Файл: Эскин, Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию.pdf

При вакуумировании расплав помещают в камеру с пониженным до 0,5—1,0 мм рт. ст. давлением, что резко увеличивает выделение газа из жидкого металла. При понижении давления уменьшается растворимость газа в жидком металле и он переходит из растворенного в свободное состояние. Вакуумирование металла пред­ ставляет собой довольно эффективное зрелище: по мере снижения давления в камере металл «закипает». Пу­ зырьки газа при их движении к поверхности жидкой ванны захватывают (адсорбируют) неметаллические включения.

Если нанести на поверхность расплава немного по­ верхностно активного флюса и затем производить ваку­ умирование металла, то процесс рафинирования метал­ ла ускоряется [13].

Ультразвуковая обработка расплава осуществляется иначе. Отпадает необходимость помещения расплава в герметичную вакуумную камеру. В расплавленный ме­ талл сверху опускают излучатели ультразвука (один, два, четыре и т. д. в зависимости от размера поверхно­ сти зеркала расплава). Введение в жидкий металл мощных ультразвуковых колебаний (см. рис. 1) приво­ дит металл в энергичное движение, в расплаве возникает кавитация, о которой мы уже упоминали при рассмот­ рении процесса эмульгирования флотационных реагентов.

Если в прозрачной воде можно легко наблюдать процесс образования и развития кавитационных пу­ зырьков, то в расплавленных металлах для обнаруже­ ния кавитации приходится прибегать к косвенным оцен­ кам.

Для обнаружения эффекта кавитации в расплавлен­ ный металл помещают металлическую фольгу толщиной несколько десятков микрон, изготовленную из металла,

32

Под действием захлопывающихся кавитационных пузырьков фольга начинает разрушаться с образовани­ ем характерных «дырок» (рис. 8). По распределению «дырок» в фольге можно судить о размерах и форме ка­ витационной области в расплаве. Дырки в фольге и есть результат эрозии, вызываемой захлопывающимися ка­ витационными пузырьками. В расплавленном металле с относительно высоким содержанием растворенного газа только очень небольшая часть кавитационных пузырь­ ков захлопывается с генерацией ударной волны — боль­ шая часть кавитационных пузырьков заполняется газом, перешедшим из раствора в кавитационную полость.

Дегазация расплава происходит тогда, когда газо­ вый пузырек увеличился настолько, что подъемная сила, действующая на него, превышает силы гидростатичес­ кого давления и возникающие в расплаве силы поверх­ ностного натяжения.

Процесс дегазации расплавленных металлов под дей­ ствием ультразвука состоит из нескольких этапов, пока­ занных схематически на рис. 9, а—г. Вначале под дейст­ вием ультразвука происходит разрыв сплошности и об­

успевшие раствориться маленькие газовые пузырьки или частички окислов (для алюминиевых сплавов — окись алюминия). Образовавшиеся кавитационные полости на­ чинают пульсировать под действием ультразвука и в за­ висимости от содержания растворенного в металле газа и своих размеров могут или сразу захлопнуться, или на­ чать укрупняться. Пульсация кавитационных пузырьков, т. е. расширение и сжатие их в такт колебаниям ультра­ звуковой волны, приводит к диффузии растворенного га­

34

узла колебательной скорости. Дело в том, что при ульт­ развуковой обработке в тигле, (в постоянном объеме) всегда устанавливается стоячая волна и стабильно су­ ществуют плоскости и узлы.

Движение пузырьков с близкими размерами способ­ ствует их столкновению. Сближение пузырьков разного радиуса, если они пульсируют в одной фазе, происходит также за счет другой акустической силы (сила Бьеркнесса), которая возникает вследствие различия в колеба­ тельной скорости пузырьков.

Наконец, в случае движения двух пузырьков по па­ раллельным орбитам их коагуляции может способство­ вать возникновение гидродинамической силы (сила Бер­ нулли). Известно, что если взять в руки два листа, бума­ ги, расположить их параллельно друг другу на неболь­ шом расстоянии и затем подуть в образовавшийся зазор, листочки слипнуться. Это происходит потому, что в быст­ ром потоке давление снижается, а с наружной поверх­ ности листочков остается прежним. При пульсации пу­ зырьков в ультразвуковом поле происходит нечто анало­

поверхности за счет создания в жидком металле различ­ ного рода потоков.

Исследование процесса дегазации водопроводной во­ ды с большим количеством газовых (воздушных) заро­ дышей, проведенное О. А. Капустиной [5], показало, что интенсификация процесса дегазации под действием ульт­ развука может идти и в докавитационном режиме, одна­ ко в кавитационном режиме (рис. 10) эффективность

36

дегазации увеличивается на порядок. В то же время слишком развитая кавитация, как видно на рис. 10, при­ водит к снижению темпа дегазации, так как направление

вующее прохождению ультразвука через расплав. Речь идет о . . . . разрушении излучателей ультразвука.

Часть кавитационных пузырьков, как, описано ранее, тут же после образования захлопывается с генерацией импульса ударной волны, и так же, как образуются дыр­ ки на фольге, начинается кавитационная эрозия самих излучателей (рис. 11).

Казалось бы, что выход из положения можно найти, используя для изготовления излучателя очень твердые керамические материалы, например окись алюминия или окись бериллия, но на самом деле керамические излуча­ тели в силу своей пористости и хрупкости и не смогут выдержать ультразвуковых напряжений и для передачи мощного ультразвука в расплав не подходят. Поэтому

37

щее влияние. Излучатели в этих опытах изготовляли то­ же из стали; с тем, что они немного растворяются в рас­ плаве, в процессе обработки приходилось мириться.

ниевых сплавов развесом 0,15—0,2 т в фасоннолитейных цехах.

После ультразвуковой обработки расплавленного алюминия и его сплавоз содержание водорода (основной газовой примеси) снижается в несколько раз, достигая

39