Теоретические и технологические основы производства кобальтовых аморфных магнитно-мягких сплавов специального назначения (02.03.2009)

Автор: Лёвин Юрий Борисович

Результаты проведённых исследований использованы на Ижевском заводе ОАО «Аксион» и НТЦ «Электронтех» РАН при организации серийного выпуска элементов высокоинформативных средств регистрации на основе аморфных сплавов, что послужило основой для создания современных средств объективного контроля действий оперативных и диспетчерских служб.

Апробация работы.

По материалам диссертации опубликовано 53 работы, в том числе получено 5 авторских свидетельств, выпущена монография и опубликовано в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, 12 статей. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: III Всесоюзном семинаре по аморфному магнетизму (Самарканд, 1983); Всесоюзной научной конференции «Проблемы исследования структуры аморфных металлических сплавов» (Москва, 1984); Межотраслевом совещании «Производство, обработка и применение аморфных и микрокристаллических сплавов» (Боровичи, 1986); IV Всесоюзном семинаре по аморфному магнетизму (Владивосток, 1986); IV Всесоюзном семинаре «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (Свердловск, 1987); III Межотраслевом совещании «Производство, обработка и применение аморфных и микрокристаллических материалов» (Аша, 1987); Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы исследования структуры и свойств быстрозакалённых металлических сплавов» (Москва, 1988); III Всесоюзном совещании «Физикохимия аморфных (стеклообразных) металлических сплавов» (Москва, 1989); Седьмой Всероссийской конференции с международным участием «Аморфные прецизионные сплавы: технология – свойства – применение» (Москва, 2000); Thirteenth International Conference on Liquid and Amorphous Metals. (Ekaterinburg, 2007).

Объём диссертации: диссертация изложена на 346 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав и общих выводов, содержит 5 таблиц, 141 иллюстрацию, список литературы из 262 наименований и приложений на 63 листах.

Содержание работы

Моделирование процесса формирования аморфной ленты.

К настоящему моменту накоплен большой экспериментальный материал по скоростной закалке из расплава, достигнуты значительные успехи в совершенствовании технологии спинингования. Однако, вследствие невозможности адекватного воспроизведения всех параметров спинингования на различных установках, сложности и чувствительности процесса к малейшим возмущениям, трудностей измерения состояния расплава в условиях высоких скоростей охлаждения, полученные различными авторами функциональные зависимости отличаются друг от друга как по форме, так и по теоретическому обоснованию. Это вызвано тем, что их рассмотрение проводится в основном по следующим независимым моделям формирования ленты:

гидродинамическая модель формирования ленты, в которой толщину ленты определяет перенос момента импульса: вязкий пограничный слой вытягивается из ванны расплава в виде жидкой плёнки и затем затвердевает;

модель формирования ленты за счёт затвердевания, где контролирующая стадия – теплопередача, и лента образуется за счёт затвердевания непосредственно под ванной.

Таким образом, осуществляется не построение общей модели процесса закалки из расплава, а решаются частные задачи.

В условиях разливки расплава через сопло на поверхность вращающегося барабана-холодильника образуется ванна жидкого металла, которая одновременно охлаждается и вытягивается барабаном. При больших градиентах температуры и скорости протекают сложные, взаимосвязанные друг с другом процессы тепло- и массопереноса.

Теоретически процесс формирования аморфной ленты можно описать системой уравнений неразрывности, Навье-Стокса и теплопроводности, дополненных начальными и граничными условиями.

Учитывая специфику процесса, вводятся следующие допущения:

Поскольку ширина сопла много больше толщины сопла, размер области определения уравнений вдоль оси z значительно превышает размеры области определения вдоль осей x и y, то предполагается, что производные неизвестных величин по координате z равны нулю, т.е. все функции зависят от двух координат «х» и «y».

В связи с высокой скоростью течения расплава под соплом, считается, что влияние силы тяжести на процесс пренебрежимо мало.

Пренебрегается выделением тепла при формировании ленты.

В рассматриваемом приближении принято, что поверхность барабана-холодильника – плоская.

