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Die Raffinationswirksamkeit des flĂŒssigen Aluminiums bei der Einwirkung auf Schmelzgut durch die Ultraschallfrequenzschwingungen

Diese Veröffentlichung wurde uns durch unser Partner Unternehmen DEMIN SRM GmbH zur VerfĂŒgung gestellt (www.demin-srm.de).

Das Vorhandensein in den Metallen und ihren Legierungen hundertsten und sogar tausendsten Prozentteile von Gas- und nicht metallischen Beimischungen verringert ihre Haltbarkeit und die PlastizitĂ€t wesentlich. FĂŒr die Metallreinigung von den unerwĂŒnschten Beimischungen wie Gas, Oxide, Nitriden und anderen nicht metallischen Bestandteilen wurde ein Komplex der Fertigungsoperationen entwickelt, die man vom allgemeinen Begriff “Raffination” vereinigen kann. Der Raffinationsprozess hat eine riesige Bedeutung fĂŒr die QualitĂ€tssteigerung der Metalle und Legierungen.

Die Reinigung des FlĂŒssigmetalls von den nichtmetallischen Beimischungen besteht in der Absonderung auf die Schmelze OberflĂ€che winzigen GasblĂ€schen und Teilchen der Oxide, Nitride, Sulfide und anderer Verbindungen, die bei den gewöhnlichen Bedingungen in der Schmelze bleiben und in den Barren geraten. In den letzten Jahren verwendet man immer öfter kombinierte adsorbierende und physische Methoden der Raffination. Bei der Raffination durch die Adsorptionsmethode werden in die Schmelze die inerten oder aktiven Gase zugefĂŒhrt, sowie die festen Stoffe, die in die gasförmigen Produkte leicht zerlegt werden. Infolge des niedrigen Drucks innerhalb dieser GasblĂ€schen diffundieren dorthin die im Metall aufgelösten Wasserstoff, Stickstoff und andere Gase ein, und auf der OberflĂ€che der GasblĂ€schen werden die festen Teilchen der nichtmetallischen Bestandteile adsorbiert. Nach der bestimmten GrĂ¶ĂŸe Erreichen tauchen die BlĂ€schen der raffinierenden Stoffe auf die OberflĂ€che des geschmolzenen Metalls auf. FĂŒr hinreichend volle Entfernung der nichtmetallischen Beimischungen aus der Schmelze muss man durch das Metall eine große Menge der raffinierenden Stoffe fließen lassen, was nicht immer zweckmĂ€ĂŸig und möglich ist.

Bei der Raffination durch die physische Methode, insbesondere durch die Vakuumbehandlung wird die zusĂ€tzliche AusrĂŒstung und Zeit fĂŒr die Metallbearbeitung notwendig.

Zurzeit werden die Ultraschallmethoden fĂŒr die Einwirkung auf das Metall in der flĂŒssigen Phase besonders attraktiv und wirksam. Die Anwendung des Ultraschalls, um die Einwirkung auf ganze Reihe der technologischen Prozesse auszuĂŒben, ist bei der Produktion und Bearbeitung der Metalle und der Legierungen genug bekannt und ist theoretisch begrĂŒndet. Jedoch ist die praktische Anwendung des Ultraschalleffektes bei der Entgasung mit einer ganzen Reihe der ungelösten Probleme zurzeit verbunden und in erster Linie ist das Art und Weise von EinfĂŒhrung der Schwingungen in die Schmelze.

Um diese Probleme zu lösen, wurde von uns eine Anlage geschaffen, die erlaubt, das sich im Strom befindende FlĂŒssigmetall mit regulierter IntensitĂ€t und verschiedener Amplitude der Schwingungen im Ultraschallbereich zu bewirken.

Es sind weiter, als anschauliches Beispiel die Fotografien der Abgussschliffen der Aluminiumlegierung in NaturalgrĂ¶ĂŸe gebracht:

Auf dem Bild 1 ist das Muster ohne Bearbeitung gezeigt, auf dem Bild 2, 3 und 4 sind die Muster, die von den Schwingungen mit der Frequenz 18 Kilohertz im Laufe von 2; 5 und 8 Sekunden, beeinflusst waren.

Bild 1. Muster ohne Bearbeitung
Bild 2 und Bild 3. Muster, die von den Schwingungen mit der Frequenz 18 Kilohertz im Laufe von 2 und 8 Sekunden, beeinflusst waren.
 

