иэрешпкого) при их кристаллизации в лаоораторяых усгскояках. $пт saracKHocra иред-ставлеш на рис, 1,2,3,4,5 сплоеноД жшей. t'a этих se графиках точками показаны результаты эхспарамипт«», ой ®>тсл подроопее будет сказано шше» Как видно из графшив» wa 8агавак©(яя носят «котремальный характер, какою,ильные звач:е!шя переохлаждения в эависшости от природа и -состава кристалл! уюцзхч>й-< материала и от условий его затвердевания достигают при зе^чу-¡"лях индукции поля 0,9 + 1,8 х 10 , Тл, Такое сложное влля-.(!ie магнитного поля на величину переохлаждения должно приводить такому же влияний да структуру получаемого слитк?., то ость •'!Кппетоя возмокность управления литой структурой металла с

о

ш

о<

о и

Зависимость иерз охлаждения тиосульфата натрия от индукции поля.

14 12

10 В

6

4

2

а) постоянное поле

3 Ь

/

&3

-тфт*-

(* —. ? % -

3 4 .я

л__1

"' 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 "индукция 103, Тл ' '

б) переменное /50 Гц/ поле

. м

О

а

ш

о о Рч О

и

18 16 14 12

10

"8

6

4 2

0

ф

/ т 0

\ 1, ♦

ф!

1Р"

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

- индукция 103, Тл

2,5 " ~"370

Рио. I

Зависимость переохлаждения расплава /р-^ЗЗД/зООг«/ от индукции поля

а) постоянное поле

« Щ

а>

I

о ш а, о и

2 б. Сз^Ч

(' 2 I

, ^

-0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3 индукция "1С?,, Тл.

б) переменное иоле

о о о,

а>

Н

- <

, 2 —.

1___" ц '

■•0,0 0,5 1,0 1,5 г,0 2,5 индукция 1С?., Тл

Рис.2

4.3. На основании разработанной модели был проведен -вычио.-' лптелышй эксперимент, который показал, что тара тер' влияния магнитного поля на переохлаждение и толлдаиу обогащенного серой слоя перед фронтом затвердевания определяется не только .составом Металла, но л условиями его кристаллизации (интенсивность охлаждения, высота я диаметр блитка), и геометрическими параметрами соленоида (его радиус и длина). Качественно установлены зависимости эффективности применения поля для ^зеличения степсь-ни' переохлаждения и уменьшения толщины обогащенного серой слоя от этих .факторов," что дозволяет обосновать конструктивные параметры установок для получения отливок о заданной "структур?'1 и степенью химической однородности).

Показано, что зарактер зависимости эффективности поля Для • уменьшения толщины слоя от условий кристаллизации слитка качественно от тачается от таковоЗ для'увеличения степе I переохлаждения* Поэтому задача получения слитков с необходимой кристал-.личвокой структурой ж степень» химической неоднородности; требует применения оптимальных режимов воздействия, которые опреде- . ляются но только составом металла, но а условиями ого кристалл, лизацил и дояе геометрическими параметрами уотройотв, генерирующих по. »

5» В результата экспериментального изучения процессов кря-' сталлизации расплавов тиосульфата натрия, сплава - 3, & . (массой 0,3 кг и 5 кг) были получены зависимости переохлаздения от индукции. Эта зависимости отображены на рис.1,2,3 точками. Цифры -у " ^чек выражшт поличество .плавок. Как вц"!ю, экспериментально .полученные зависимости хорошо удовлетворяет теоретическим. ■ •

В процессе крдсталлизащш тиосульфата .яагрия кгкерялк гр?.--

' даек? температуры раошшва по радиельному оьчвиш ку-лсх-шиш- . аагора, 8капвривнталыю подученная аависимость градиента тви^ пературы расшшва представлена в таблД Таблищ 1а

