<<
>>

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ СЛИТКА

В гл. IV показано, как изменяется характер распределения электромагнитных сил в объеме жидкого металла в зависимости от относительной частоты наложен-

Рис.

47. Схема установки полунепрерывного литья в электромагнитный кристаллизатор

ного электромагнитного поля (с ее повышением эти силы переходят из центральной части и собираются в периферийной части сечения жидкого проводника). При достаточно высокой частоте характер действия этих сил приближается к характеру поверхностных сил, например поверхностного натяжения, но значение их мо- •жет быть произвольно увеличено до такой степени, что жидкий проводник будет удерживаться ими, как в трубе. Автором предложен принципиально новый литейный процесс, который формулируется как способ получения отливок, в том числе непрерывных слитков произвольного сечения с использованием электромагнитного поля для удержания и обжатия расплава. Особенность этого процесса состоит в том, что с целью бесконтактного формообразования отливки разливаемый металл или сплав подают в электромагнитное поле, удерживающее его в заданных контурах отливки, и одновременно с электромагнитным воздействием на разливаемый материал осуществляют принудительное его охлаждение, обеспечивающее кристаллизацию, по крайней мере, оболочки, способной выдержать давление жидкой фазы [64]. Аппаратурное оформление такого процесса — установку для его осуществления применительно к полунепрерывному литью алюминия и его сплавов и технологические режимы разработали П.П.Молчанов и З.Н.Геце- лев на Куйбышевском металлургическом заводе им. В.И.Ленина. На рис. 47 представлена схема этой установки, состоящей из индуктора 1, лотка 2, по которому металл подается в распределительную коробку 3, плавающей чаши 4, служащей для поддерживания постоянного уровня и распределения расплава, коллектора 5, из которого охлаждающая жидкость подается по наружной поверхности направляющего конуса 6 на затвердевшую поверхность слитка, поддона 7.

Перед началом литья поддон 7 вводят внутрь индуктора 7. Вода, поступающая из коллектора по наружной поверхности конуса, попадает на поддон 7. Через коробку 3 на неподвижный поддон подают расплав. Электромагнитное поле, возбуждаемое индуктором 7, создает в расплаве силы, благодаря которым жидкий металл приобретает заданную форму. Как только столб жидкого металла, опирающийся на поддон, достигает необходимой высоты, поддон начинает опускаться вниз с постоянной скоростью. Охлаждающая жидкость, подаваемая вначале на поддон, обеспечивает кристаллизацию нижней части находящегося на нем столба жидкого металла. Затем по мере движения поддона охлаждающая жидкость поступает на затвердевшую поверхность слитка и стекает вниз, обеспечивая его полное затвердевание. В процессе литья в верхней части слитка сохраняется формируемая магнитным полем жидкая зона определенной высоты.

Формирование жидкой зоны является основой получения качественных слитков. Форма и поперечные размеры зоны должны соответствовать отливаемому слитку с учетом усадки при его затвердевании, на поверхности жидкой зоны должны отсутствовать видимое движение и колебание металла, уровень поверхности жидкой зоны в процессе литья поддерживается постоянным. При литье в электромагнитный кристаллизатор отсутствует контакт между формообразователем и слитком и, следовательно, периферийная зона металла с неоднородной структурой и механические дефекты на поверхности слитка [65).

Жидкая зона имеет место в любом процессе непрерывного литья как в электромагнитный, так и в традиционный кристаллизатор скольжения, поскольку поступающий в кристаллизатор расплав не может мгновенно отдать тепло кристаллизации и, кроме того, при температуре разливки имеет место некоторый перегрев. Положение (высота) жидкой зоны в вертикальном столбе расплава, кристаллизующегося в электромагнитном кристаллизаторе, определяется следующим: низ — местом подачи охлаждающей жидкости, верх — мениском. Границы жидкой зоны не могут выходить из области достаточно сильного электромагнитного поля, практически из пределов высоты индуктора.

Уточнение оптимальной высоты и положения жидкой зоны выполнено в работе [66].

