Створення ефективних наукоємних технологій та обладнання для одержання високоякісних конструкційних матеріалів з алюмінієвих сплавів при економних витратах енергоресурсів відповідає вимогам науки та практики на сучасному етапі. У ФТІМС НАН України розроблено багатофункціональне  обладнання [1] у складі вакуумного магнітогідродинамічного міксера (МГД-міксер) та машини безперервного лиття (МБЛЗ) (рис. 1), а також супутні МГД-технології, в яких реалізуються малоінерційний і безконтактний вплив електромагнітних полів на металеві розплави, регульовані індукційний нагрів сплавів та процеси перемішування, транспортування і розливання металу під дією електромагнітної сили та генерованого тиску.

У конструкції МГД-міксера застосований трансформаторний принцип перетворення електричної енергії в теплову, при цьому первинною обмоткою є котушка індуктора, а вторинною - витік рідкого металу в каналі та тиглі                      МГД-міксера. Порядок роботи такого обладнання відбувається наступним чином: після заповнення П-подібного горизонтального каналу МГД-міксера рідким металом на котушку індуктора та котушки електромагніта подається напруга змінного струму, у наслідок чого в металопроводі індуктора утворюється змінний магнітний потік, який індукує у рідкому металі електричний струм. При цьому відбувається нагрівання рідкого металу до заданої температури, причому швидкість нагріву залежить від величини електричного струму. За рахунок взаємодії струму, наведеного у рідкому металі індуктором, та магнітного поля, створеного електромагнітом, відбувається циркуляція рідкого металу у тиглі і каналі. При піднятті напруги на котушках електромагніту у активній зоні                      МГД-міксера посилюється магнітний потік. При взаємодії магнітного потоку зі струмом в каналі виникає електромагнітна сила, під дією якої здійснюється рух рідкого металу по зливному металопроводу до машини безперервного лиття.

Одною з основних переваг приготування алюмінієвих сплавів у вакуумному МГД-міксері є інтенсифікація процесів розчинення елементів, у тому числі чистих тугоплавких металів. Розчинення відбувається в активній зоні - ділянці каналу міксера, де взаємодіють магнітні поля індуктора і електромагніта, створюючи при цьому максимальні за величиною магнітогідродинамічні фактори впливу на розплав [2, 3]. Так, наприклад, показано [4] що за оптимальної комбінації величини та напрямку дії обʹємних електромагнітних сил в активній зоні МГД-міксера чистий хром у кількості 3,0 мас. % розчиняється в алюмінії за ⁓ 20 хвилин без суттєвого перегрівання металу. Більшість деформівних алюмінієвих сплавів, особливо це стосується високоміцних сплавів, містять тугоплавкі елементи, такі як Mn, Cr, Ti, Zr та ін. Для їх уведення в сплав, як правило, використовують лігатури. Виключення з технологічного процесу приготування алюмінієвих сплавів застосування лігатур тугоплавких металів дозволяє зменшити газонасичення та окислення сплаву, а також витрати електроенергії при веденні плавки.

1 - тигель; 2- металопровід; 3 - індуктор; 4 - електромагніт; 5 - вакуумна камера; 6 - привід повороту вакуумної камери; 7 - нагрівальні елементи; 8 - рідкий метал; 9 - камера з пінокерамічним фільтром; 10 - теплова насадка;

11 - розливальний вузол; 12 - кристалізатор; 13 - зливок; 14 - затравка;

15 - механізм вертикального переміщення кристалізатора

Рисунок 1. Вакуумне МГД-обладнання для приготування алюмінієвих сплавів та безперервного лиття з них зливків

Властивості деформівних алюмінієвих сплавів в значній мірі визначаються вмістом у них водню, наявність якого сприяє розвитку макро- та мікропоруватості та перешкоджає заварюванню несуцільностей, що утворюються при обробці тиском. Вакуумне рафінування при постійному електромагнітному перемішуванні розплаву вирішує цю проблему. Корпус МГД-міксера слугує вакуумною камерою, де проводиться вакуумне рафінування при залишковому тиску 0,133 кПа (1 мм.рт.ст.). Незалежно від початкового вмісту водню у сплаві, рафінування дозволяє знизити залишковий його вміст до 0,05-0,12 см³/100 г, що сприяє одержанню зливків без газової поруватості. Для вакуумного рафінування алюмінієвих сплавів з високим вмістом цинку розроблена технологія їх приготування [5], що дозволила усунути втрати цього легуючого елемента випаровуванням, а для сплавів відповідального призначення розроблено спосіб рафінування [6] за допомогою послідовних вакуумних імпульсів, що забезпечує залишковий вміст водню у зливках на рівні 0,01-0,03 см³ / 100 г. Створено методи оперативного контролю вмісту водню у рідкому металі [7], які дозволили розробити схему автоматизації процесу приготування сплавів в МГД-міксері [8].

