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

Das Vorhandensein in den Metallen und ihren Legierungen hundertsten und sogar tausendsten Prozentteile von Gas- und nicht metallischen Beimischungen verringert ihre Haltbarkeit und die Plastizität wesentlich. Für die Metallreinigung von den unerwünschten 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 für die Qualitätssteigerung der Metalle und Legierungen.

Die Reinigung des Flüssigmetalls von den nichtmetallischen Beimischungen besteht in der Absonderung auf die Schmelze Oberfläche winzigen Gasbläschen 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 zugeführt, sowie die festen Stoffe, die in die gasförmigen Produkte leicht zerlegt werden. Infolge des niedrigen Drucks innerhalb dieser Gasbläschen diffundieren dorthin die im Metall aufgelösten Wasserstoff, Stickstoff und andere Gase ein, und auf der Oberfläche der Gasbläschen werden die festen Teilchen der nichtmetallischen Bestandteile adsorbiert. Nach der bestimmten Größe Erreichen tauchen die Bläschen der raffinierenden Stoffe auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls auf. Für 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 zweckmäßig und möglich ist.

Bei der Raffination durch die physische Methode, insbesondere durch die Vakuumbehandlung wird die zusätzliche Ausrüstung und Zeit für die Metallbearbeitung notwendig.

Zurzeit werden die Ultraschallmethoden für die Einwirkung auf das Metall in der flüssigen Phase besonders attraktiv und wirksam. Die Anwendung des Ultraschalls, um die Einwirkung auf ganze Reihe der technologischen Prozesse auszuüben, ist bei der Produktion und Bearbeitung der Metalle und der Legierungen genug bekannt und ist theoretisch begründet. 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 Einführung der Schwingungen in die Schmelze.

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

Es sind weiter, als anschauliches Beispiel die Fotografien der Abgussschliffen der Aluminiumlegierung in Naturalgröße gebracht:

Muster ohne Bearbeitung

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.

das Muster ohne Bearbeitung

die Muster, die von den Schwingungen mit der Frequenz 18 Kilohertz im Laufe von 2; 5 und 8 Sekunden, beeinflusst waren.

Wie es aus den gebrachten Fotos sichtbar ist, macht die Fläche der sich bildenden Bläschen nach der Ultraschallbearbeitung im Laufe von 2 Sekunden von 3 bis zu 5 % aus, wobei die Größe der Bläschen nicht weniger als 0,5 mm im Durchmesser ist. Bei der Verlängerung der Einwirkdauer vergrößern sich die meisten Bläschen noch mehr und kommen auf die Oberfläche der Schmälze.

Gasbläschen, die eine bestimmte Größe erreicht haben, steigen auf die Oberfläche der Flüssigkeit hinauf, und nehmen die nichtmetallischen Bestandteile mit, die sich an der Grenze zwischen den flüssigen und gasförmigen Phasen befinden. Bei den existierenden Filtrierungsmethoden des flüssigen Aluminiums, insbesondere durch Schaumkeramikfilter, wird die Entfernung ziemlich großen Gasbläschen aus der Schmälze bei der gegebenen Weise der Raffination kein Problem.

Die Entgiftungsstufe der Schmälze ist das vorbildlichste Kriterium für die Bestimmung der Raffinationsleistung. Die Entgiftung ist eine Minderung des Gasgehaltes im füßigen Zustand und auch als Gasbläschen verschiedener Größe sich dort befindet. Die Hauptcharakteristiken, die den Prozess der Entgiftung beschreiben sind die Geschwindigkeit der Konzentrationsveränderung in der Flüssigkeit dC/dt und Quasigleichgewichtsverteilung der Gaskonzentration de Cp', d.h. Konstante der Konzentration, die sich in der Flüssigkeit bei Vorhandensein vom Ultraschallfeld in einiger Zeit formt.

Die Veränderung der Gaskonzentration in der Flüssigkeit im akustischen Feld wird durch Formel beschreiben:

C = Cp ' + (C - Cp ') е-n

wo C - Anfangskonzentration, t - Zeit, р - Parameter, der mit den akustischen Charakteristiken bestimmt wird - die Schallintensität und die Schallschwingungsfrequenz.

Man unterscheidet zwei Regime der Ultraschallentgiftung: vor der Kavitation und bei der Kavitation. Im ersten Fall ist die Geschwindigkeit der Konzentrationsveränderung proportional der Schallintensität, und ihre Abhängigkeit von der Schallschwingungsfrequenz, was aufgrund der Verallgemeinerung der Daten des Experimentes bekommen wurde: dC/dt = B ~ht, wo B - Konstante für vorliegende Flüssigkeit ist, h - Schallfrequenz, die Größe Cp ' von der Schallintensität und die Schallschwingungsfrequenz nicht abhängt.