Литье алюминия и его сплавов в электромагнитный кристаллизатор обеспечивает значительный технико-экономический эффект, выражающийся в повышении качества поверхности слитков, улучшении кристаллической структуры металла, увеличении производительности процесса разливки и т.д. Этот способ внедрен на всех предприятиях заготовительного литья алюминия в СССР и по лицензиям в большинстве индустриально развитых стран мира. Автор предпринял попытку его осуществления (в том же аппаратурном оформлении) в черной металлургии при непрерывной разливке стали. Однако физические свойства стали значительно менее благоприятны для осуществления литья в электромагнитный кристаллизатор, чем свойства алюминиевых сплавов. Почти втрое большая плотность уменьшает при прочих равных условиях возможную высоту жидкой зоны и требует увеличения частоты, что связано с большей затратой мощности. Более высокая энтальпия стали (чем алюминия) обусловливает необходимость интенсивного охлаждения, а конструктивные условия для его осуществления затруднены необходимостью предотвращения окисления жидкой зоны и насыщения металла водородом (паров воды). Значительно меньшая теплопроводность стали обусловливает более медленную кристаллизацию металла, толщина корочки в начальной части зоны кристаллизации возрастает значительно медленнее, а глубина жидкой лунки в слитке при разливке на обычных МНЛЗ достигает 10 — 15 м и более.

Все упомянутые попытки формирования электромагнитным полем стального слитка окончились неудачей — уходом жидкого металла из области его предполагаемого удерживания полем и замораживания. Это вызвало необходимость пересмотра теории, на которой основывалось осуществление процесса в цветной металлургии. Согласно теории для расчета напряженности электромагнитного поля, способного удерживать жидкий металл от растекания, сопоставляли интеграл объемной электромагнитной силы по радиусу слитка (т.е. электромагнитное давление на оси) с металлостатическим давлением, которое в той же точке оси слитка создают вышележащие слои жидкого металла.

Но металлостатическое давление одинаково по всему поперечному сечению слитка, тогда как давление, развиваемое электромагнитными силами, неодинаково. Если даже на оси слитка металлостатическое давление уравновешивается электромагнитным давлением, то на периферии слитка последнее равно нулю. Если записать уравнение равновесия для элементарного объема металла, выбрав его не на оси слитка, а в пре

делах скин-слоя, становится ясно, что электромагнитное поле не может препятствовать растеканию металла, оно лишь не позволяет перемещаться как одно целое всему объему жидкого металла, составляющего скин-слой.

Принятое условие выбора частоты электромагнитного поля сводилось к обычному в высокочастотной технике условию достаточно большого значения числа Ценнека (как правило, gt; 10), при котором передача энергии электромагнитным полем от индуктора во вторичную цепь (например, садку плавильной печи) происходит при высоком к.п.д. Совпадение условий оптимизации процесса с позиций передачи энергии и силового воздействия на вторичную цепь следует из уравнения (8). Исходя из этого рекомендуемая частота занижена (для алюминиевых слитков крупного сечения приведенному условию соответствует даже нормальная частота 50 Гц, практически используется частота не ниже 2400 Гц).

В реальном технологическом процессе непрерывной или полунепрерывной разливки неизбежны некоторые колебания скорости перемещения и положения фронта кристаллизации (в координатах слитка), вызванное, например, непостоянством температуры поступающего расплава. Для того чтобы эти перемещения фронта кристаллизации не нарушили постоянства сечения непрерывного слитка, жидкая зона должна иметь цилиндрическую боковую поверхность. В идеализированном случае при тета-пинче в бесконечно длинном цилиндрическом жидком проводнике радиуса г0 усредненное по времени давление на расстоянии гот его оси определяется, по данным [56], выражением

(66)

где Jo — функция Бесселя первого рода нулевого порядка.

Давление на оси жидкого проводника можно получить из уравнения (66) подстановкой г = 0:

(67)

металлостатическое давление в жидкой зоне возрастает с глубиной h (расстоянием от мениска) по линейному закону:

(68)

Это давление должно уравновешиваться силами поверхностного натяжения и внешним давлением со стороны электромагнитного поля:

(69)

где г© — радиус жидкой зоны; е — коэффициент поверхностного натяжения.

Подставляя в выражение (69) величину Doc из формулы (67), находят требуемый закон распределения напряженности магнитного поля на поверхности металла по высоте жидкой зоны (при значительных размерах сечения слитка лапласовским давлением е/го можно -пренебречь):

Поле обычного индуктора в виде витка или цилиндрического соленоида, как правило, не соответствует выражению (70). Требуемая эпюра напряженности поля может достигаться различными приемами коррегирования поля — подбором соответствующей геометрии индуктора (переменные диаметр, шаг или сечение витков), при помощи маг- нитопроводов, противовключенных стабилизирующих витков, короткозамкнутых контуров — экранов и т.п. Удачной находкой З.Н.Геце- лева является применение для этой цели металлического экрана переменной по высоте прозрачности в виде неравностенного полого конуса, который одновременно является направляющей воронкой для охлаждающей воды.