Wie es aus den gebrachten Fotos sichtbar ist, macht die FlĂ€che der sich bildenden BlĂ€schen nach der Ultraschallbearbeitung im Laufe von 2 Sekunden von 3 bis zu 5 % aus, wobei die GrĂ¶ĂŸe der BlĂ€schen nicht weniger als 0,5 mm im Durchmesser ist. Bei der VerlĂ€ngerung der Einwirkdauer vergrĂ¶ĂŸern sich die meisten BlĂ€schen noch mehr und kommen auf die OberflĂ€che der SchmĂ€lze.

GasblĂ€schen, die eine bestimmte GrĂ¶ĂŸe erreicht haben, steigen auf die OberflĂ€che der FlĂŒssigkeit hinauf, und nehmen die nichtmetallischen Bestandteile mit, die sich an der Grenze zwischen den flĂŒssigen und gasförmigen Phasen befinden. Bei den existierenden Filtrierungsmethoden des flĂŒssigen Aluminiums, insbesondere durch Schaumkeramikfilter, wird die Entfernung ziemlich großen GasblĂ€schen aus der SchmĂ€lze bei der gegebenen Weise der Raffination kein Problem.

Die Entgiftungsstufe der SchmĂ€lze ist das vorbildlichste Kriterium fĂŒr die Bestimmung der Raffinationsleistung. Die Entgiftung ist eine Minderung des Gasgehaltes im fĂŒĂŸigen Zustand und auch als GasblĂ€schen verschiedener GrĂ¶ĂŸe sich dort befindet. Die Hauptcharakteristiken, die den Prozess der Entgiftung beschreiben sind die Geschwindigkeit der KonzentrationsverĂ€nderung in der FlĂŒssigkeit dC/dt und Quasigleichgewichtsverteilung der Gaskonzentration de Cp’, d.h. Konstante der Konzentration, die sich in der FlĂŒssigkeit bei Vorhandensein vom Ultraschallfeld in einiger Zeit formt.

Die VerĂ€nderung der Gaskonzentration in der FlĂŒssigkeit im akustischen Feld wird durch Formel beschreiben:

C = Cp ‘ + (C – Cp ‘) Đ”-n

wo C – Anfangskonzentration, t – Zeit, р – Parameter, der mit den akustischen Charakteristiken bestimmt wird – die SchallintensitĂ€t und die Schallschwingungsfrequenz.

Man unterscheidet zwei Regime der Ultraschallentgiftung: vor der Kavitation und bei der Kavitation. Im ersten Fall ist die Geschwindigkeit der KonzentrationsverĂ€nderung proportional der SchallintensitĂ€t, und ihre AbhĂ€ngigkeit von der Schallschwingungsfrequenz, was aufgrund der Verallgemeinerung der Daten des Experimentes bekommen wurde: dC/dt = B ~ht, wo B – Konstante fĂŒr vorliegende FlĂŒssigkeit ist, h – Schallfrequenz, die GrĂ¶ĂŸe Cp ‘ von der SchallintensitĂ€t und die Schallschwingungsfrequenz nicht abhĂ€ngt.

Der Einfluss der akustischen Schwingungen auf die bestimmte Kennziffer der Konzentration wird mit dimensionsloser GrĂ¶ĂŸe beschrieben:

y = (Cp- Cp ‘)/Cp

Wo Cp – Gleichgewichtskonzentration beim Ausbleiben des Schalls.

Beim statischen Druck in 1 AtmosphĂ€re und der Temperatur 20°Х macht die GrĂ¶ĂŸe “y” etwa 30 % aus. Mit der Senkung des statischen Drucks wĂ€chst der Parameter “y” und beim Druck 0,5 bar erreicht 70 %.

Beim Vorhandensein der Hohlraumbildung/Kavitation ist die Geschwindigkeit der KonzentrationsverĂ€nderung zur SchallintensitĂ€t auch proportional, aber wĂ€chst mit der VergrĂ¶ĂŸerung der letzten schneller, als in den Regime vor der Kavitation , da die Kavitation zur Beschleunigung der Absonderung des Gases aus der FlĂŒssigkeit beitrĂ€gt. Die GrĂ¶ĂŸe Cp ‘ behĂ€lt dabei die Bedeutung bei, die diesen aufgegebenen Bedingungen entspricht. Nur bei den sehr hohen Niveaus der SchallintensitĂ€t kann solche Regime der Schwingungen der KavitationsblĂ€schen realisiert werden, bei dem die weitere IntensitĂ€tserhöhung die Geschwindigkeitsminderung der Entgiftung herbeiruft.

