Диссертация (1025572), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Плоский фронт – сплав олова ссурьмой. Дендриты –10 % оловянистая бронза.а)б)Рисунок 1.18. Структура сплавов при кристаллизации: с образованиемплоского фронта (а), с образованием дендритов (б) [23]Структуракристаллизацииобразующегосяитвердоговеличинойтелаопределяетсяпереохлажденияскоростьюжидкости.Процесскристаллизации сплавов является неравновесным, так как при дальнейшемпонижении температуры наблюдается градиент концентрации около границыраздела фаз в жидкости (выравнивание концентраций не успевает произойти).
Врезультате образуется твердая фаза составом, отличным от состава исходнойжидкости. Распределение различных химических элементов в образующемсясплаве зависит от соотношения скорости их отвода от фронта кристаллизации вжидкости (определяется коэффициентом диффузии в жидкости), и скоростиперемещения фронта кристаллизации (определяет процесс накопления примесив твердом теле).В монографии [46] обобщены результаты исследований в области теориии практики кристаллизации металлов и сплавов. Описывает массоперенос призатвердеваниикристаллизации.сплавоввусловияхРаспределениеобразованиярастворенногоплоскогофронтакомпонентапослезатвердевания сплава определяется характером диффузии как в твердой, так и вжидкойфазе.Авторомописанотриосновныхпредельныхслучаяраспределений примеси при следующих физических условиях (Рисунок 1.19).44Первый предельный случай (Рисунок 1.19, а): наблюдается полнаядиффузия как в жидкой, так и в твердой фазах. Поэтому затвердевшийполностью сплав гомогенен.Второй предельный случай (Рисунок 1.19, б): диффузия в твердой фазеотсутствует, а в жидкости наблюдается полная диффузия.
При кристаллизациипроисходит перераспределение растворенного компонента. Первоначальнообразуетсяколичествотвердойфазыменьшее(kС0),чемисходнаяконцентрация (С0). Увеличивается концентрация примеси в жидкой фазе.Изменения распределения растворенного компонента в твердой фазе непроисходит, а полная диффузия в жидкости обеспечивает равномерноераспределение примеси. Затвердевание жидкости происходит каждый раз сболее высокой концентрацией, что объясняет постепенное возрастание кривойраспределения.Третий предельный случай (Рисунок 1.19, в): отсутствует диффузия втвердой фазе, диффузия в жидкой фазе имеет конечную скорость, в жидкойфазе нет конвективного перемешивания. В отсутствии конвекции и приограниченной диффузии в жидкой фазе растворенное вещество, оттесняемое впроцессе кристаллизации, образует некий пограничный слой вблизи границыраздела фаз.
При установившемся режиме затвердевания, определяемом длинойсплава, концентрация примеси в твердой фазе соответствует изначальной врасплаве. При данных условиях образуются сплавы практически однородногосостава по всей длине, за исключением конечного и начального участков.При кристаллизации реальных сплавов в жидкой фазе часто наблюдаетсяконвекция. Тогда принимается, что существует диффузионный пограничныйслой вблизи границы раздела фаз, а вне этого слоя благодаря конвекцииподдерживается однородный состав растворенного компонента. Характерраспределения в данном случае схож с распределением при ограниченнойдиффузии и отсутствии конвекции: выделяют аналогичные начальную иконечную переходные зоны. Вместо прямолинейного участка наблюдаетсяпостепенное возрастание концентрации примеси.45а)б)в)Рисунок 1.19.
Распределение растворенного компонента после затвердеваниясплава: С0 – начальный состав сплава, L – длина отливки, kС0 – количествотвердой фазы, образующейся в первый момент кристаллизации,k – коэффициент распределения [46]М. Флемингс отмечает, что количественное сравнение расчетного иреального распределений растворенного компонента в металлургии являетсянепростойзадачей.Впроцессезатвердеванияметаллов,какиприкристаллизации льда, возможно неконтролируемое, сложно фиксируемоеизменение сценария кристаллизации.
Поэтому при решении реальных задачговорят о преимущественном сценарии кристаллизации.Затвердевание с образованием плоского фронта описывается с помощьюклассической задачи Стефана и строится на записи уравнений тепло и46массообмена для всех фаз и граничных условий на поверхностях раздела; вуравнение материального баланса вводится коэффициент распределения,определяемый по равновесным диаграммам состояния [47]. Если призатвердевании сплава возникает переохлаждение жидкой фазы, то так же, как ипри кристаллизации воды, образуются дендриты, рост которых снижаетстепеньпереохлажденияжидкойфазыотносительнотемпературызатвердевания.
