СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВЛЕННЫХ СПЛАВОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF TREATMENT OF MELTED ALLOYS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к металлургии, в частности к обработке расплавов электромагнитными полями, и может быть использовано также для обработки токсичных, агрессивных и т.п. сред, в химической и других отраслях промышленности.
Известен способ обработки электромагнитными полями расплавленных материалов, реализованный в работе устройства для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитков и заготовок (патент РФ №2156672, МПК В22D 27/02, опубл. 27.09.2000 г.). Способ включает воздействие на обрабатываемый материал магнитными полями на стадии жидкой фазы и кристаллизации. Вблизи литейной формы с помощью специального индуктора создают вращающееся винтовое магнитное поле. Магнитное поле с такой пространственной структурой индуцирует в расплаве систему токов, которые за счет гидродинамических эффектов порождают в расплаве упорядоченную периодическую систему течений (вихрей), что способствует повышению качества отливки. Изготовление этим способом отливок больших габаритов с измельченной структурой и повышенной прочностью достигается путем подбора конфигурации индуктора и частоты колебаний магнитного поля.
Недостатком способа являются его низкие функциональные возможности и сложность, что объясняется необходимостью изготовления специализированного оборудования (индуктора) для каждой разновидности продукции в соответствии с конструкцией литейной формы, применяемой технологией заливки и производственными условиями.
Известно устройство для обработки электромагнитными полями расплавленных материалов, при помощи которого осуществляется электромагнитное перемешивание жидкой сердцевины слитков и заготовок (патент РФ №2156672, опубл. 27.09.2000 г.). Устройство содержит специальный индуктор, расположенный близи литейной формы, предназначенный для создания в зоне отливки вращающегося винтового магнитного поля. Устройство содержит магнитопровод, состоящий из отдельных стержней с расположенными на них катушками. Катушки выполнены однослойными и размещены в нижнем и верхнем уровнях. Катушки одного уровня включены встречно между собой, а в разных уровнях смещены относительно друг друга на половину активной длины и сдвинуты на 90°. Катушки в обоих уровнях могут быть выполнены с одинаковой активной длиной.
Изготовление при помощи этого устройства отливок с измельченной структурой и повышенной прочностью достигается путем подбора конфигурации индуктора и частоты колебаний магнитного поля.
Недостатком устройства является невозможность его универсального применения и сложность, что объясняется необходимостью изготовления специализированного индуктора для каждой разновидности продукции в соответствии с конструкцией литейной формы, применяемой технологией заливки и производственными условиями.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ обработки расплавленных материалов (патент РФ №2324575, МПК В22D 27/02, опубл. 20.05.2008 г.), выбранный в качестве прототипа. Способ предусматривает воздействие на обрабатываемый материал магнитным полем. Обработку расплава в литейной форме (а также в печи, ковше) осуществляют дистанционно при помощи направленной антенны с регулируемым фокусом излучения, при этом фокус излучения перемещают внутри объема обрабатываемого материала. Направленная антенна работает от электрического сигнала и формирует магнитное поле излучения. Применение способа позволяет получать отливки с более высокими механическими свойствами и однородными характеристики за счет выравнивания структуры материала, например сплава металла, и использовать при этом литейные формы различной конструкции.
Недостатком данного способа является невозможность избирательного управления структурными характеристиками отливаемого материала, т.к. расплав как неравновесная физическая среда самопроизвольно переходит в процессе кристаллизации в наиболее устойчивое состояние за счет эффектов самоорганизации, что не позволяет получить отливки требуемого качества.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является устройство для обработки электромагнитными полями расплавленных материалов (патент РФ №2336612, МПК H01Q 7/00, опубл. 20.10.2008 г. «Электромагнитная антенна»), выбранное в качестве прототипа. Электромагнитная антенна для использования с антенным сигналом содержит один или более изолированных последовательно соединенных проводящих контуров, образующих обмотку, выполненную на формообразующем элементе, отражательное средство для направления указанного сигнала антенны относительно указанной обмотки, охватывающее эту обмотку и расположенное концентрично ей, и электромагнитный экран, расположенный концентрично относительно указанной обмотки. При этом проводящие контуры обмотки расположены параллельно поверхности формообразующего элемента, а отражательное средство выполнено, по меньшей мере, частично цилиндрическим и охватывающим электромагнитный экран.
Устройство содержит направленную антенну, при помощи которой осуществляется дистанционная обработка расплава в литейной форме (печи, ковше), и генератор электрического сигнала. Электрический сигнал с генератора подается на направленную антенну, в зоне действия которой возникает электромагнитное излучение и, соответственно, магнитное поле определенной напряженности.
Применение устройства-прототипа позволяет получать отливки с более высокими характеристиками под действием магнитного поля излучения направленной антенны и использовать при этом литейные формы различной конструкции.
Недостатком данного устройства является невозможность управления спектральными характеристиками излучения направленной антенны и вследствие этого невозможность избирательного управления структурными характеристиками отливаемого материала и получения продукции требуемого качества.
Задачей создания настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа для получения заданной структуры и механических свойств отливки, а также усовершенствование устройства для избирательного воздействия на структуру металла, получения заданной структуры и механических свойств отливки.
