Developments of the PTIMA NASU in the Field of Magnetohydrodynamics
(History, State, and Prospects – Part II)
There are viewed one of advanced directions of scientific activity of the PTIMA NASU, namely using of magnetohydrodynamics in casting and metallurgy. The concrete developments and their practical use on the well-known enterprises are presented.
История, состояние, перспективы. Часть 2
В статье описывается развитие одного из перспективных направлений научной деятельности ФТИМС НАН Украины, связанного с применением магнитной гидродинамики в литейных и металлургических технологиях. Также представлены конкретные прикладные разработки и примеры их внедрения на известных предприятиях.
В.И. Дубоделов, д.т.н., профессор, член-корреспондент НАН Украины,
зав. отделом магнитной гидродинамики, М.С. Горюк, к.т.н., старший научный
сотрудник отдела магнитной гидродинамики, ФТИМС НАН Украины, г. Киев
Наряду с описанными в первой части статьи экспериментальными исследованиями был выполнен комплекс работ, касающихся применения магнитодинамических насосов (МДН) и установок (МДУ) в процессах транспортировки и дозированной разливки жидких металлов.
Так, для управляемого перемещения металлических расплавов, в частности, магниевых сплавов, были разработаны специальные двухзонные магнитодинамические насосы МДН-4М с Ф-образным каналом и металлотрактами из нержавеющей стали. Эти устройства были съемными, их устанавливали над емкостью с металлическим расплавом, в которую их можно было погружать заборным металлопроводом. Они прошли успешную промышленную апробацию на Мелитопольском заводе «Автоцветлит» при закрытом переливе магниевого сплава МЛ5 из плавильной печи в раздаточную. При этом МДН транспортировал сплав из индукционной тигельной печи емкостью 300 кг по протяженному металлопроводу (около 10 м) из нержавеющей стали Х18Н10Т с расходом 1,5 кг/с (работы М.Р. Цина, В.П. Полищука, В.И. Дубоделова, А.С. Зенкина, Н.Р. Ароновой и др.
Подобные магнитогидродинамические (МГД) устройства были также внедрены в России на НПО «ВИЛС» (рис. 7, а) вместо центробежных насосов для закрытой подачи магния из печи в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок. При этом исследования, проведенные сотрудниками отдела магнитной гидродинамики (ОМГД) ФТИМС НАН Украины с участием А.А. Рогозинского, Г.С. Макарова и В.Д. Мищенко, показали, что общий брак вследствие снижения загрязненности неметаллическими включениями уменьшился с 3,66 до 2,03 %. Эти работы, проводившиеся на базовом металлургическом предприятии, способствовали получению высококачественных слитков для авиакосмической отрасли. Применение таких МГД устройств для фасонного литья крупных кокильных отливок массой 100–500 кг на заводе «Моторсич» (рис. 7, б) позволило в 2 раза улучшить пластические свойства металла и обеспечить экономию магния до 10 %.
Значительный объем исследований был посвящен использованию магнитодинамических установок МДН-6 в качестве миксеров-дозаторов металлических расплавов. Ввиду того, что переливы ухудшают качество металла, важно было обеспечить возможность дозированной разливки приготовленных в таких агрегатах сплавов без дополнительных переливов.
Были выполнены исследования различных способов дозирования жидких металлов и сплавов с помощью магнитодинамических миксеров-дозаторов. В частности, была показана возможность дозирования металлических расплавов по времени, объему и весу в процессе их управляемой порционной электромагнитной разливки (работы В.А. Самсоника). Разработаны технологические приемы, режимы литья и методы контроля параметров процесса разливки, при реализации которых погрешность дозирования составляла 2–4 %. При этом максимальная точность порционной разливки достигалась при дозировании по весу (работы К.С. Богдана), а минимальная — по времени. С уменьшением величины дозы погрешность возрастала. Были выработаны технические решения, направленные на повышение точности дозирования, в том числе за счет увеличения давления при разливке, управления инерционностью движения металлических потоков, корректировки времени дозирования и пр., разработаны схемы компоновки магнитодинамических миксеров-дозаторов с машинами литья под давлением, кокильными установками и автоматическими литейными линиями.
В 1973 г. по разработкам ОМГД с привлечением персонала и производственных возможностей СКТБ Института и при активном участии В.П. Полищука, Г.В. Тевоньяна и А.В Марушевского было организовано серийное производство различных модификаций магнитодинамических установок для алюминиевых и цинковых сплавов на Киевском экспериментальном заводе нестандартного оборудования (КОЭЗНО), а для сплавов на основе меди при участии И.П. Чернобривцева, М.Ф. Гаврутенко и А.В. Лало — на Киевском предприятии «Промарматура» и Саратовском подшипниковом заводе.