Приготовлений в МГД-міксері сплав під регульованим електромагнітним тиском подається у фільтрувальний вузол, де розташований поруватий керамічний фільтр. Сплав очищається від оксидних включень до залишкової концентрації ≤ 0,05 об. % та надходить до розливального вузла. Розливальний вузол приєднаний до передньої стінки вакуумної камери МГД-міксера та також являє собою вакуумну камеру, у якій розміщена теплова насадка. Розплав заповнює теплову насадку двома ламінарними потоками, що сприяє перемішуванню, усередненню його температури та виключає замішування у сплав оксидних плівок. Теплова насадка оснащена нагрівальними елементами, що дозволяє компенсувати тепловтрати розплаву на шляху його руху від МГД-міксера до кристалізатора, а також зменшує градієнт  температури по висоті надливної частини зливка, створюючи тим самим сприятливі умови для його спрямованої кристалізації.

Безперервне лиття зливків є одним з найбільш ефективних технологічних процесів одержання напівфабрикатів з деформівних алюмінієвих сплавів для подальшої їх обробки тиском. До складу комплексу вакуумного МГД-обладнання входить МБЛЗ вертикального типу з плавним регулюванням швидкості пересування ливарного столу. МБЛЗ оснащена низьким (h ⁓ 30 мм) кристалізатором запатентованої конструкції [9], особливістю якого є застосування теплоізоляційного шару футеровки з низькою теплопровідністю, що забезпечує відсутність радіального тепловідведення від рідкого металу по висоті кристалізатора та призводить до значного зниження глибини лунки та висоти перехідної зони зливка підчас кристалізації та позитивним чином впливає на його структуру. На внутрішню поверхню кристалізатора наноситься газоутворююче покриття, при сублімації якого по периметру зливка утворюється газоподібний шар, який також знижує тепловідведення від зливка через стінку кристалізатора. Таким чином, у кристалізаторі утворюється лише тонка кірка закристалізованого металу, а основна кристалізація зливка відбувається у поясі водяного охолодження нижче рівня кристалізатора. Швидкість відведення тепла від зливка, що кристалізується, є ключовим параметром керування структурою зливків, тому МБЛЗ оснащена системою регульованого подавання охолоджувальної рідини на зливок.

МБЛЗ, що входить до комплексу вакуумного МГД-обладнання, може оснащуватися кристалізатором з вбудованим електромагнітним перемішувачем, який створює у рідкій фазі зливка вихорові структури тороідального типу [10], що вважається найбільш ефективним варіантом (рис. 2).

Електромагнітне перемішування рідкої фази зливка, що кристалізується, впливає на тепло- та масо перенос, керує конвективними потоками розплаву та створює зсуваючі напруження по фронту кристалізації, що призводить до руйнування дендритної структури і перетворення фрагментів зруйнованих дендритів у зерна глобулярної морфології. Перемішування також доцільно застосовувати при введенні у розплав модифікаторів, яке інтенсифікує процес зародкоутворення в сплаві, та сприяє рівномірному розподілу центрів кристалізації біля фронту тверднення зливка.

1 – теплова насадка; 2 – кристалізатор з електромагнітним перемішувачем;

3 – зливок

Рисунок 2. Схема руху рідкого металу в кристалізаторі з електромагнітним перемішувачем

Ефективність впливу електромагнітного перемішування сплаву В96Ц при його кристалізації на структуру безперервно литого зливка діаметром 90 мм показано на рис. 3. Частина зливка, що виготовлена без електромагнітного перемішування сплаву в процесі лиття (рис. 3, верхня частина) має нерівномірну крупнокристалічну структуру з величиною мікрозерна ~ 350 мкм. Частина зливка, яка відливалася із застосуванням електромагнітного перемішування має рівномірну дрібнокристалічну структуру з величиною мікрозерна ~ 00 мкм (рис. 3, нижня частина).

Якість та властивості зливків з деформівних алюмінієвих сплавів суттєво залежать від концентрації оксидних включень. Для суттєвого зменшення окислення рідкого металу всі вузли вакуумного МГД-комплексу (тигель міксера, роздавальна камера та кристалізатор) герметично з’єднані між собою. Це дозволило створювати над розплавом захисне середовище з інертних газів на всіх етапах одержання зливків від плавлення до лиття [11]. Створення захисного середовища особливо актуально під час приготування сплавів, які містять легкоокислювані елементи, наприклад, магній.

