Рецензия на книгу Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов

В. А. Ефимов, А. С. Эльдарханов. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов. М.: Металлургия, 1995. 272 с.

Рецензия. Автор -  акад. НАН Украины М. И. Гасик

В монографии акад. НАН Украины В. А. Ефимова и канд. техн, наук А. С. Эльдарханова обобщены и проанализированы лите­ратурные данные и приведены результаты собственных иссле­дований закономерностей перехода металлических расплавов из жидкого состояния в твердое на базе современных представ­лений о процессах теплообмена, гидромеханики и теории фазо­вых переходов.

Авторы сообщают о теоретических предпосылках и осо­бенностях процессов затвердевания стали и сплавов (с. 5...77). На основании результатов собственных исследований, а также данных других работ о росте дендритных кристаллов и тепло­физических процессах затвердевания приведен обстоятельный анализ влияния температурных и концентрационных полей на формирование кристаллической структуры и неоднородность слитков и отливок различного назначения. При этом авторы книги ограничились использованием данных основополагаю­щих исследований в этой области, что позволило, избегая слож­ных термохимических, термокинетических и металлофизических выкладок при характеристике этих процессов, провести анализ молекулярно-кинетических процессов и термодинамики фазовых переходов в затвердевающих металлических средах; рассмотрены процессы в двухфазной зоне и затвердевания сплавов. Дана классификация возможных методов внешних воздействий на кристаллизующиеся металлические расплавы. Следует также отметить, что ряд положений и выводов в пер­вой главе книги (например, влияние образования зазора на фор­мирование отливок) имеет общий характер и может быть рас­пространен на процессы кристаллизации слитков, получаемых при непрерывной разливке стали и в спецэлектрометаллургии.

Во второй главе (с. 78...111) изложены вопросы теплофи­зических методов воздействия на затвердевание сплавов. При этом отмечается необходимость организации рационального теплоотвода и затвердевания сплавов. Следует обратить внима­ние на выдвинутое авторами книги положение, что разрабаты­ваемые технологии должны влиять не на один какой-либо про­цесс, а на все технологические операции, связанные с отливкой слитков и заготовок. При анализе затвердевания сплавов рас­смотрены следующие зоны: затвердевающего металла; твердо-жидкого состояния, в которой осуществляется термокапилляр­ный массоперенос и усадочное перемещение ликвантов на гра­ницу затвердевания; жидко-твердого состояния расплава; кон­вективного движения. Теоретически обоснованы режимы управления процессами перераспределения ликвирующих эле­ментов в двухфазной зоне.

Особое внимание уделено анализу влияния на формирова­ние литой кристаллической структуры конвективного движе­ния расплава и физико-химических методов воздействия на кристаллизацию сплавов.

Рассмотрены вопросы влияния термовременной обработки сплавов (основы которой заложены уральской школой физиков и металлургов) и дисперсных частиц на кристаллизацию металла, а также недендритной кристаллизации сплавов (со ссылкой на работы В. И. Добаткина и других исследователей).

Даны сведения о методах организации недендритной кри­сталлизации путем ввода в расплав сильнодействующих ком­плексных модификаторов на основе скандия и циркония при непрерывной отливке слитков из алюминиевых сплавов.

Проведен анализ различных способов вибрационной обра­ботки сплавов (третья глава, с. 121...186). При рассмотрении механизмов передачи вибрационных нагрузок на затвердевающие сплавы показано, что в наибольшей степени на затвердевание металлических систем влияют колебания, возникающие при пе­риодическом внешнем воздействии на расплав. Наибольшее значение при этом имеют гармонические или синусоидальные колебания, характеризующиеся рядом особенностей, обстоя­тельно проанализированных в рецензируемой монографии (с. 124...128).

Представляют интерес результаты анализа гидродинами­ческих и теплофизических процессов при вибрационном воз­действии на затвердевающие сплавы. Рассмотрено его влияние на поведение дисперсных частиц в расплаве в виде продуктов реакции раскисления стали, экзогенных включений и других фаз. Исходя из условий синусоидальных колебаний несжимае­мой жидкости, в монографии проанализированы выражения для основных параметров: изменения давления в несжимаемой жидкости и скорости движения среды.