Зависимость градиента температуры расплава тиосульфат •натрия о- швдкдаи доля

Г./Ъ 0 0 0 . .0 0 0 0 0 0 "27£3

0 1,ГХЗ I ,£'46 1,6Й9 1,725 1,750 2^5

г'~' л.' ' Ь, 7/у 750(2 ЗС5„8 199,2 53^2 0,0 2046 77,1 153,4

■Л л, 50 50 50 50 оО 50 ,50_ _50_ 2,7еХБ

1»НЗ 1,536 I 0 6Й 1,641 £«725 1СЭ-Г7

501ег 44Г83 413,4 0 289,1 349 г 7 590Д

1идно( что при наложении поля о индукцией, шзивазацзй максимальное переохлаждении яа ¡ас.! (1#7 £• 1,0 х КР^, Тл)„ градиент температуры в расплаве триблияается к нула» При этой благодаря прозрачным стенкам кристаллизатора, било видно, что кристаллизация протекает во объемному типу. При затвердевании без наложения', поля кркстадлйуацая ид&т последовательно от стилок кристаллизатора« Выло такне замечено, что па лояенне магнитных полей с ввдукцдей 1,7 1,6 х 10 Тл привода» к задержке кристаллизации, а затем после пероохяаздешя всего объема расплава кристаллизация вдет быстро к но об-шлпо:,!у На рис, 2 и 3 точками огойражевв оксперк-ментнлыю иолу-

9 с ■

чешые вавзешооя! переохлшдеякя расплава /'¡•-д^Л V . ' (масса 0,3 к.г и 5-кг) от иедукцв! поля, ЦнХоы у точм »ирэдпо? количество плавок. Как видно, »копершт-аш:о получкшы* сав»«

спмости такяе хорошо удовлетворяют теоретическим. Анализ-макроструктур показал, что наложегае постояшюго поля с индукцией, вызывающей максимальное переохлаждение, выздаает существенное измельчашю зерна. Это обстоятельство, а такхе отсутствие ярко-выражепной усадочной раксвшщ в слитках» позволяет предположить, , что- кристаллизация этого металла протекала преигдаествешю по объемному типу.

На рис. 3 (а и б) представлены зависимости пэреохлвдеиия сплава л^-Д--'• >-массой 5 кг кристаллизовавшихся- при различной интенсивности охлаждения (установка № I к й 2), Однако, как видно из рисунков, увеличение интенсивности охлаждения сумственно не оказываетоя на эффективности пршленеш.л полей длк уведгченля степени переохлааденля металла.

Экспериментально полученные зависимости переохлаждения расплавов от ¿шдукцци внесшего поля также не л.ят сложниЛ экстремали ннй характер. При этом выявляется возможность управления процес- ' ош затвердевания расплава путем изменения степени переохлазде-нйя и типа кристаллизации (объемная, последовательная кристаллизация, промежуточные реишн) и получения различных крясталли-« ческюс сгруктур. -Переход к преимущественно объемной кристаллизации должен сопровождаться не только изменениями в кристаллической структура, но к в распределении фаз и примесей в слитке. Давние математического моделирования показали, что яало- -кение-магнитного поля приводит к уменьшении-толщины обогащенного серой олоя перед фронтом затвердевания, что, в свск. очередь, .дог-чо уменьшать сегрегацию серы в слитке,. 3 таблице 2 показана экспериментально полученная зависимость степени сегрегации серн ( * /оо/'с ) .-от индукции'поля. ■

2-С

Таблица 2

Зависимость стеНекн сегрегации сери в олатках сплава ¿>сх/, •• от индукции ноля»

| 0 0 0 0 50 50 50 |

0 1,3752 3,6672 • 6,I'I2 1,3752 3,066 4,58í ]

¡2415 9 6,76 5,07 4,44 11,79 7,67 5,95 I i

Б целом, характер кривой на рио.6 л зависимости в табл,2 сопоставим, но при наложении поля с индукцией, меньшей 1,5х£ О7", Тл наблюдается более резкое уменьшение степени сегрегации,не-если при наложешш полей с более высокими значениями индукции (таблй),хотя, исходя из зависимости, представленной на рис.6, следовало бы ожидать обратного результата. Это обстоятельство, по-влдш.1с;.гу, монно объяснить тем, что при наложении поля с

о

Diwyiasieíi, близкой к 1,5 £ 10*", Тл происходит переход к преиыу-ществешш объемной кристаллизации, что приводит к резкому уыешг-иенш стс-пзн: сегрегации сори. Вывод о преимущественно обьер.ь-ной кркстагянзащш сплава был сделан на основании измерений температурного градиента в радиальном сечении слитка!при наложешш поля с йвдтарюй, близкой к 1,5 х ICF^ Тл значение градиента температур сильно уменьшается (табл.3).

