Спосіб обробки розплаву металу

Винахід відноситься до області ливарного виробництва та металургії і може бути застосований при обробці рідких металів та сплавів у процесі їх виплавки та розливання. Відомо спосіб обробки розплаву металу (див. Г улий Г.О. На укові основи розрядно-імпульсних те хнологій. Київ: Наук. думка, 1990. - С.129-147), який включає позапічну дегазацію та рафінування розплаву під впливом імпульсного тиску за рахунок електрогідроімпульсної дії від електророзрядної камери з електродами та зануреним у розплав хвилевидним стрижнем, при модулюванні параметрів дії: частоти посилки імпульсів, енергії в імпульсі. Ознаки, які збігаються з суттєвими ознаками винаходу, що заявляється: обробка розплаву імпульсним тиском за рахунок електрогідроімпульсної дії від електророзрядної камери з електродами та зануреним у розплав хвилевидним стрижнем при модулюванні параметрів дії. Причини, які перешкоджають одержанню очікуваного технічного результату: спосіб не дозволяє ефективно обробляти розплав тому, що не передбачає дій, які спрямовані на підвищення імпульсного тиску на розплав, або його частку, а використовує лише ефект флотації. Неоднорідний за своїм складом розплав (від макродефектів до мікрочи субмікронедосконалостей) потребує підвищення величини тиску, що виникає при електрогідроімпульсній дії у розплаві, яке зможе його більш активно гомогенізувати. Цього важко досягти у великому об'ємі розплаву, але зменшивши об'єм розплаву, що обробляється, можливо досягти підвищення імпульсного тиску, а таким чином й ефекту дії. Прототипом способу, що заявляється, е спосіб обробки розплаву металу (Деклараційний патент України №40038А, МПК 6 В 22 D 27/08, опубл. 16.07.2001, ПВ №6 - C.1.55), який включає позапічну дегазацію та рафінування розплаву за рахунок електрогідроімпульсної дії від електророзрядної камери з електродами та зануреним у розплав хвилевидним стрижнем, при числі імпульсів електрогідроімпульсної дії на розплав від 330 до 500. Спосіб передбачає дегазацію та рафінування розплаву від включень після введення у розплав, який міститься у ковші, хвилевидного стрижня на задану глибину, та електрогідроімпульсну дію із заданим числом імпульсів. Обробка приводить до видалення газу (зокрема водню) із пов'язаного (у розплаві) стану у вільне, наступної коагуляції газових включень, спливанню їх за законом Стокса, дегазацію розплаву. При протіканні процесу дегазації відбувається видалення з металу частинок шлаку, які знаходяться у зваженому стані, і твердих окислів (неметалевих включень), які прилипли до пухирців газу та флотуються ними на поверхню металу (ВРЕ. М.: Радянська енциклопедія, 1975, - Том 21. - С.1508-1509.). У будь-якому випадку відбувається процес рафінування (очищення металу) від неметалевих включень. Цей спосіб передбачає введення у розплав металу імпульсного тиску від хвилевидного стрижня при заданому числі імпульсів електрогідроімпульсної дії. Введення в об'єм розплаву імпульсного тиску здійснюється зануреним у нього хвилевидним стрижнем, що характеризує саму дію на розплав як розосереджену. Ознаки, які збігаються з суттєвими ознаками винаходу, що заявляється: обробка розплаву імпульсним тиском за рахунок електрогідроімпульсної дії від електророзрядної камери з електродами та зануреним у розплав хвилевидним стрижнем при модулюванні параметрів дії. Причини, які перешкоджають одержанню очікуваного технічного результату: спосіб не дозволяє ефективно обробляти розплав, тому що не передбачає дій, спрямованих на підвищення імпульсного тиску на розплав, або його частку, а використовує лише ефект флотації. Така обробка приводить до подрібнення твердих включень та неоднорідностей у розплаві. Але бажання підвищити ефект дії (структурн у однорідність розплаву та литого металу, покращення його механічних властивостей) за рахунок часу обробки призводить до протилежного результату. Тут для інтенсифікації механічних, гідродинамічних та обмінних процесів у розплаві потрібно активізувати вплив на розплав за рахунок підвищення імпульсного тиску (наприклад, за рахунок зменшення об'єму одночасно оброблюваного розплаву при незмінних енергосилових характеристиках дії) та прискорити процес його гомогенізації. Підвищення імпульсного тиску можливо досягти при дії в локальній зоні розплаву, але таких дій прототип не передбачає. Якщо імпульси тиску у локальній зоні розплаву направити вздовж струменя металу, вони будуть активізувати перемішування у напрямку перпендикулярному напрямку руху, прискорювати флотацію неметалевихвключень із розплаву, за рахунок додаткової турбулізації потоку, та гомогенізацію усього об'єму розплаву. В основу винаходу поставлено задачу: удосконалити спосіб обробки розплаву металу шля хом введення нової сукупності дій, що дозволить підвищити імпульсний тиск у локальній зоні обробки розплаву і, за рахунок цього, прискорити флотацію неметалевих включень із розплаву та гомогенізацію розплаву, покращити структурну однорідність розплаву, а також підвищити механічні властивості литого металу. Суть винаходу полягає в тому, що у відомому способі обробки розплаву металу, який включає обробку розплаву імпульсним тиском за рахунок електрогідроімпульсної дії від електророзрядної камери з електродами та зануреним у розплав хвилевидним стрижнем при модулюванні параметрів дії, згідно з винаходом, попередньо у локальній зоні розплаву дією електромагнітних сил створюють низхідний потік розплаву, в який вміщують хвилевидний стрижень та забезпечують циркуляцію розплаву таким чином, щоб, як мінімум, одноразово увесь об'єм розплаву зазнавав електрогідроімпульсної дії. