ISO 9001:2015
SCC*
SoKa Bau

Ефективність рафінування рідкого алюмінію при впливі на розплав коливань ультразвукової частоти

Ця стаття була надана нашою партнерською компанією DEMIN SRM GmbH (www.demin-srm.de).

Присутність у металах та його сплавах сотих і навіть тисячних часток відсотка газових і неметалевих домішок значно знижує їхню міцність і пластичність. Для очищення металів від небажаних домішок газів, оксидів, нітридів та інших неметалевих включень розроблено комплекс технологічних операцій, які можна поєднати загальним поняттям «рафінування». Процес рафінування має значення для підвищення якості металів і сплавів.

Очищення рідкого металу від неметалевих включень полягає у виділенні на поверхню розплаву найдрібніших газових бульбашок і частинок оксидів, нітридів, сульфідів та інших сполук, які у звичайних умовах залишаються у розплаві та потрапляють у злиток. В останні роки все частіше використовують комбіновані методи рафінування – адсорбційні та фізичні.

При рафінуванні адсорбційним методом розплав вводять інертні або активні гази, а також тверді речовини, що легко розкладаються на газоподібні продукти. Внаслідок низького тиску всередині цих газових бульбашок в них дифундують розчинені в металі водень, азот та інші гази, а на поверхні бульбашок адсорбуються тверді частинки неметалевих включень. Після досягнення значних розмірів бульбашки речовин, що рафінують, спливають на поверхню розплавленого металу. Для досить повного видалення неметалевих включень з розплаву необхідно пропустити через метал велику кількість речовин, що рафінують, що не завжди є доцільним і можливим.

При рафінуванні фізичним методом, зокрема вакуумуванням, потрібне додаткове обладнання та час на обробку металу.

В даний час ультразвукові методи впливу на метал, що знаходиться в рідкій фазі, стають найбільш привабливими і ефективними. Застосування ультразвукових коливань для впливу на ряд технологічних процесів при отриманні та обробці металів та сплавів досить відоме та теоретично обґрунтоване. Проте, практичне застосування ефекту ультразвукової дегазації, пов’язане з цілою низкою невирішених проблем і, в першу чергу, — це спосіб введення коливань у розплав.

З метою вирішення цих проблем, нами була створена установка, що дозволяє впливати коливаннями ультразвукового діапазону на рідкий метал, що знаходиться в потоці, з регульованою інтенсивністю і різною амплітудою коливань.

Нижче, як наочний приклад, наведені фотографії шліфів виливків алюмінієвого сплаву в натуральну величину:

Зразок без обробки
Зразки, що зазнали обробки коливаннями з частотою 18,5 кГц протягом 2 і 5 секунд

На фото №1 показаний зразок без обробки, на фото 2, 3 і 4 показані зразки коливаннями, що піддалися обробці, з частотою 18,5 кГц протягом 2; 5 та 8 секунд відповідно.

 

Як видно з наведених фотографій, площа бульбашок, що утворилися після ультразвукової обробки протягом 2 секунд становить від 3 до 5%, причому розмір бульбашок не менше 0,5 мм в діаметрі. При збільшенні часу обробки більшість бульбашок укрупнюється і йде поверхню розплаву.

Пухирці газу, що досягли певного розміру, піднімаються на поверхню рідини, захоплюючи з собою неметалеві включення, які розташовуються на межі розділу рідкої та газоподібної фаз. При існуючих методах фільтрації рідкого алюмінію, зокрема, через пінокерамічні фільтри, вирішити питання про видалення з розплаву отриманих при даному способі рафінування досить великих бульбашок газу, не становить жодної складності.

Ступінь дегазації розплаву є найбільш показовим критерієм визначення ефективності рафінування. Дегазація – це зменшення вмісту газу в рідині, що знаходиться в ній як у розчиненому стані, так і у вигляді бульбашок різного розміру. Основні характеристики описують процес дегазації – швидкість зміни концентрації газу в рідині dC/dt і квазірівна концентрація газу Ср’, тобто постійна концентрації, яка встановлюється в рідині за наявності ультразвукового поля через деякий проміжок часу.

Зміну концентрації газу в рідині в акустичному полі описують виразом:

С = Ср ‘+ (С – Ср’)е-n

де З – початкова концентрація, t – час, р – параметр, що визначається акустичними характеристиками – інтенсивністю звуку та частотою звукових коливань.

