Способ предотвращения возникновения усадочной раковины в процессе кристаллизации металлов и/или сплавов

 

Использование: в металлургии и литейном производстве. Способ предотвращения возникновения усадочной раковины в процессе кристаллизации металлов и/или сплавов заключается в том, что кристаллизатор с расплавом окружают по боковой поверхности индуктором, причем основание кристаллизатора располагают на уровне или чуть выше средней линии по высоте индуктора. Затем кристаллизатор центрируют по отношению к индуктору, сразу же после заявки индуктор подключают к цепи электрического тока, причем сила тока в течение всего времени кристаллизации металла и/или сплава является постоянной величиной. После полного затвердевания электрическую цепь размыкают. В результате при правильно выбранном значении используемой силы тока образование, именуемое усадочной раковиной, обычно имеющее место в выплавленном материале, отсутствует полностью.

Изобретение относится к той области техники, где достигаемый результат невозможно получить без фазового превращения затрагиваемого объекта или части его, в частности металлургической.

Известен способ получения отливок, предусматривающий размещение кристаллизатора или литейной формы в индукторе, подключаемом к источнику тока. Этот известный способ позволяет получать более плотные отливки без значительных раковин и пористости.

Недостатком этого способа является невозможность получать отливки, в которых полностью отсутствуют усадочные раковины. Кроме того, способ требует большого расхода электроэнергии, что увеличивает себестоимость производимой продукции.

Задачей данного изобретения является ликвидация усадочной раковины, что в конечном итоге дает значительное уменьшение себестоимости выпускаемой продукции.

Способ заключается в следующем: кристаллизатор с расплавом размещают в индукторе с зазором от боковых стенок, основание кристаллизатора располагают на уровне или чуть выше его средней линии по высоте и центрируют по отношению к нему, индуктор подключают к источнику тока сразу же после заливки и поддерживают силу тока постоянной величины, обеспечивающей направленное движение зародышей твердой фазы к центральной точке на поверхности расплава до полного затвердевания металлов и/или сплавов, после чего электрическую цепь размыкают.

Для промышленных условий устройство, реализующее представляемую технологию, выглядит следующим образом.

Заливают выплавленное вещество в определенную емкость, у которой ее верхняя часть опоясана корпусом индуктора, не имеющего выпуклостей внутренней поверхности, подключенного к источнику тока, лучше постоянного.

Вообще, полезнее пользоваться индуктором, высота которого более чем в два раза превышает высоту емкости, причем при постановке ее дно должно находиться на уровне или чуть выше его средней линии.

Теоретический расчет показывает, что слабое магнитное поле силой менее одной десятой теслы воздействует на кристаллизующееся вещество с большой эффективностью. Полностью расчет публиковать не стоит, потому что он продвинет специалистов довольно далеко в теоретическом обосновании природы гравитации. А начинать его надо с интегрирования уравнения Био-Савар-Лапласа.

На практике происходит следующее природное явление, способствующее значительному увеличению выхода годного материала.

Слабое магнитное поле, в данном случае лучше пользоваться постоянным, которое можно рассматривать с достаточно высокой точностью как крайнее состояние переменного магнитного поля из-за отсутствия вектора перемагничивания, а, следовательно, и более продуктивного воздействия на объект в указанном диапазоне величин силовых линий магнитной индукции, позволяет превратить тип кристаллизации вещества из последовательного в объемный, из-за чего начало кристаллизационного процесса на стенках емкости отодвигается в сторону уменьшения температуры представляемого комплекса.

Это надо считать одним из возникающих эффектов, помогающих претворению в жизнь упоминающейся разработке, так как при охлаждении подавляющее большинство веществ, в частности металлов, изменяют свой объем в сторону уменьшения, из-за этого и получается в итоге усадочная раковина.

В настоящем случае ликвидация ее происходит вследствие градиента силовых линий индукции магнитного поля, наложенных на затвердевающийся расплав. Появляющиеся твердые вещества у стенок емкости начинают двигаться только к осевой линии и вверх при соответствующей форме индуктора и его постановки, потому что при увеличении размера зародыша в направлении, перпендикулярном оси индуктора, их магнитный момент уменьшается.

Ко всему прочему, если добавить, что жидкий металла вблизи точки температуры плавления имеет кластерное строение, то прилегающие к стенкам емкости слои расплава должны быть перегреты по отношению к общей массе атомов, потому что построение атомов в кластере намного больше похоже на структуру твердой фазы металла, нежели на беспорядочное расположение их, присущее жидкой фазе на достаточном удалении от точки температуры плавления исследуемого вещества, причем чем меньшая разница фактической температуры расплава и истинной температуры плавления рассматриваемого объекта, тем больший объем расплава охватывают кластеры и крупнее их размеры, а, следовательно, изложенное заметно влияет на изменение магнитного момента подавляющего количества массы частиц, из которых состоит описываемый расплав.

Хотя кластеры и имеют свойство постоянно сравнительно быстро изменять свою форму, но присоединяют к себе, в основном, более охлажденные атомы расплава, а отторгают предпочтительно перегретые по отношению к общей массе затрагиваемого вещества. Эта причина еще ускоряет течение частиц, обладающих повышенной температурой, к периферии объема.