Между твёрдой и жидкой фазами появляется промежуточнаяобласть, содержащая обе фазы. Моделирование дендритного роста являетсяодной из актуальных задач современной металлургии. Для конкретных видовсплавов уже созданы математические модели процессов кристаллизации,согласующиеся с экспериментальными данными [48].Таким образом, для составления математического описания процессакристаллизациинеобходимознать:преимущественныйсценарийкристаллизации, численные значения основных тепло-физических параметровсистемы и ее кинематические коэффициенты (коэффициенты диффузия,фазовую диаграмму).Составлениематематическогоописанияпроцессакристаллизации сложных систем (бинарные сплавы и сложнее) остаетсяактуальной задачей и по сей день.
При этом почти все авторы отмечают, чтоединого универсального подхода не существует. Фиксация в расчетахбольшинства параметров системы не позволяет порой проводить дажепрогностические расчеты. Одним из методов исследования динамики фазовогоперехода является термический анализ [49]. При компьютерном моделированиизатвердевания сплавов в литейной форме проводят корректировку по даннымреального технологического процесса.
Методами термометрии получаюткривыеохлаждениярасплавов,адальнейшаяобработкамассиваэкспериментальных данных позволяет выделить участок фазового перехода иопределить необходимые численные значения.471.4. Постановка цели и задач исследованияКритический анализ литературы показал, что решаемая в данном научномисследовании задача кристаллизации и дальнейшего диффузионного переносамодификаторов в ледовом теле не имеет полных аналогов в смежных областях.Активные исследования процессов тепло- и массопереноса в условиях фазовыхи структурных превращений в кристаллизующихся расплавах и растворахпроводятся достаточно долгое время. Однако до сих пор малоизвестно овзаимном влиянии гидродинамических и термодинамических процессов. Учетвозможностипоявлениядвухфазнойзонывпроцессахнаправленнойкристаллизации по настоящее время находится на стадии интенсивногоизучения.Целостного описания процессов переноса во льду не разработано.Сложностьсоставленияколичествомвлияющихтеоретическогофакторов:описаниясвязанатемпературныйсбольшимрежим,скоростьформирования льда, химический состав воды, время существования льда,внешниемеханическиевоздействия.Этообусловливаетопределеннуюстохастичность и различия в структуре и химическом составе льда.
Изучениеопубликованных работ показало, что при описании процессов переноса вледниках на примере перераспределения рассола нет единого описанияприроды процесса: помимо нескольких движущих сил миграции выделяют триразличных типа миграции.
Тип миграции определяется формой включенийрассола в леднике: в виде замкнутых ячеек, в виде капилляров или пор,распределен по межкристаллическому пространству. Поэтому изучениепроцессов переноса является комплексной задачей, требующей определенияособенностей кристаллической структуры льдаихимических свойствдиффузанта. В настоящее время сложность теоретического описания миграциив природном льду привела к переходу к составлению пространственновременного распределения рассола на основе статистической обработкиэкспериментальных данных. Мелкомасштабный процесс миграции рассола во48льду описывается в терминах крупномасштабных переменных, которыевозможно определить в процессе наблюдения.Систематизация данных об особенностях формирования структуры льдапозволила выделить три группы факторов, которые важно учитывать иописывать при проведении исследований образующейся структуры прикристаллизации различных водных растворов.
Первая группа: направлениетеплоотвода, связь толщины закристаллизовавшегося слоя и времени. Втораягруппа: химический состав (поверхностная активность, класс соединений) иконцентрации веществ. Третья группа: внешние условия формирования льда иего возраст при проведении экспериментальных исследований.Врамкахпроводимогоисследованияполимерныесоединения,применяемые для воздействия на природные свойства льда, относятся кразличным группам по химическому составу, структуре, поверхностнойактивностиимолекулярноймассе[9-19,50,51].Естественно,чтоинтенсивность их миграции во льду будет различна, что не позволяет приматематическом моделировании их перемещения считать их однороднымичастицами.
Анализ научно-технической литературы позволил сформулироватьзадачи исследования, обосновать в качестве единственного пути решенияпоставленныхзадачпроведениеоригинальныхэкспериментальныхисследований и получение обобщённых эмпирических зависимостей.Цельработы:Повышениеэнегоэффективностисистемыледовоепокрытие – холодильная установка в результате поддержания заданныхфизико-механических свойств модифицированных ледовых массивов при ихэксплуатации.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиезадачи:1.Рассмотретьнерасчетныхмассива.режимахработуприхолодильнойэксплуатациимашиныледовогомодифицированногополяналедового492. Исследовать теплофизические свойства льда, модифицированногоразличными полимерными соединениями.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