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак винаходу і те хнічним результатом, якого можна досягти, необхідно відмітити, що ознака ”... попередньо у локальній зоні розплаву дією електромагнітних сил створюють низхідний потік розплаву...” сприяє підвищенню імпульсного тиску у потоці і, за рахунок цього, покращити структурн у однорідність, а також підвищити механічні властивості литого металу. Ознаки ”... вміщують до нього хвилевидний стрижень та забезпечують циркуляцію розплаву таким чином, щоб, як мінімум, одноразово увесь об'єм розплаву зазнавав імпульсної електрогідроімпульсної дії...” сприятимуть інтенсифікації механічних, гідродинамічних та обмінних процесів у розплаві та прискорять процес його гомогенізації, сприятимуть успішній обробці всього розплаву. Разом це дозволить підвищити імпульсний тиск у локальній зоні обробки розплаву і, за рахунок цього, прискорити флотацію неметалевих включень із розплаву та гомогенізацію розплаву, покращити структурну однорідність розплаву та литого металу, також підвищити механічні властивості литого металу. Спосіб, що заявляється, може бути реалізований, наприклад, на базі індукційної печі з додатковими котушками. Пристрій для реалізації способу (схема наведена на кресленні) має тигель 1 з розплавом 2, підключені паралельно додаткові котушки 3 (верхня), 4 (середня), 5 (нижня), які обхоплюють тигель 1, розміщений в індукційній печі (на кресленні не показана). Пристрій має електророзрядну камеру 6, стрижень хвилеводу 7, електроди 8, генератор імпульсних струмів (ГІС) 9. Електроди 8 з'єднано з ГІС 9. Спосіб здійснюють таким чином. У тигель 1 загружають шихту, наприклад алюмінієвий сплав марки АК5М2, та включають індукційну піч. При цьому у ши хті індукується електричний струм, який забезпечує нагрівання сплаву до технологічної температури 700°С. Одночасно вмикають котушки 3, 4 та 5 на напругу 900 В. У результаті взаємодії електроструму в рідкому металі з магнітним полем котушок виникає вертикально спрямована електромагнітна сила, яка забезпечує низхідний потік сплаву в центральній зоні індукційної печі та вирівнювання температури металу в тиглі 1. У метал в тиглі 1 (співвісно з вертикальною віссю тигля) занурюють хвилевидний стрижень 7 електророзрядної камери 6. При цьому низхідний потік металу у тиглі 1, стало подає метал під торець стрижня хвилеводу. На електрод 8 електророзрядної камери 6 від ПС 9 подають високу напругу (50 кВ) і виконують обробку розплаву з часто тою посилки імпульсів 1 Гц, енергією від 0,1 до 10 кДж, наприклад 1 кДж. Обробку рідкого металу у низхіднім потоці виконують протягом 3 хвилин, за які увесь об'єм розплаву пропускають через локальну зону обробки. Розрахунки вказують на те, що у локальній зоні імпульсний тиск від електрогідроімпульсної дії становить 0,1 МПа, а у всьому об'ємі ~0,01 МПа. Постійне оновлення металу біля торця хвилевидного стрижня, а також транзитний рух металу, який циркулює у тиглі 1, забезпечує однорідну обробку всієї маси металу і скорочує час обробки. Проведеними дослідженнями встановлено, що при обробці способом, що заявляється, показники структурної однорідності металу та його механічні властивості суттєво покращуються. Так газонасиченість по H2 зменшилась на 30%, середній розмір дендритної чарунки знижується від 57 до 45 мкм, sв збільшується від 175 до 210 МПа, d - від 0,8 до 1,8%. Таким чином, наведений приклад використання способу свідчить про те, що використання нової сукупності дій у способі обробки розплаву за рахунок дії електромагнітних сил, що утворюють низхідний хвилевидному стрижню потік розплаву та забезпечення циркуляції розплаву, при якій мінімум одноразово увесь об'єм розплаву зазнає інтенсивної електрогідроімпульсної дії, дозволяє одержати не тільки відомий результат - збільшити показники якості литого металу за рахунок його рафінування, а і досягти принципово нового технічного результату - підвищи ти питомий тиск на розплав. За рахунок додаткової турбулізації потоку активізуються процеси у розплаві, прискорюється флотація неметалевих включень із розплаву та гомогенізація усього об'єму розплаву, збільшуються показники якості лиття при скороченні часу обробки. Це дозволяє оптимізувати процес обробки розплаву як за рахунок підвищення якості литих виробів, так і за рахунок скорочення енерговитрат на обробку.