Усі фактори впливу на розплав, які реалізуються підчас приготування сплавів у вакуумному МГД-міксері та їх литті в МБЛЗ дозволяють одержувати високоякісні зливки з алюмінієвих деформівних сплавів діаметром до 180 мм та довжиною до 1500 мм з високою хімічною однорідністю, без внутрішніх дефектів, що мають однорідну дрібнокристалічну структуру і рівну блискучу поверхню, яка не потребує механічної обробки перед пресуванням.

Рисунок 3. Макроструктура поздовжнього перерізу безперервнолитого зливка діаметром 90 мм зі сплаву В96Ц: верхня частина – без електромагнітного перемішування; нижня – з електромагнітним перемішуванням рідкої фази зливка

Література:

1. Пужайло Л.П., Сірий О.В., Гординя О.М., Поливода С.Л., Плавильно- ливарний комплекс для напівбезперервного лиття зливків з алюмінієвих сплавів: пат. 119406 Україна: МПК B22D11/14. № u201703178; заявл. 03.04.2017; опубл. 25.09.2017, Бюл. № 18/2017.

2. Пужайло Л.П., Сірий О. В.,  Поливода С. Л. Установка для приготування та електромагнітного розливання алюмінієвих сплавів у ливарні форми: пат. 99307 Україна: МПК B22D39/00. № a201004220; заявл. 12.04.2010; опубл. 10.08.2012, Бюл. № 15/2012.

3. Пужайло Л. П., Сірий О. В., Поливода С. Л. Установка для приготування та електромагнітного розливання алюмінієвих сплавів у ливарні форми: пат.  100231 Україна: МПК Н05В6/02. № a200907285; заявл. 10.07.2009; опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1/2011.

4. Пужайло Л. П, Поливода С. Л., Сірий О. В. Гординя О. М. Спосіб приготування алюмінієвих лігатур у магнітогідродинамічних установках: пат. 131179 Україна: МПК С22В21/00. № u201806805; заявл. 15.06.2018; опубл. 10.01.2019, Бюл. № 1/2019.

5. Пужайло Л. П., Поливода С. Л. Сірий О. В. Спосіб приготування високоміцних алюмінієвих деформівних сплавів з вмістом цинку: пат. 101343 Україна: МПК С22С21/06. № a201007359; заявл. 14.06.2010; опубл. 26.12.2011, Бюл. № 24/2011.

6. Пужайло Л. П., Сірий А. В., Поливода С. Л. Спосіб рафінування алюмінієвого сплаву у вакуумі: пат. 108781 Україна: МПК С22В21/00. № a201310432; заявл. 27.08.2013; опубл. 25.04.2014, Бюл. № 8/2014.

7. Пужайло Л. П., Поливода С. Л., Сірий О. В., Гординя О. М. Поливода М. О. Спосіб визначення вмісту водню у рідкому металі: пат. 115590 Кураїна: МПК С22В21/00. № a201511064; заявл. 11.12.2015; опубл. 25.08.2016, Бюл. № 16/2016.

8. Пужайло Л.П., Поливода М.О., Серый О.В. Метод автоматического контроля процесса дегазации алюминиевых сплавов в вакуумных                                              МГД-установках // Материалы XII международной научно-практической конференции «Литье 2016». – Запорожье. – 24-26 мая 2016 г. – С. 177-179.

9. Пужайло Л. П., Сірий О. В., Гординя О. М., Поливода С. Л. Кристалізатор для безперервного лиття зливків з алюмінієвих сплавів: пат. 118018 Україна: МПК B22D11/14. № a201609696; заявл. 20.09.2016; опубл. 25.07.2017, Бюл. № 14/2017.

10. Пужайло Л. П., Гаврилюк В. П., Серый А. В., Поливода С. Л., Гордыня А. Н. Моделирование магнитогидродинамических процессов электромагнитного перемешивания алюминиевого сплава в кристаллизаторе и тепловой насадке при полунепрерывном литье слитков // Процессы литья. - 2012. - № 5. - С. 54-60.

11. Пужайло Л. П., Поливода С. Л., Сірий О. В., Гординя О. М. Спосіб напівбезперервного лиття зливків з алюмінієвих сплавів, які містять легкоокислювані компоненти: пат. 131180 Україна: МПК B22D11/14. № u201806809; заявл. 15.06.2018; опубл. 10.01.2019, Бюл. № 1/2019.