Физическое моделирование процессов фильтрации жаропрочных никелевых сплавов в процессе разливки в вакуумно-индукционной установке

В статье рассмотрены вопросы, связанные с эффективностью процессов фильтрации металлических расплавов в зависимости от размеров неметаллических включений, параметров пенокерамических фильтров и вариантов их расположения. Исследования влияния основных конструктивных элементов на процессы фильтрации никелевых расплавов в процессе разливки в вакуумно-индукционной установке проводились на низкотемпературных физических моделях. Моделирование процессов фильтрации расплавов основано на гидродинамическом подобии процессов движения потоков расплава и неметаллических включений в разливочных емкостях. Разработана методика моделирования, определены масштабы и изготовлена модельная установка. Рассмотрено влияние схемы расположения фильтрационных и разделительных перегородок на динамику потоков металла, неметаллических включений и эффективность фильтрации. Эффективность процесса фильтрации никелевых расплавов рассмотрена в зависимости как от технических параметров самого фильтра (эффективной поверхности фильтрации, толщины фильтра, размеров каналов, количества каналов на единицу площади), а так и от типа и размеров неметаллических включений, особенностей конструкции разливочного устройства и схемы расположения фильтра. Установлено, что на общую эффективность фильтрации оказывает влияние скорость и равномерность распределения потоков расплава перед фильтром. Для обеспечения равномерного распределения скоростей потоков расплава перед фильтром устанавливается разделительная перегородка с перепускными отверстиями, расположение которых и их число также являлось предметом исследования. В результате проведенных исследований установлены зависимости между эффективностью фильтрации, размерами и видом неметаллических включений при использовании вертикальных и горизонтальных пенокерамических фильтров в процессе разливки никелевых расплавов в промежуточные разливочные емкости вакуумно-индукционной установки. Определено, что при вертикальном расположении фильтра эффективность его работы выше, чем при горизонтальном. Дополнительным средством повышения эффективности работы фильтрационной системы является использование разделительной перегородки. Определено оптимальное количество отверстий и расположение перегородки в разливочной емкости, обеспечивающие равномерное распределение потоков расплава по высоте перед фильтром и увеличение времени его работы.

фильтры, физическое моделирование, гидродинамика потоков расплава, неметаллические включения, эффективность фильтрации

1. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 5. С. 36 – 52.

2. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Литейные жаропрочные никелевые сплавы для перспективных авиационных ГТД // Технология легких сплавов. 2007. № 2. С. 6 – 16.

3. Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Качанов Е.Б. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. – М.: Машиностроение, 1997. – 336 с.

4. Сидоров В.В., Каблов Д.Е., Ригин В.Е. Металлургия литейных жаропрочных сплавов: технология и оборудование. – М.: ВИАМ, 2016. – 368 с.

5. Hawranek R., Lelito J., Suchy J.S., Zak P. The simulation of a liquid cast iron flow through the gating system with filter // Archives of Metallurgy and Materials. 2009. Vol. 54. No. 2. P. 351 – 358.

6. Uemura K., Takahashi M., Koyama S., Nitta M. Filtration mechanism of non-metallic inclusions in steel by ceramic loop filter // ISIJ International. 1992. Vol. 32. No. 1. P. 150 – 156.

7. Inoue R., Ueda S., Ariyama T., Suito H. Extraction of nonmetallic inclusion particles containing MgO from steel // ISIJ International. 2011. Vol. 51. No. 12. P. 2050 – 2055.

8. Демченко А.И., Шевяков В.Ф., Коровин В.А. и др. Повышение качества никелевого сплава фильтрацией через пенокерамический фильтр // Литейщик России. 2019. № 6. С. 29 – 34.

9. Воеводина М.А. Оценка эффективности фильтрационного рафинирования металлических расплавов // Вестник КрасГАУ. 2011. № 11. С. 163 – 166.

10. Щукина И.Н., Воеводина М.А., Крушенко Г.Г. Очистка металлических расплавов фильтрованием в литейной форме // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Серия: Моделирование физико-механических и тепловых процессов. 2011. № 3. С. 86 – 87.

11. Тэн Э.Б. Фильтрационное рафинирование жидких металлов // Цветные металлы. 2003. № 3. С. 64 – 69.

12. Rogler J. Heaslip L., Mehrvar M. Physical modeling of inclusion removal in a tundish by gas bubbling // Canadian Metallurgical Quarterly. 2005. Vol. 44. No. 3. P. 357 – 369.

13. Adaba O., O’Malley R., Xu M. etc. Three-dimensional study of inclusion morphology and size distribution in Mn-Si killed steel // AISTech, Philadelphia, USA, 2018.

14. Janiszewski K. Influence of slenderness ratios of a multi-hole ceramic filters at the effectiveness of process of filtration of non-metallic inclusions from liquid steel // Archives of Metallurgy and Materials. 2012. Vol. 57. No. 1. P. 135 – 143.

15. Chakraborty S., O’Malley R., Bartlett L., Huddleston L. Effect of physical state of non-metallic inclusions on the accumulation withinmagnesia-stabilized zirconia foam filters // AISTech 2019 – Proc. of the Iron & Steel Technology Conf., 6 – 9 May 2019, Pittsburgh, Pa., USA. P. 1030 – 1040.

16. Raiber K., Hammerschmid P., Janke D. Experimental studies on AlO inclusions removal from steel melts using ceramic filters // ISIJ International.1995. Vol. 35. No. 4. P. 380 – 388.

17. Janiszewski K., Kudlinski Z. The influence of non-metallic inclusions physical state on effectiveness of the steel filtration process // Steel Research International. 2006. Vol. 77. No. 3. P. 169 – 176.

18. Chakraborty S., O’Malley R., Bartlett L., Xu M. Efficiency of solid inclusion removal from the steel melt by ceramic foam filter: Design and experimental validation // AFS Metalcasting Congress, Fort Worth, USA, 2018.

19. Гущин В.Н., Ульянов В.А. Особенности физического и математического моделирования многофазных потоков // Изв. вуз. Черная металлургия. 2007. № 7. С. 45 – 47.

20. Гущин В.Н., Ульянов В.А., Васильев В.А. Математическое и физическое моделирование теплофизических процессов в металлургии. – Н. Новгород: НГТУ, 2014. – 157 c.