В силу складывающихся обстоятельств упоминаемое также сказывается на оттоке твердой фазы от стенок емкости посредством подплавления ветвей кристаллов, какие в конкретной ситуации становятся аналогами зародышей предыдущих строк, как и тот факт, что абсолютная гомогенность вещества практически не достижима, а в данном случае этой целью часто не задаются, поэтому в расплаве обычно присутствует огромное количество различных примесей, некоторые из которых, взаимодействуя друг с другом, образуют достаточно крупные и тугоплавкие химические соединения, чтобы образовать обособленную фазу, которая в дальнейшем может служить в качестве подложки для возникновения кристаллов растворителя, так как гетерогенное зарождение требует меньших затрат энергии и с термодинамической точки зрения, которая является абсолютно правильной для надлежащей точности оговариваемого процесса, существенно предпочтительней любой другой. Следовательно, реакция, в какой используется катализатор, течет интенсивней остальных при прочих равных условиях, что при воздействии на данный объект магнитным полем увеличивает количество всплывающего материала основного компонента расплава.

Эта причина позволяет достичь оптимального условия предотвращения возникновения усадочной раковины при более низком значении величины силовых линий магнитной индукции.

В итоге имеют место три вида образования движущихся кристаллов растворителя, каждый из которых меняет свою пропорциональную долю относительно других в соответствии с окружающими условиями протекания процесса.

Все афишируемое нужно рассматривать в комплексе и в динамике, чтобы легче и лучше осознать происходящее природное явление.

В результате вышеназванного быстрее обычного закристаллизовывается поверхность расплава и его осевая, и верхняя часть. Причем место, где при нормальных условиях присутствует усадочная раковина, затвердевает одним из первых из-за постоянной подпитки расплавом данной части объема.

Достигается цель работы, предотвращается возникновение усадочной раковины в процессе кристаллизации вещества.

В металлургических условиях описываемое природное явление довольно сложно проследить, и для наглядности было выбрано вещество гипосульфит (тиосульфат натрия) Na₂S₂O₃5H₂O, которое обладает рядом желательных качеств для моделирования процесса кристаллизации.

Одно из важнейших свойств гипосульфита в конкретном случае это его низкая теплопроводность, которая растягивает процесс затвердевания во времени и тем самым дает возможность более подробно исследовать и ярче увидеть рассматриваемое, а также ненамного отличающаяся температура плавления от комнатной.

Правильность объясняемого подтверждается тем, что при наложении магнитного поля на расплав его затвердевание начинается при кажущейся температуре, показываемой термометром, помещенным в центр проектируемой окружности цилиндрического соленоида, равной значительно меньшей величине, чем истинная температура плавления гипосульфита.

Это происходит потому, что опытное вещество имеет низкую теплопроводность и, окруженное медным водоохлаждающим кристаллизатором, аккумулирует высокий градиент температуры по толщине объема.

Слой, соприкасающийся с холодильником, охлаждается до отметки ниже температуры плавления, но появляющиеся зародыши под действием магнитного поля приводятся в направленное движение, некоторые из которых при благоприятных условиях, соединяясь с соседними, достигают прибора, регистрирующего температуру расплава, где окончательно расплавляются, из-за чего непосредственно остывают близлежащие слои, так как исчезновение зародыша является реакцией эндотермической.

В расплаве металлов происходит та же картина, но из-за свойства хорошо проводить тепло температура переохлаждения металлического расплава в верхней осевой части будет намного ниже.

Если предположить, что показания термометра соответствуют действительной температуре расплава, а вещество не начинает кристаллизоваться вовремя из-за того, что нет надлежащих условий для этого, то настоящее не выдерживает критики, потому что, когда включают магнитное поле, ртутный столбик термометра быстро поднимается до величины, значительно превышающей температуру плавления вещества, хотя исследуемый объект продолжает находиться под влиянием включенной остужающей установки.

С увеличением силы магнитного поля, воздействующего на расплав, график температуры переохлаждения проходит при некотором значении через экстремум максимума.

Данный факт объясняется следующим образом.

При увеличении значения силовых линий магнитной индукции возрастает скорость движения частиц твердой фазы в расплаве настолько, что при достижении центральной точки на поверхности расплава зародыши не успевают расплавиться, а, увлекаемые течением жидкой фазы, которое развивается также в соответствии с изменением силы накладываемого магнитного поля, удаляются от тела термометра, где окончательно расплавляются.

Формула изобретения

Способ предотвращения возникновения усадочной раковины в процессе кристаллизации металлов и/или сплавов, включающий окружение кристаллизатора с расплавом по боковой поверхности индуктором, подключение его к источнику тока, отличающийся тем, что основание кристаллизатора размещают на уровне или чуть выше его средней линии по высоте и центрируют по отношению к нему, к источнику тока индуктор подключают сразу же после заливки и поддерживают силу тока постоянной величиной, обеспечивающей направленное движение зародышей твердой фазы к центральной точке на поверхность расплава до полного затвердевания металлов и/или сплавов, после чего электрическую цепь размыкают.