Розрізняють два режими ультразвукової дегазації: докавітаційний та за наявності кавітації. У першому випадку швидкість зміни концентрації пропорційна інтенсивності звуку, а її залежність від частоти, отримана на основі узагальнення даних експерименту, має вигляд: dC/dt = В ~ ht, де В – постійна величина, властива даній рідині, h – частота звуку, величина Ср’ від інтенсивності звуку та частоти не залежить.

Вплив акустичних коливань на значення концентрації, що встановилося, характеризується безрозмірним параметром:

у = (Ср – Ср ‘) / Ср

де Ср – рівноважна концентрація без звуку.

При статичному тиску 1 атмосферу і температурі 20°С величина «у» становить близько 30%. Зі зниженням статичного тиску параметр «у» зростає і при тиску 0,5 атм. сягає 70%.

За наявності кавітації швидкість зміни концентрації також пропорційна інтенсивності звуку, але зростає зі збільшенням останньої швидше, ніж у докавітаційному режимі, оскільки кавітація сприяє прискоренню виділення газу з рідини. Величина Ср’ зберігає при цьому значення, що відповідає заданим умовам. Лише за дуже високих рівнях інтенсивності звуку може реалізуватися такий режим коливань кавітаційних бульбашок, у якому подальше зростання інтенсивності викликає зменшення швидкості дегазації.

Сучасні уявлення про механізм ультразвукової дегазації пов’язані з припущенням про наявність у рідині зародків, у вигляді стабільних бульбашок газу, що володіють особливими властивостями, які забезпечують можливість тривалого існування навіть при високих статичних тисках. У середовищах, де присутні тверді домішки (наприклад, рідких металах), газова фаза міститься також у мікроскопічних нерівностях їх поверхонь. При інтенсивності звуку, що перевищує поріг кавітації, можуть формуватися нові «осколкові» зародки, що виникають при захлопуванні бульбашок, так що загальна кількість бульбашок-зародків різко зростає. На першій стадії дегазації бульбашки газу коливаються в акустичному полі та збільшують свої розміри внаслідок дифузії розчиненого у них газу.

Найбільший дифузійний потік властивий тим бульбашкам, власна частота коливань яких збігається з частотою звуку, тому в залежності від вибору частоти і від характеру розподілу бульбашок за розмірами в процесі «перекачування» у бульбашки розчиненого в рідині газу бере участь більша чи менша їх кількість. Таким чином, на цій стадії дегазації діє механізм «односторонньої» або «спрямованої» дифузії, обумовлений коливаннями бульбашки.

Акустичні мікропотоки прискорюють такий масообмін. При кавітації цей процес обмежує зростання кількості бульбашок, гальмуючи їхнє захлопування і зменшуючи цим формування нових «уламкових» бульбашок. Так, при кавітації в розплавленому алюмінії за 2,5 періоду звукової хвилі спрямована дифузія водню підвищує тиск газу бульбашці більш ніж на чотири порядки.

Поряд з дифузією збільшення розмірів бульбашок може бути обумовлене злиттям пар або груп бульбашок під дією сил гідродинамічного походження, т.з. сил Бьоркнеса. На другій стадії ультразвукової дегазації бульбашки газу, що досягли певного розміру, піднімаються до поверхні рідини і виділяються, чому сприяє ряді випадків захоплення бульбашок акустичними течіями і зростання підйомної сили за рахунок тиску звукового випромінювання.

Крім того, ультразвукова дегазація розплавленого металу супроводжується, як правило, його рафінуванням, тобто звільненням від неметалевих твердих включень, що флотуються газовими бульбашками та виводяться на поверхню розплаву.

Проведені нами роботи з практичного застосування коливань ультразвукової частоти в потоці розплавленого алюмінію повністю підтвердили теоретичні викладки, причому збіг результатів наближається до 100%.

Таким чином, із застосуванням розробленого нами способу дегазації з’явилася реальна можливість застосування більш глибокого очищення металу від неметалевих включень.

Застосування ультразвукової дегазації з використанням нашої установки при лиття алюмінієвих сплавів, більш ніж у вісім разів знижує концентрацію в них водню, що зменшує ймовірність появи готових виробів дефектів типу пористості, розшарування, несплошності в зварних швах і т.д.

Створена установка дозволяє проводити обробку рідких металів, у тому числі чавуну та сталі, практично в будь-яких умовах – це стосується і заливання у ливарні форми, і розливання у виливниці, і безперервне розливання металу.