Кристаллизация металлов

Одно из направлений деятельности «Александра-Плюс» — разработка и внедрение ультразвуковых технологий для нужд металлургической промышленности и, в частности, специального оборудования для кристаллизации металлов.

Ультразвуковая обработка расплава до кристаллизации и в процессе затвердевания слитка улучшает структуру и механические свойства производимого металла. Ультразвуковые колебания изменяют условия зарождения и роста кристаллов и тем самым позволяют получать измельчённую структуру поликристалла с улучшенными физико-механическими свойствами.

Всё ультразвуковое оборудование для обработки жидкого металла можно условно разделить на две группы по способу воздействия:

• прямое воздействие на расплав;
• воздействие через стенки кристаллизатора или изложницы.

Ультразвуковое оборудование для прямого воздействия на расплав

В литейных ваннах, миксерах, изложницах, кристаллизаторах и в процессе транспортировки расплава по металлопроводам воздействовать на металл можно, вводя в расплав волновод, передающий ультразвуковые колебания.

Системы прямого ультразвукового воздействия на расплав позволяют:

• интенсифицировать процесс дегазации;
• разрушить и равномерно распределить неметаллические включения;
• улучшить жидкотекучесть металла;
• дополнительно перемешивать расплав.

Введение волноводов в жидкий металл в изложнице или кристаллизаторе, ко всему прочему, препятствует образованию дендритов и позволяет сформировать более однородную и мелкозернистую структуру слитка, поскольку ультразвук в этом случае воздействует непосредственно в момент кристаллизации.

Узким местом систем прямого воздействия на расплав является волновод, точнее материал, из которого он изготавливается. Волновод должен обладать высокой жаропрочностью и стойкостью против эрозии и растворения в расплаве. Необходимо отметить, что под действием ультразвуковых колебаний растворяются даже самые тугоплавкие металлы. В настоящее время проблема применения волноводов для прямого воздействия на расплав решена лишь частично и лишь для цветных металлов. Решена с помощью применения волноводов из высокоплотного графита и керамики. Такие волноводы могут успешно применяться для обработки сплавов на основе алюминия и меди. В некоторых случаях возможно применение титановых волноводов.

Другим решением проблемы растворения волноводов при прямом воздействии на расплав стала технология, основанная на применении так называемых расходуемых волноводов.

Расходуемые волноводы представляют собой «бесконечную» ленту или проволоку, которая подается в расплав с помощью трайб-аппарата. При прохождении через трайб-аппарат на ленту накладываются ультразвуковые колебания, которые вместе с ней передаются в расплав. Здесь расходуемый волновод выступает еще и в роли макрохолодильника, который позволяет понизить температуру перегрева расплава. А это наряду с образованием дополнительных центров кристаллизации способствует снижению таких внутренних дефектов заготовок, как:

• осевая ликвация;
• осевая и подкорковая пористость;
• развитая столбчатая структура.

Например, применительно к непрерывной разливке стали, обработка расплава с помощью ввода расходуемых волноводов (стальная лента, проволока) позволяет управлять кристаллизацией заготовки и достигать значительного эффекта по улучшению ее макроструктуры за счет следующих факторов:

• снижение перегрева стали благодаря плавлению волновода-макрохолодильника в расплаве способствует расширению зоны равноосных кристаллов, что улучшает качество макроструктуры литой заготовки;
• высокочастотные колебания, передаваемые расплаву с помощью волновода-макрохолодильника, воздействуют на фронт кристаллизации, что также улучшает макроструктуру заготовки;
• регулирование скорости ввода волновода-макрохолодильника в кристаллизатор позволяет сохранять величину перегрева металла в жидкой лунке кристаллизующейся заготовки в течение разливки всей плавки.

Ультразвуковое оборудование для воздействия на расплав через стенки кристаллизатора или изложницы

В этом случае колебания накладываются на стенки кристаллизатора или изложницы и уже через них передаются в расплав.

Оснащение штатных кристаллизаторов ультразвуковыми модулями, помимо улучшения внутренней структуры слитка, позволяет уменьшить трение между затвердевшим металлом и внутренними стенками кристаллизатора, что в свою очередь приводит к улучшению качества поверхности слитка и уменьшению усилия вытягивания, а, следовательно, к уменьшению потребляемой электроэнергии. Снижение трения при дальнейшей эксплуатации позволяет снизить износ формирующих стенок кристаллизатора.

Что мы предлагаем:

Мы предлагаем как оборудование для прямого ультразвукового воздействия на расплав, так и ультразвуковые системы для оснащения штатных кристаллизаторов. У нас нет стандартного универсального оборудования, которое подошло бы везде. Но у нас есть все необходимые знания, отличные специалисты и производственные мощности, чтобы спроектировать и изготовить ультразвуковое оборудование специфичное для каждого конкретного случая.

Понимая, что описанная технология довольно мало распространена (хотя известны разработки, начиная с 60-х годов) и вызывает много вопросов, мы можем предложить разные варианты сотрудничества.

К примеру — на первом этапе это может быть опытно-промышленное опробование без закупки оборудования:

• мы разрабатываем и изготавливаем специальную оснастку для размещения ультразвуковой системы на литейном оборудовании заинтересованного предприятия;
• наши специалисты выезжают на место и проводят монтаж, пусконаладку и обучение специалистов правилам эксплуатации и настройки оборудования;
• в течение месяца оборудование находится в эксплуатации, и заказчик анализирует эффект от его применения;
• по результатам анализа делается вывод о целесообразности приобретения.

Если же ультразвук предполагается использовать для какого-то «хитрого» сплава, и нет уверенности в эффекте, мы можем посодействовать в организации лабораторных испытаний у наших давних и надёжных научных партнёров из МИСиС.