' ТаблицаъЗ

Зависимость градиента температур по ра^шльноцу сечена слитгл сплава

fe -О,Об/о ох индукции аоля

f.r* 0 0 . 0 0 50 50

Ü l',3Vo2 3s6S72 6Д12 ("Ír375ií 3,056 .4,58-1

V V» 29Ш.З IlH.I 2656,8 3057,1 2054,8 2969,2 3061, í

Таким образом, переход к преимущественно объемной кристаллизации приводит к получению слитков, отличающихся боло-е равно-

мерши распределением примеси.

Рассчитанная зависимость переохлгдадэтм стали РбЕ"^ от индукции также носит экстремальный характер- При по-

ложении постоянного поля, впзшзащего какспгкхтатогт двреохла-а-дшще, кристаллизация слитка протекает гю прет^г/зствонно объемному типу» Об этом свидетельствуют отсутствие яркгашраяел-кой усадочной раковины в слитка и резкое градиента

тешерагурн по радиальному ого сечешпо при тфпитнллмзацш! в условиях макс-"'альпого лерэохлатздепия» Переход к сбьемной кристаллизации слитка при воздействия- постоянным полем с индукцией 0,9 1,5 х 10' ^ вргводя? к заметному уменшегаго плотности карбидной еетег в= китфоструктуре ста^'. (табл4)„ Таблица- .

ЗаЕпсшостБ- карбидной сетки в единице объема

слетков- с^а.ш- Р6Г,',5 от видутази- поли. ;

Y4.fi ¡! 0ц" . 1! ; о- ■ 0 0 0 50 50 ' 50 50

'' : б' ; ' ¡0,Й6В 0..4584 ■ - 1,3752 ■1,8336 0.45Й4. 0,9Г68 1,3752 ■1,8336

/ОЬ • 36 1СЕ 166 210 140 1С-3 260

Согласно предложенной гипотеза, различие в магнитных моментах ьа'Оков примеси п железа приводит к изменению толщины

обогащенного слоя перед фронт-н затвердевания, ч^о'влпяот па равномерность распределения-принеси в слитке. Поэтому при кристаллизации стали Р6М5 следовало бы-ожидать усиления ликвации таинадая, так как магнитный момент атома вашадая больше,чем у яелаза. Аналгв-микроструктуру стали Р6М6 ( цвете ая от алло- . графил,.измерение на микроанализаторе) показал,-что наложение поля приводят к ввделешш карбида ванадия в.от-

;дельную фазу, Пра этом содержание ванадия в карбидной сетке , резко уменьшается, Содержание других ыхеыентоа в карбидной сетке практически не.изменяется. В таблице 5 представлена, зависимость доли фазы карбада ванадия от индукции поля. Таблица 5.

' , Зависимость доли фазы карбида ванадия в стали Р6Ы5 от индуквди поля.

аь.

О

Р,45"е4 0,09"

3,9168 ' 3,13 0,30

_

1,83'36 О,45

_ 50 0,4531

0,00 ,

50 0,31*68

0,07

50 1,37£г

О „07

50 1,83'36

0,28

Таким образом, да основании полученных вкспершенталышх данных модно сделать вывод о том, что наложение магнитного цоля во время кристаллизации сопровождается изменениями датой структуры металла (кристаллическая и химическая неоднородность, состав п.распределение различных что .должно'приводить к

изменениям структурно-чувствительных свойств. Следовательно, . можно говорить о возможности управления и свойствами получаемого металла, и даже'о получеши матертлов с новцш свойствами, Однако промышленная реализация технологии управления структурой и свойствами лихиго металла трббуат применения установки типа шшшы непрерывного, литья загото: эк, а ото требовало установления зависимости эффективности применения поля от • временного фактора его влияния.