Успешное решение поставленных научных и технологических задач позволило обеспечить широкое внедрение МДУ для цветных металлов и сплавов в промышленности бывшего СССР (около 400 миксеров-дозаторов алюминиевых и цинковых сплавов и около 50 аналогичных агрегатов — для сплавов на основе меди, в первую очередь — латуни). При этом на ряде предприятий, в частности, ПО «ВАТРА» (Украина), УМПО и «ЭЛИКОН» (Россия), магнитодинамические установки были включены в состав автоматических комплексов литья алюминиевых сплавов под давлением, которыми оснащались целые цеха (рис. 8).
Магнитодинамическое оборудование экспортировалось также за рубеж, в том числе в США, Германию, Францию, Бельгию, Венгрию и Румынию.
Повышение требований к качеству литья из алюминиевых сплавов и выходу годных заготовок способствовало созданию на базе магнитодинамических установок новых оригинальных литейных процессов и МГД оборудования для их реализации. Были разработаны и внедрены в производство способ и установка для литья алюминиевых сплавов под низким электромагнитным давлением (ЛЭМД) вместо традиционного газового давления (рис. 9), что стало результатом совместной разработки отделов магнитной гидродинамики и механики жидких и затвердевающих сплавов ФТИМС НАН Украины. Это позволило увеличить выход годных отливок до 70–75 % за счет сокращения массы литниковой системы, повысить их качество и улучшить технологичность оборудования.
Дальнейшим развитием этой технологии стал новый процесс литья заготовок из алюминиевых сплавов под электромагнитным давлением с использованием незатвердевающей рассредоточенной литниково-питающей системы (РАСЛИТ-ЛЭМД-процесс), а также оригинальное оборудование для его реализации (рис. 10), предложенное и разработанное Ф.М. Котлярским, Г.П. Борисовым, В.Н. Фикссеном, В.И. Беликом и др. Применение этой разработки на Минском подшипниковом заводе позволило повысить выход годных отливок сепараторов подшипников качения на 9 %, а их высокое качество дало возможность заменить латунь алюминиевыми сплавами. Кроме того, РАСЛИТ-ЛЭМД-процесс, благодаря уменьшению расхода металла на литники, позволяет довести коэффициент использования металла до 98 % в зависимости от конструкции отливки.
В последующие годы усилия разработчиков магнитодинамического оборудования и технологий были направлены на расширение функциональных возможностей магнитодинамических установок. Проведенные исследования показали, что такие предпосылки создает использование частоты питающего электрического тока в качестве управляющего воздействия. Так, варьированием частоты тока в диапазоне 50–500 Гц можно существенно изменять тепловые и напорные характеристики МДУ установки, повышать или понижать интенсивность нагрева жидкого металла, управлять характером течений металлических расплавов в каналах магнитодинамических установок, оказывать положительное влияние на качество металла (работы М.Р. Цина, В.И. Шеховцова, В.К. Шнурко).
Результаты этих исследований были успешно использованы при разработке новых магнитодинамических установок с повышенными расходными характеристиками (до 14 кг/с), выполненными по заказу компании Dong San Tech. (Республика Корея), на заводах которой частота тока в сети составляла 60, а не 50 Гц, как в Украине.
Питание обмоток МДУ токами разных частот дало возможность реализовать в таких МГД агрегатах режимы модуляции электромагнитной силы. Их технологическое применение существенно расширяет функциональные возможности оборудования. В частности, вследствие нивелирования влияния на течение металла в рабочей зоне МДУ вихревых структур представилось возможным осуществить разливку алюминиевых сплавов с более низкими, чем без модуляции, расходами, и стабилизировать колебание уровня расплава в сливном металлопроводе, что важно для дозированной разливки сплавов и литья под низким давлением. Кроме того, возникающие при модулировании устойчивые низкочастотные пульсации давления позволили в 2,5–3,5 раза интенсифицировать процессы растворения легирующих добавок в жидкометаллических растворителях, находящихся в МДУ, а также обеспечили формирование в отливках более дисперсной структуры при литье под низким электромагнитным давлением. Результаты таких исследований были использованы при разработке магнитодинамической установки для Нидерландов (работы В.Н. Фикссена, Н.А. Слажнева и др.).
Измельчению структуры алюминиевых сплавов способствовала также их теплосиловая обработка в МДУ с использованием пинч-эффекта, инициируемого в металле токами повышенной плотности. При этом в сплавах АК7, АК5М2, А356 и А390 в 2–3 раза уменьшились размеры структурных составляющих и обеспечивалось их более равномерное распределение (работы Н.А. Слажнева, Ю.П. Скоробагатько и др.).