5
9
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ обработки расплавленных сплавов электромагнитными полями, включающий воздействие на обрабатываемый сплав магнитным полем направленной антенны, и отличительных существенных признаков, таких как на направленную антенну подают электрический сигнал, имеющий спектр белого шума в диапазоне частот 10-10 Гц, при этом шумовой сигнал модулируют собственными частотами модификаторов данного сплава в указанном диапазоне частот. Согласно п.2 формулы изобретения в качестве модификаторов используют, например, магний или редкоземельные металлы.
5
9
Подача на направленную антенну сигнала, имеющего спектр белого шума в диапазоне частот 10-10 Гц, обеспечивает широкополосное излучение направленной антенны в этом диапазоне частот (в т.ч. по магнитной компоненте), позволяющем охватить диапазон частот ядерного магнитного резонанса и ближайшие области их низших и высших гармоник, а модулирование при этом шумового сигнала собственными частотами модификаторов данного сплава в указанном диапазоне частот обеспечивает избирательную восприимчивость материала за счет резонансного возбуждения определенных ионов и ионных связей в расплаве.
Под действием модулированного электромагнитного излучения в обрабатываемом материале (отливке) на стадиях расплава и кристаллизации происходят процессы, сходные с воздействием на расплав путем введения в него модификаторов (активирующих добавок) в виде присадок; в результате при кристаллизации отливка приобретает структуру и механические свойства, характерные для обработки определенными модификаторами (присадками).
При этом обеспечивается получение заданной структуры и механических свойств отливки и изготовление продукции требуемого качества.
5
9
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 3-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как устройство для обработки расплавленных сплавов электромагнитными полями, содержащее направленную антенну, и отличительных существенных признаков, таких как оно снабжено генератором электрического сигнала, имеющего спектр белого шума, и модулятором электрического сигнала с собственными частотами модификаторов данного сплава в диапазоне частот 10-10 Гц, вход которого подключен к генератору электрического сигнала, а выход - к направленной антенне.
Согласно п.4, формулы изобретения модулятор выполнен в виде одного или более электромагнитных контуров, с установленными в них сердечниками, выполненными из вещества модификаторов.
Согласно п.5 формулы изобретения один или несколько сердечников, выполненных из веществ модификаторов, установлены непосредственно в направленную антенну.
Согласно п.6 формулы изобретения сердечники модификаторов выполнены, например, из магния или редкоземельных металлов.
5
9
Установка в известном устройстве для обработки электромагнитными полями расплавленных материалов, содержащем направленную антенну и генератор электрического сигнала, генератора электрического сигнала, имеющего спектр белого шума (шумовой сигнал) в диапазоне частот 10-10Гц, обеспечивает широкополосное излучение направленной антенны в этом диапазоне частот (в т.ч. по магнитной компоненте), позволяющем охватить диапазон частот ядерного магнитного резонанса и ближайшие области их низших и высших гармоник, а установка модулятора шумового сигнала собственными частотами модификаторов данного материала (сплава) в указанном диапазоне частот обеспечивает избирательную восприимчивость материала за счет резонансного возбуждения определенных ионов и ионных связей в расплаве.
Установка в направленную антенну одного или нескольких сердечников, выполненных из вещества модификаторов, обеспечивает модулирование электромагнитного излучения за счет взаимодействия излучаемого сигнала с веществом модификаторов, являющимся пассивным электромагнитным фильтром с определенным спектром поглощения; при этом в спектре излучения направленной антенны присутствует набор характеристических частот вещества модификаторов.
Выполнение модулятора в виде электромагнитного контура и установка в нем сердечников, выполненных из вещества модификаторов, позволяет осуществлять модулирование антенного сигнала, а также смену модификаторов без отключения и демонтажа антенного устройства.
Установка нескольких электромагнитных контуров с сердечниками из вещества модификаторов сплава в соответствии с количеством применяемых модификаторов позволяет осуществлять модулирование антенного сигнала одновременно спектром нескольких модификаторов, обеспечивая их независимое подключение и замену.
При этом обеспечивается получение заданной структуры и механических свойств отливки, что повышает качество продукции.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результата - упрощение процесса, избирательное воздействия на структуру металла, получение заданной структуры и механических свойств отливки,
Осуществление предлагаемого способа представлено на чертеже (фиг.1).
При помощи направленной антенны 1, содержащей, например, двойную встречную тороидальную излучающую обмотку 2 и криволинейный отражатель 3, формируют направленное электромагнитное излучение и фокусируют его (изображено пунктиром) на обрабатываемом материале (отливке) 4, залитом в форму 5.
5
9
5
9
На направленную антенну 1 подают электрический сигнал от генератора шума 6, при этом антенное устройство 1 излучает электромагнитный сигнал, имеющий спектр белого шума в диапазоне частот 10-10 Гц. Указанный диапазон охватывает полосу частот ядерного магнитного резонанса, составляющую приближенно 10-10 Гц. Генератор белого шума 6 подключен к направленной антенне 1 через модулятор 7, в котором осуществляется модулирование шумового сигнала частотами, соответствующими собственным частотам модификаторов данного материала (сплава) в указанном диапазоне частот. Модулированное электромагнитное излучение антенного устройства 1 воздействует на обрабатываемый материал (сплав) 4, что определяет заданную структуру и механические свойства отливки. Обработку электромагнитным излучением проводили во время рафинирования расплава металла в течение 15-40 минут, а также при кристаллизации отливки в форме.