Несовершенство упомянутой теории электромагнитного формообразования слитка заключается в том, что она не учитывает явлений магнитогидродинамической неустойчивости.

Корректный подход требует, чтобы равенство (69) выдерживалось не только при г = 0, но и при любых значениях г, принимая давление Dr по формуле (66). Нетрудно заметить, что тогда равенство (69) возможно только при бесконечно большой частоте поля (если не учитывать лапласовское давление). Жидкий металл, удерживаемый электромагнитным полем, не обладает устойчивостью формы. В определенных условиях, например при попытке удержать высокий столб жидкого металла (соответственно сильным полем), на боковой поверхности столба металла возникают продольные складки (так называемые рифы). Такой риф является прозрачным для данного поля, в нем индукционные токи и электромагнитная сила очень ослаблены, поэтому поле не может помешать такому рифу расти, пока весь металл не выльется через него, как через щель в электромагнитном поле. Г.И.Бабат [67] показал, что индукционные токи не заходят в гребни рифленой поверхности металлического цилиндра, нагреваемого внутри высокочастотного индуктора, если ширина гребней значительно меньшеБолее глубокие слои цилиндра быстро нагреваются и дно канавок рифленой поверхности светится, а гребни остаются еще некоторое время холодными, темными.

Связь явления образования рифов с условиями проникновения электромагнитного поля в металле очевидна. Это один из случаев проявления желобковой (перестановочной) деформации поверхности жидкого металла в электромагнитном поле, вполне аналогичной подобным же явлениям неустойчивости плазмы, затрудняющим решение проблемы термоядерного синтеза. Принятое в указанных работах условие удерживания расплава электромагнитным полем является необходимым, но не достаточным. По мнению автора, при выборе частоты электромагнитного поля для процесса электромагнитного формирования отливки

и слитка необходимо исходить прежде всего из условия магнитогидродинамической устойчивости. Результаты анализа проявлений магнитогидродинамической неустойчивости при электромагнитном формообразовании слитка и необходимых условий для предотвращения ее последствий приведены в работе [1, с. 278 — 280]. Необходимое условие устойчивости боковой поверхности столба жидкого металла можно получить, связывая металлостатическое давление в нижней части жидкой зоны с давлением, создаваемым силами поверхностного натяжения внутри зарождающейся складки (рифа). Если лапласовское давление искривленной поверхности больше металлостатического давления, рифы не могут развиваться, и наоборот. Допустим, что ширина рифов приблизительно соответствует глубине проникновения электромагнитного поля, что согласуется с физической сущностью явления. Тогда, принимая радиус кривизны гребня рифа равным половине его ширины находим

(71)

откуда получаем критическую высоту жидкой зоны

(72)

Для определения критических условий, при которых нарушается устойчивость формы (сплошности) жидкого металла и образуются рифы на его поверхности, автор в работе [1] показал возможность использования также несколько более строгого аппарата теории бестигельной плавки металлов во взвешенном состоянии, разработанного Р.П.Жежериным [68][***].

Разделив правую часть равенства (71) на левую, получим

(73)

Левая часть выражения (73) представляет собой безразмерную величину, выражающую соотношение электромагнитных и капиллярных сил. По аналогии с общепринятыми магнитными числами Рейнольдса, Архимеда и др. эту критериальную величину можно назвать магнитным числом Вебера, обозначив ееТогда условие устойчивости боковой

жидкой зоны слитка, формируемого электромагнитным полем, и исходное условие для выбора частоты при заданных геометрических размерах определится выражением:

(74)

Условие (74) требует использования значительно более высоких частот, чем значения, выбранные, на основе энергетического к.п.д. Однако численная постановка в формулу (73) характеристик физических свойств жидкого алюминия и действительных параметров его литья в электромагнитный кристаллизатор даетФормирование алю-

миниевых слитков при значительно меньших значениях магнитного числа Вебера возможно по следующим причинам. Подобные критериальные зависимости определяют не точное значение параметров, а в лучшем случае их порядок. Главную роль играет, по-видимому, прочная оксидная пленка ("чулок"), которая окружает струю или покрывает поверхность жидкого алюминия на воздухе и препятствует образованию рифов.