Для проведения расчетов использованы следующие обозначения. Технологические параметры: Н – зазор между соплом и барабаном-холодильником, d – толщина сопла, То – температура разливки, Vд – скорость вращения барабана-холодильника, ?Р – приложенное давление. Физические свойства: ( - плотность расплава, ( - кинематическая вязкость расплава, ( - поверхностное натяжение расплава, сv – удельная теплоёмкость единицы объёма расплава, ( - теплопроводность расплава, ( - коэффициент теплопередачи от расплава к барабану-холодильнику.

С учётом сделанных допущений система уравнений в координатной форме запишется следующим образом:

где Vх и Vу – проекции вектора скорости на ось х и у соответственно.

Область определения этих уравнений ограничивается соплом, барабаном-холодильником, границами расплав-газ и лента-газ (рис.1). По направлению вращения барабана она заканчивается в точке х1 , правее которой будет жидко-твёрдая (двухфазная) лента постоянной толщины.

Область определения, ограниченную справа вертикальной секущей в точке х1 , назовём зоной формирования ленты. Из рис.1 видно, что введено также допущение о плоской форме фронта затвердевания.

Построение модели процесса формирования аморфной ленты основывается на последовательном решении следующих задач:

Расчет конфигурации зоны формирования с целью определения области интегрирования дифференциальных уравнений, описывающих процесс.

Решение уравнения теплопроводности под соплом и в ленте для определения положения начала фронта затвердевания.

Интегрирование уравнений (1) по зоне формирования с целью получения усреднённых балансовых уравнений для потоков массы, тепла и компонент импульса.

Решение балансовых уравнений при заданных начальных условиях с целью получения зависимостей, позволяющих рассчитывать в стационарном и нестационарном режимах толщину получаемой ленты, среднюю температуру подсопельной области, длину зоны формирования ленты, скорости ее охлаждения в зависимости от технологических параметров разливки и физических свойств расплава.

Такая схема позволяет, во-первых, проанализировать динамику формирования ленты во времени, во-вторых, рассмотреть взаимосвязь гидродинамических и теплофизических процессов и степень их влияния на закалку из расплава, в-третьих, разработать метод расчёта технологических параметров для получения ленты необходимой толщины при стабильно протекающем процессе её формирования.

от проекции обреза сопла на эту поверхность.

Для расчёта формы жидкой зоны в подсопельной области была рассмотрена задача о вытекании жидкости из сопла.

представляют собой гиперболы, что описывает раскрытие потока расплава под соплом. Функция f(y) учитывает влияние вязких сил на скорость, которые в основном зависят от расстояния Н до барабана-холодильника.

Задача была сведена к дифференциальному уравнению

было получено с использованием программного комплекса MathCad 13.

, где r – радиус кривизны. Результаты расчёта представлены на рис.2 и 3. Цифрами в подрисуночных подписях обозначен номер графика на рисунках в порядке слева направо. На каждом графике все параметры, кроме одного, фиксированы. Для остальных параметров брались следующие значения: Н = 200мкм, d = 500мкм, Vд = 25 м/с, ?Р = 0,2 атм., ( = 6800 кг/м3, ( = 10-6 м2/с, ( = 1 Дж/м2.

Рис.2. Форма задней поверхности зоны для различных значений поверхностного натяжения: 1 – 0,8 Дж/м2, 2 - 1,2 Дж/м2, 3 - 1,6 Дж/м2.

Рис.3. Форма задней поверхности зоны для различных значений приложенного давления: 1 – 0,25 атм., 2 – 0,22 атм., 3 – 0,2 атм.

Для определения координаты начала фронта затвердевания хо (рис.1) рассматривалась задача об одномерном стационарном распределении тепла под соплом. Конвективный перенос в горизонтальном направлении не учитывался, т.к. предполагается, что движение расплава под соплом происходит в основном в вертикальном направлении.

, где ?1 и ?2 – теплопроводность расплава и барабана-холодильника соответственно. Эти условия вытекают из непрерывности температуры и теплового потока через границу расплава и барабана-холодильника.

Решение этой задачи позволило сделать вывод о распределении температуры внутри зоны формирования под соплом (рис.4).

Рис.4. Распределение температуры вдоль зазора в зоне формирования ленты для величины зазора H = 200мкм.


загрузка...