Die modernen Vorstellungen ĂŒber den Ultraschallentgiftungsmechanismus sind mit der Annahme verbunden, dass in der FlĂŒssigkeit der Keime, in Form von stabilen GasblĂ€schen enthalten sind, die ĂŒber die besonderen Eigenschaften verfĂŒgen, unter hohem statischem Druck zu existieren. In den Milieus, wo die festen Beimischungen anwesend sind (zum Beispiel, in den FlĂŒssigmetallen), ist die Gasphase auch in der mikroskopischen UngleichmĂ€ĂŸigkeit ihrer OberflĂ€chen enthalten. Bei der SchallintensitĂ€t, die die Schwelle der Kavitation ĂŒbersteigt, können sich neu «Spaltkeime» entwickeln, die beim Schließen der BlĂ€schen entstehen, so dass die Gesamtzahl der Spaltkeime rapide wĂ€chst. Im ersten Stadium der Entgiftung pendeln die GasblĂ€schen im akustischen Feld und vergrĂ¶ĂŸern sich infolge der Diffusion des in ihnen aufgelösten Gases.

Der meiste Diffusionsstrom ist den BlĂ€schen eigen, deren eigene Schwingungsfrequenz mit der Sachallfrequenz ĂŒbereinstimmt, deshalb je nach der Auswahl der Frequenz und vom Charakter der Verteilung von BlĂ€schengrĂ¶ĂŸen beim “Umpumpen” in die BlĂ€schen des in die FlĂŒssigkeit aufgelösten Gases nimmt eine grĂ¶ĂŸere oder kleinere Zahl von ihnen teil. So funktioniert in diesem Stadium der Entgiftung der Mechanismus “einseitiger”, oder “gerichteter” Diffusion, die durch BlĂ€schenschwingungen bedingt ist.

Die akustischen Mikroströme beschleunigen solchen Stoffaustausch. Bei der Kavitation beschrĂ€nkt dieser Prozess die VergrĂ¶ĂŸerung der BlĂ€schenzahl, ihre Schließung wird gebremst und dadurch wird die Bildung von neuen «SpaltblĂ€schen» verringert. So erhöht die gerichtete Diffusion des Wasserstoffes bei der Kavitation im geschmolzenen Aluminium fĂŒr 2,5 Perioden der Schallwelle den Druck des Gases im BlĂ€schen mehr als auf vierfach.

Neben der Diffusion kann die VergrĂ¶ĂŸerung der BlĂ€schen von der Verschmelzung der BlĂ€schenpaare oder Gruppen unter dem Einfluss der hydrodynamischen KrĂ€fte, s.g. die Bjorken-KrĂ€fte bedingt sein. Im zweiten Stadium der Ultraschallentgiftung steigen die GasblĂ€schen, die eine bestimmte GrĂ¶ĂŸe erreicht haben, zur OberflĂ€che der FlĂŒssigkeit hinauf und heben sich heraus, zu dem trĂ€gt in den bestimmtem FĂ€llen die BlĂ€schenvergrĂ¶ĂŸerung durch die akustischen Strömungen und das Anwachsen der Hebekraft wegen des Schalldrucks bei. Außerdem wird die Ultraschallentgiftung des geschmolzenen Metalls in der Regel von seiner Raffination, d.h. die Befreiung von den nichtmetallischen Festeilen begleitet, die durch GasblĂ€schen flotierbar werden und auf die OberflĂ€che der Schmelze herausgefĂŒhrt werden.

Die von uns durchgefĂŒhrten Arbeiten zur praktischen Anwendung der Schwingungen der Ultraschallfrequenz im Strom des geschmolzenen Aluminiums haben die theoretischen Berechnungen vollstĂ€ndig bestĂ€tigt, wobei sich das Zusammenfallen der Ergebnisse zu 100 % nĂ€hert.

Unter Anwendung der von uns entwickelten Entgiftungsweise, ist die reale Möglichkeit der tieferen Reinigung des Metalls von den nichtmetallischen Bestandteilen entstanden.

Die Ultraschallentgiftung mir unserer Anlage verringert beim Gießen der Aluminiumlegierungen die Konzentration in ihnen enthaltenen Wasserstoffes mehr als in achtfach, was das Fehlervorhandensein in den Fertigwaren, wie Schichtungen, NichtdurchgĂ€ngigkeit/Ganzheit in den geschweißten Nahten usw. verringert macht.

Diese Anlage lĂ€sst zu, die Bearbeitung der FlĂŒssigmetalle durchzufĂŒhren, einschließlich des Gusseisens und Stahls, es ist praktisch in beliebigen Bedingungen möglich, das betrifft auch den Ausguss in die Gießformen, und das Gießen in Blockforme/Schalen, und ununterbrochenes Metallgießens