Исследование влияния временного фактора на эффективность применения ноля проводилось путем моделирования на тиосульфате натрия-и при крнсталлизапди сплава 35"^ и установке 2. Анализ результатов показал, что при шлоодод магнитного поля

'с индукцией, шзнвшцей максимальное переохлаждение»ранее < начавшаяся последовательная кристаллизация расплава ^"эекраг щачтся и начинается объемное затвердевание независимо от времени начала воздейотвил. Переход от последователыюй к"обгем-нс!Ч кристалллэашш осуществляетоя очень бистро, что в принда-по согласуется о предложенной гипс: „-з ой. Прекращение'воздействия полем при кристаллизации тиосульфата натрия вызывало обратный переход от объемного к последовательному затвердевав кип. Однако 1ри кристчлшцин металла при выключении магнитного поля тил. кристаллизации но менялся» Но для промышленной реализации данной технологии недостаточно'качественных ^авиои-уостей влалния временного фактора» Поэтому л-■■следование в этсм направлении следует продолжить с целью установления шшималь* пого срока воздействия полем»- который вызывал бы переход к объемно!"/ затвердеванию слитка, -продолжающемуся . после выключения по.ля, ■ 1

швош.

I, Предложена гипотеза механизма взашлодейст пия магнитного поля и кристаллизующегося расплава, основанная на пред-* став.та-иях о парамагнитных свойствах области "структурной диффузии" перед фронтом затвердевания. При наложении внешнего магнитного поля изменяются параметры этой области, что влияет да характер протекания процесса кристаллизация. Наложение маг-южного поля с определешнми значениями индукции приводит к изменению типа кристаллизации (от последовательной к объемной и как едствие к значительному измельчению кристаллической-структуры и подавлению зоны транокристадлизащш.

Влияние поля на процессы сегрегации примесей при крисг-м-

лизадо основано на различии в значениях магнитных моментов атомов примеси и растворителя. Б результате изменяется тоги ЭД1ЯС обогащенного примеоыэ слоя перед фронтом затвердевания, но сказывается на процессах сегрегации.

2, Разработана математическая модель процесса кристалли-'зации под влиянием магнитного пода. Вычислительный екопери-г мант, проведенный по этой модели, показала, что оптимальные параметры внешнего магнитного поля для получения той пли иной структуры слитка, в овею очередь» определяются составом крио-таллизувдегося металла и условиями его затвердеващш,

3. Получены новые экспериментальные данные о влиянии слабых магнитных полей на процеосы кристаллизации. Эксперимент-тально показано, что слитки, закристаллизованные в условиях максимального переохлаждения, вызванного полем, отличаетоя от контрольных мелкозернистой структурой, отсутствием зон трано кристаллиэации и ярховырааенной усадочной раковины. Экспериментально похсаикно уменьшение степом оигрохгщла «ара в <шх-казс сплава Лг-О,^/. 5 Е усиление ликвации ванадия в слитках .

. стаж под гллянкем ¿ол*, что согласуется о предлсшояяой гипотезой,,

4»'На характер получаемой структуры, формирующейся под воздействием поля, влияет и время, когда поле включается {выключается), с

промедсуток времени^ в течению которого око действует. На основании получениях зависимостей можно сделать гшвод о том., что чем раньше поле ькдючаегоя и геи долине ол'о действует, -тоы меньше внргасена столбчатая структура и ые,г.ьчч яерно в слитке (зиготонке). Данный результат важен при тяи'чтоЭ рочлизшяш метода на установках типа машн неире-

рцвного литья, где скорость вытягивания заготовки накладывает

ограничение на время нахождения кристаллизующегося участка в поле»

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Видов О,В., Мостовой А.5., Зверев.Б,Ф,, Федосеев В.В. Влияние магнитных полей на структуру кристаллизующегося - -слитка Сборник тезисов докладов Всесоюзной аколо-семинара вЭлектрофизгттеские методы и технологии воздействия* на- струз>-туру и свойства металлических материалов"'.

Ленинград: Судостроение, 1990, с.22-23. ~

2. Видов С.В„, Вишкарев А.Т,, Зв!зрев- Б.'*,, ?(1остовой А,Б,, Федосеев В.В. Воздействие слабых магшшшх полей на процесс • кристаллизации металла I/ Осаль. 1933. № II

З'Ж... О" Объем Г п.л, Тираж 100- экз.

Тт'ттогт?а!]йгл" ЭОЗ' МИСеС.ул.Орджоншщдза, 8/9