Анализ силового воздействия вибрации на перемещение моночастиц позволил авторам установить следующую законо­мерность: если радиус частицы имеет размер больше 0,1 мм и частоту собственных колебаний меньше критической w_кр, то частицы поднимаются к открытой поверхности металла; если же радиус частиц меньше 0,1 мм, а частота w > w_кр, то, несмот­ря на выталкивающее действие на частицу, последняя будет пе­ремещаться вниз. В обобщенном виде изложены причины из­мельчения литой структуры металла при низко- и высокочас­тотном вибрационном воздействии на затвердевающий сплав.

Обращено внимание на необходимость оптимизации па­раметров вибрации, так как при чрезмерной интенсивности обработки происходит интенсивная турбулизация расплава и возможен захват расплавом воздуха, что приведет к пористости отливок.

Рассмотрены вопросы распространения ультразвуковых волн в жидком металле и обусловленные ими механические ко­лебания, превышающие в сотни тысяч раз ускорения частиц по сравнению с механическими колебаниями среды. Проанализированы условия возникновения явлений кавитации при воздей­ствии на металл ультразвуковых колебаний.

Широкому кругу специалистов могут быть полезны обоб­щенные данные о применении вибрации в металлургии и ли­тейном производстве и результаты анализа эффективности раз­личных режимов вибрации конкретных сплавов, в том числе при непрерывной разливке стали.

В материалах исследований А. С. Эльдарханова, каса­ющихся механизма периодической кристаллизации сплавов (с. 186...206), приведены детальное описание аппаратуры и ме­тодики экспериментов по выявлению закономерностей перио­дической кристаллизации расплавов и физико-магематическое обоснование условий возникновения периодической кристаллиза­ции сплавов и ее влияние на свойства сплавов.

В главе "Перемешивание затвердевающих сплавов" отме­чены основные технологические способы внешнего воздейст­вия на свойства сплавов. При анализе влияния турбулентности в свободном объеме выделены наиболее существенные послед­ствия перемешивания на металлические расплавы: устойчи­вость границы затвердевания и формирования кристаллизаци­онной структуры литья, смывание вытесненных из межденд­ритных пространств ликвирующих примесей и вынос их в зону жидкого состояния расплава; ускорение отвода теплоты перегрева и равномерное распределение температуры по сечению незатвердевшей части отливки и др. Изложены вопросы влия­ния механического и электромагнитного перемешивания спла­вов, в том числе при непрерывной разливке стали. Отмечено значение создания физических моделей и математического ап­парата для расчета процесса импульсного перемешивания рас­плава при разливке.

В книге (с. 247...263) обобщены данные теории и практи­ки электромагнитной обработки и теплового воздействия на за­твердевающие сплавы. Очерчена область рационального при­менения электромагнитной обработки металлических распла­вов (создание и управление движением жидкой фазы вдоль гра­ниц затвердевания или всей системы; подвод к границе затвер­девания или всей системе в случае необходимости дополни­тельного количества тепла). Обоснованы влияние внешнего магнитного поля на кристаллизацию сплавов, а также воздейст­вие электростатического и магнитного полей на литейные свой­ства сплавов.

С учетом положительного влияния повышения давления на уплотнение кристаллической структуры отливок и увеличения температуры плавления различных металлов проанализи­ровано влияние внешнего давления на процессы кристаллиза­ции сплавов. Показано, что давление при определенных усло­виях теплоотвода увеличивает степень эффективности подпит­ки и обеспечивает измельчение кристаллической структуры от­ливок. Этот эффект усиливается при меньшей скорости охлаж­дения и увеличении размеров отливки.

Рассмотрены вопросы устойчивости границы затвердева­ния и развития двухфазной зоны сплавов с учетом реальных ус­ловий затвердевания больших масс расплава при наличии кон­вективного движения металла и внешних воздействий на цен­тры кристаллизации. Это может быть использовано при разра­ботке новых, эффективных технологий затвердевания металли­ческих расплавов.

Книга представит интерес для ученых, металлургов, а так­же студентов старших курсов вузов, ведущих подготовку спе­циалистов по физике жидкого состояния металлов, сталепла­вильному и литейному производствам.