Значительный объем исследований был по-священ определению рациональных режимов приготовления алюминиевых деформируемых скандийсодержащих сплавов различных систем в вакуумных магнитодинамических установках, совмещенных с оригинальной машиной полунепрерывного литья заготовок. Были определены рациональные массовые доли скандия и других микролегирующих добавок в таких сплавах. У металлопродукции механические
и эксплуатационные свойства возрастали на 30-40 % при оптимальных режимах обработки в вакуумных МДУ и полунепрерывной разливке. Такие исследования проводились совместно с Институтом электросварки им. Е.О. Патона и Институтом проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины по контрактам с американской фирмой «Ашурст» и при выполнении проекта Украинского научно-технологического центра (работы В.И. Дубоделова, Л.П. Пужайло, Ю.В. Мильмана, А.Я. Ищенко и др.).
Комплекс оригинальных материаловедческих исследований завершился созданием новых МГД технологий получения сплавов монотектических систем с областью несмешивания в жидком состоянии. При этом за счет управляемых электромагнитных воздействий (использование переменных и постоянных магнитных полей) на стадии эмульгирования фаз расплава и его затвердевания были получены металлические материалы с однородным распределением дисперсной композитной фазы для сплавов разных систем, в частности Cu-Cr-Fe-C (работы Б.А. Кириевского, В.А. Середенко, В.В. Христенко, Е.В. Середенко и др.).
В основу этих работ был положен принцип уравновешивания металлической капли в жидкометаллической системе, находящейся в электромагнитном поле, а также дифференцирования силовых МГД воздействий на фазы сплава, обладающие различной проводимостью. Такие подходы позволили получать сплавы типа «замороженной эмульсии» с дисперсной равномерно распределенной в матрице композитной фазой и высокой плотностью включений.
В частности, в сотрудничестве с разработчиком такого сплава проф. Б.А. Кириевским были получены литые изделия без термообработки из сплава медь-хромистый чугун с температурным порогом стойкости 800 °С, в то время как для дисперсно-упрочненных традиционных сплавов системы Cu-Cr температурный порог стойкости составил 500 °С, причем при условии применения длительной дорогостоящей термообработки. Такие материалы показали хорошую стойкость в качестве электродов контактной сварки арматуры. Их можно применять и в других областях техники, например, в контактных электросетях.
Было показано, что использованные при получении сплавов монотектических систем научно-технические решения могут успешно использоваться и в космических технологиях (работы В.И. Дубоделова, В.А. Середенко, А.А. Щербы).
Значительный объем научных исследований и технологических разработок выполнен при создании магнитодинамических миксеров-дозаторов для черных металлов. Сложность этих работ была обусловлена достаточно высокой температурой плавления и разливки железоуглеродистых сплавов (1350–1600 °С), что потребовало при создании магнитодинамических миксеров-дозаторов применения толстостенных каналов. Это, в свою очередь, привело к увеличению технологических зазоров и повышению сопротивления среды при проникновении магнитного потока в жидкий металл. Особенно негативно указанные факторы отразились на величине магнитного поля электромагнита, индукция которого в рабочей зоне МГД агрегатов в этом случае не превышала 0,1 Тл.
Другой комплекс проблем при создании такого магнитодинамического оборудования касался стойкости огнеупоров, входящих в состав узлов МДУ и взаимодействующих с высокотемпературными, химически агрессивными металлическими расплавами и их шлаками. В результате проведенных исследований были оптимизированы геометрические параметры рабочей зоны и индукционной единицы магнитодинамических установок, определены рациональные сечения магнитопроводов индукторов и электромагнита, характеристики их обмоток, разработаны технические решения по компоновке основных узлов такого МГД оборудования. Показано, что основной причиной выхода огнеупорных каналов магнитодинамических установок из строя является пропитка металлом их футеровки в рабочей зоне. Установлено, что для каналов МДУ для чугуна можно применять набивные муллито-корундовые огнеупорные массы типа ММК-72 и корундовые — типа МК-80, а при работе со сталью — корундовые массы типа МК-90. Была предложена оригинальная компоновка индукционной единицы с тиглем, обеспечивающая меньшую нагрузку столба металла на футеровку и, главное, позволяющая производить выдачу расплава непосредственно из канала — основной зоны тепловыделения (работы В.П. Полищука, В.К. Погорского, П.И. Загоровского и др.).
Продолжение в следующем номере