Предлагаемое устройство для реализации способа представлено на чертеже (фиг.1).
Направленная антенна 1, содержащая излучающую обмотку 2 и криволинейный отражатель 3, формирует направленное электромагнитное излучение и фокусирует его (изображено пунктиром) на обрабатываемом материале (отливке) 4, залитом в форму 5.
5
9
К направленной антенне 1 подключен электрический генератор белого шума 6, при этом направленная антенна 1 излучает электромагнитный сигнал, имеющий спектр белого шума в диапазоне частот 10-10 Гц. Генератор белого шума 6 подключен к направленной антенне 1 через модулятор 7, в котором осуществляется модулирование шумового сигнала частотами, соответствующими собственным частотам модификаторов данного материала (сплава) в указанном диапазоне частот. Модулированное электромагнитное излучение направленной антенны 1 воздействует на обрабатываемый материал (сплав) 4, что определяет заданную структуру и механические свойства отливки.
На фиг.2 изображен вариант выполнения устройства с установкой в направленной антенне 1 сердечника 8, выполненного из вещества модификатора обрабатываемого сплава (отливка не показана). При этом модулятор 7 шумового сигнала может быть отключен.
На фиг.3 изображен вариант выполнения устройства, в котором модулятор 7 выполнен в виде электромагнитного контура 9, при этом сердечник 8, выполненный из материала модификатора, установлен в электромагнитный контур 9 (Отливка не показана).
На фиг.4 показан вариант выполнения устройства, в котором установлено несколько электромагнитных контуров 9 (по количеству модификаторов), с сердечниками 8 из вещества модификаторов сплава, по одному элементу 8 в каждом контуре 9 (Отливка не показана).
С использованием предлагаемого способа и устройства были проведены опытные работы по улучшению структуры и механических свойств углеродистых и легированных сталей.
Исследовались стали следующих марок: 40ХЛ, 110Г13Л.
Эксперименты проводились на индукционных металлургических печах ИСТ-016 и ИСТ-028.
5
9
Направленная антенна устанавливалась на штативе на расстоянии до 10 метров от металлургической печи. Использовался специальный генератор белого шума, имеющий в диапазоне частот 10-10 Гц среднюю выходную мощность до 2 Вт. Частота модуляции задавалась генератором стандартных сигналов типа ГСС-40.
Обработку электромагнитным излучением проводили во время рафинирования расплава металла в течение 15-40 минут, а также при кристаллизации отливки в форме.
Проводилось исследование микроструктуры полученных образцов. Полученные результаты сравнивались со стандартными результатами для данной марки стали, а также с результатами контрольных плавок, проведенных без электромагнитной обработки. Проводились также исследования с помощью рентгеноструктурного анализа.
Исследовались следующие режимы работы.
1. Сталь 40ХЛ обрабатывали:
- широкополосным электромагнитным немодулированным излучением;
- широкополосным электромагнитным модулированным излучением;
- частотой модуляции 24,664 МГц (частота ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для изотопа марганца - 25) и 8,936 МГц (частота ЯМР для изотопа никеля - 28);
- с помощью пассивных электромагнитных фильтров из вещества модификаторов из технически чистых материалов: марганец, никель, а также ниобий - традиционно применяемых в черной металлургии для улучшения характеристик литья.
При обработке немодулированным излучением отмечено измельчение первичного зерна в структуре отливки на 1-2 балла.
При обработке модулированным излучением получены во всех случаях следующие результаты: измельчение первичного зерна в структуре отливки на 2-4 балла, уменьшение количества феррита и увеличение количества перлита при тех же прочностных характеристиках; увеличение ударной вязкости (до 3-х раз); отмечено увеличение жидкотекучести стали, увеличение чистоты стали.
2. Сталь 110Г13Л обрабатывали:
- широкополосным электромагнитным немодулированным излучением;
- широкополосным электромагнитным модулированным излучением:
- частотой модуляции 6,1195 МГц (частота ЯМР для изотопа магния - 12);
- с помощью пассивных электромагнитных фильтров из вещества модификаторов из технически чистых материалов: магний, смесь редкоземельных металлов.
При обработке немодулированным излучением отмечено измельчение первичного зерна в структуре отливки на 1-2 балла, уменьшение карбидных неоднородностей до 50%.
При обработке модулированным излучением получены во всех случаях следующие результаты: многократное уменьшение карбидных неоднородностей в структуре отливки; уменьшение хрупкости литого металла (KCU и KCV повышаются); после термообработки незначительные карбидные включения растворяются.
Хотя настоящее изобретение описано посредством примеров его выполнения, объем данного изобретения не ограничивается этими примерами, но определяется лишь формулой изобретения с учетом возможных эквивалентов.