Der Einfluss der akustischen Schwingungen auf die bestimmte Kennziffer der Konzentration wird mit dimensionsloser Größe beschrieben:

y = (Cp- Cp ')/Cp

Wo Cp - Gleichgewichtskonzentration beim Ausbleiben des Schalls.

Beim statischen Druck in 1 Atmosphäre und der Temperatur 20°С macht die Größe "y" etwa 30 % aus. Mit der Senkung des statischen Drucks wächst der Parameter "y" und beim Druck 0,5 bar erreicht 70 %.

Beim Vorhandensein der Hohlraumbildung/Kavitation ist die Geschwindigkeit der Konzentrationsveränderung zur Schallintensität auch proportional, aber wächst mit der Vergrößerung der letzten schneller, als in den Regime vor der Kavitation , da die Kavitation zur Beschleunigung der Absonderung des Gases aus der Flüssigkeit beiträgt. Die Größe Cp ' behält dabei die Bedeutung bei, die diesen aufgegebenen Bedingungen entspricht. Nur bei den sehr hohen Niveaus der Schallintensität kann solche Regime der Schwingungen der Kavitationsbläschen realisiert werden, bei dem die weitere Intensitätserhöhung die Geschwindigkeitsminderung der Entgiftung herbeiruft.

Die modernen Vorstellungen über den Ultraschallentgiftungsmechanismus sind mit der Annahme verbunden, dass in der Flüssigkeit der Keime, in Form von stabilen пузырьков des Gasbläschen enthalten sind, die über die besonderen Eigenschaften verfügen, unter hohem statischem Druck zu existieren. In den Milieus, wo die festen Beimischungen anwesend sind (zum Beispiel, in den Flüssigmetallen), ist die Gasphase auch in der mikroskopischen Ungleichmäßigkeit ihrer Oberflächen enthalten. Bei der Schallintensität, die die Schwelle der Kavitation übersteigt, können sich neu «Spaltkeime» entwickeln, die beim Schließen der Bläschen entstehen, so dass die Gesamtzahl der Spaltkeime rapide wächst. Im ersten Stadium der Entgiftung pendeln die Gasbläschen im akustischen Feld und vergrößern sich infolge der Diffusion des in ihnen aufgelösten Gases.

Der meiste Diffusionsstrom ist den Bläschen eigen, deren eigene Schwingungsfrequenz mit der Sachallfrequenz übereinstimmt, deshalb je nach der Auswahl der Frequenz und vom Charakter der Verteilung von Bläschengrößen beim "Umpumpen" in die Bläschen des in die Flüssigkeit aufgelösten Gases nimmt eine größere oder kleinere Zahl von ihnen teil. So funktioniert in diesem Stadium der Entgiftung der Mechanismus "einseitiger", oder "gerichteter" Diffusion, die durch Bläschenschwingungen bedingt ist.

Die akustischen Mikroströme beschleunigen solchen Stoffaustausch. Bei der Kavitation beschränkt dieser Prozess die Vergrößerung der Bläschenzahl, ihre Schließung wird gebremst und dadurch wird die Bildung von neuen «Spaltbläschen» verringert. So erhöht die gerichtete Diffusion des Wasserstoffes bei der Kavitation im geschmolzenen Aluminium für 2,5 Perioden der Schallwelle den Druck des Gases im Bläschen mehr als auf vierfach.

Neben der Diffusion kann die Vergrößerung der Bläschen von der Verschmelzung der Bläschenpaare oder Gruppen unter dem Einfluss der hydrodynamischen Kräfte, s.g. die Bjorken-Kräfte bedingt sein. Im zweiten Stadium der Ultraschallentgiftung steigen die Gasbläschen, die eine bestimmte Größe erreicht haben, zur Oberfläche der Flüssigkeit hinauf und heben sich heraus, zu dem trägt in den bestimmtem Fällen die Bläschenvergrößerung 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 Gasbläschen flotierbar werden und auf die Oberfläche der Schmelze herausgeführt werden.

Die von uns durchgeführten Arbeiten zur praktischen Anwendung der Schwingungen der Ultraschallfrequenz im Strom des geschmolzenen Aluminiums haben die theoretischen Berechnungen vollständig bestätigt, wobei sich das Zusammenfallen der Ergebnisse zu 100 % nähert.

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, Nichtdurchgängigkeit/Ganzheit in den geschweißten Nahten usw. verringert macht.

Diese Anlage lässt zu, die Bearbeitung der Flüssigmetalle durchzuführen, 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.