Можно предположить, что оболочка слитка (а в начале процесса литья — затравка) обусловливает некоторое подобие известного эффекта вмороженности магнитных силовых линий (на части своей длины) в обладающий относительно высокой проводимостью затвердевший металл. Всякие деформации силовых линий, опирающихся на верхний край оболочки (выходящих из него в жидкий металл) или огибающих его, связаны с дополнительной затратой Энергии, поэтому развитие желобковых деформаций столба жидкого металла на границе с затвердевшей частью слитка должно быть затруднено. Опыты показали, что на металлическом поддоне (в начале отливки непрерывного слитка) жидкий алюминий удерживается лучше, чем на диэлектрическом [70]. Количественный анализ такого явления еще отсутствует, однако можно полагать, что и это обстоятельство позволяет несколько увеличить предельную высоту жидкой зоны по сравнению со значением, которое может быть получено из выражения (72).

Выводом из этих теоретических положений применительно к задаче электромагнитного формообразования непрерывнолитой заготовки из стали было то, что для предотвращения образования рифов и утечки через них металла при использовании имевшегося преобразователя частоты в условиях наших экспериментов высота жидкой зоны не должна была превышать Д5 мм. Это требует такой точности дозирования подаваемого расплава, которая недостижима при помощи стопора, путем кантования ковша* (или малой печи, использованной в наших экспериментах) и других традиционных,средств. Дальнейшие исследования в направлении электромагнитного формообразования непрерывного стального слитка были приостановлены до решения этой задачи (как предполагалось, при помощи прецизионного электромагнитного дозатора).

Скорость вытягивания непрерывнолитой заготовки в существующих МНЛЗ лимитируется теплофизическими характеристиками металла, которые у стали неблагоприятны по сравнению с алюминием, поэтому маловероятно заметное увеличение производительности процесса электромагнитного формообразования вертикального слитка по сравнению с традиционным. По-видимому, в черной металлургии имеется некоторая перспектива использования такого процесса для получения штрипса из высоколегированной стали и специальных сплавов, где большое значение имеют структура металла и чистота поверхности.

Вопрос усложняется следующим обстоятельством. Выше упоминалось о квазиархимедовых выталкивающих силах, связанных с радикальным градиентом давления в жидком металле, когда имеет место линейный пинч-эффект. Можно предположить существенную роль этих сил и при тета-пинче, на использовании которого основан способ электромагнитного формообразования отливок и слитков. В жидкой зоне и на каком-то участке зоны кристаллизации, пока толщина оболочки мала по сравнению с глубиной проникновения электромагнитного поля, в жидкой фазе действуют выталкивающие силы электромагнитного происхождения. В жидкой зоне эти силы способствуют рафинированию расплава от неметаллических включений и газовых пузырей. Однако ниже сравнительно невысокого столба металла, удерживаемого в жидком состоянии, начинается зона кристаллизации, в которой жидкая фаза окружена затвердевшей оболочкой.

Поскольку наличие затвердевшей оболочки не позволяет вытолкнуть неметаллические включения и газовые пузыри за пределы сечения слитка, действие квазиархимедовых сил электромагнитного происхождения в определенных условиях может приводить к загрязнению периферийных частей сечения слитка и образованию подкорковых пузырей. Использование электромагнитного формирования непрерывнолитой заготовки в черной металлургии может произойти в случае создания принципиально нового аппаратурного оформления процесса, в котором сила тяжести не играла бы столь значительной роли. По- видимому, реальное техническое решение высокопроизводительного процесса электромагнитного формирования непрерывнолитой стальной заготовки возможно, например, при помощи индуктора, подобного описанному в работе [6, с. 174], или других электромагнитных кристаллизаторов с горизонтальной технологической осью. 

<< | >>
Источник: Beрте Л. А. МГД-технология в производстве черных металлов. 1990

Еще по теме ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ СЛИТКА:

  1. ПРИНУДИТЕЛЬНОЕ ЗАПОЛНЕНИЕ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ И УПЛОТНЕНИЕ ОТЛИВКИ И СЛИТКА
  2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ СЛИТКА