RU2124078C1

RU2124078C1 - Process of zone melting and gear for its implementation

Info

Publication number: RU2124078C1
Application number: RU96117847A
Authority: RU
Inventors: В.Х. Забаровский
Original assignee: Забаровский Владимир Харлампиевич
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1996-09-05
Publication date: 1998-12-27

Abstract

FIELD: manufacture and cleaning of materials. SUBSTANCE: sections of zone melting are formed by heating of loaded material above melting temperature with use of eddy currents from inside of load. Favorable conditions are created for mixing of melted material by induced electromagnetic field and emerging mechanical forces due to heating of loading material from inside. Optimum conditions for diffusion of impurities are created near hardening surface of phase separation. Gear for implementation of process has container, inductors and coolers. Process is realized by movement of gear relative to load or by movement of load relative to immobile gear. Translation of sections of zone melting and of surfaces of phase separation takes place with translation of gear and load with reference to each other. Sections of impurities move to end of load or dissolve in basic material. EFFECT: expanded technological capabilities of zone melting, enhanced productivity, improved quality of mixing and homogeneity of liquid phase. 5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к зонной плавке и может быть использовано для получения и очистки различных материалов. The invention relates to zone melting and can be used to obtain and clean various materials.

Известен способ зонной плавки материалов и устройство для его осуществления /В. Пфанн, Зонная плавка, М., Мир, 1970, стр.112, фиг.412 "г" и "д"/. Способ включает нагрев участков материала загрузки выше температуры плавления вихревыми токами, перемещение участков расплавленного материала вдоль оси загрузки, с кристаллизацией расплава на поверхности отвердевания раздела фаз материала расплавлением материала загрузки на поверхности оплавления раздела фаз материала. Нагрев материала участков загрузки осуществляют вихревыми токами, индуктированными многовитковым охлаждаемым индуктором, установленным снаружи загрузки и контейнера. При расплавлении участков загрузки и их перемещении происходит перераспределение растворимых добавок либо примесей в фазах состояния материала загрузки. При нагреве материала загрузки кольцевым наружным индуктором, в том числе многовитковым, магнитное поле и магнитный поток, создаваемый им, направлены вдоль оси загрузки, что определяет направление перемешивания и перемещения микрообъемов расплавленного материала, и в некоторых случаях могут значительно увеличивать или уменьшать естественную концентрацию компонентов твердого раствора на отвердевающей поверхности раздела фаз материала. Часть энергии нагревающего устройства рассеивается, выделение энергии на участке зонной плавки по его длине осуществляется относительно равномерно, управляющее воздействие на интенсивность перемешивания расплавленного материала и равномерность распределения компонентов, добавок и примесей в жидкой фазе материала по сечению загрузки ограничено физическими свойствами материала и техническими возможностями конструкции применяемых для зонной плавки устройств. A known method of zone melting of materials and a device for its implementation / In. Pfann, Zone melting, M., Mir, 1970, p. 112, fig. 112 "g" and "d" /. The method includes heating sections of the loading material above the melting temperature by eddy currents, moving sections of the molten material along the loading axis, with crystallization of the melt on the solidification surface of the phase separation of the material by melting the loading material on the fusion surface of the phase separation of the material. The material of the loading sections is heated by eddy currents induced by a multi-turn cooled inductor mounted outside the loading and the container. When the loading sections are melted and moved, soluble additives or impurities are redistributed in the phases of the state of the loading material. When the loading material is heated by an annular external inductor, including a multi-turn inductor, the magnetic field and the magnetic flux created by it are directed along the loading axis, which determines the direction of mixing and movement of the microvolumes of the molten material, and in some cases can significantly increase or decrease the natural concentration of solid components solution on the hardening phase interface of the material. Part of the energy of the heating device is dissipated, energy is distributed relatively evenly over the zone melting section, the control effect on the intensity of mixing of the molten material and the uniform distribution of components, additives and impurities in the liquid phase of the material over the loading cross section is limited by the physical properties of the material and the technical design capabilities used for zone melting devices.

Задачами настоящего изобретения являются: расширение технологических возможностей зонной плавки, повышение ее производительности, повышение качества перемешивания и однородности состава жидкой фазы состояния материала загрузки, повышение КПД использования энергии. The objectives of the present invention are: expanding the technological capabilities of zone melting, increasing its productivity, improving the quality of mixing and uniformity of the composition of the liquid phase of the state of the material of the load, increasing the efficiency of energy use.

Для решения этих задач нагрев материала загрузки выше температуры плавления, его перемешивание, перемещение зоны расплава осуществляют электромагнитным полем, возникающими в результате его действия вихревыми токами и механическими силами и конвекцией, имеющими оптимальную направленность и исходящими от источника энергии, находящегося внутри загрузки сплошного сечения. В качестве источника электромагнитного поля, вихревых токов и механических сил используют устройства для зонной плавки, имеющие индукторы, которые при зонной плавке работают внутри участка плавки в среде расплавленного материала загрузки и являются погруженными нагревателями прямого действия. To solve these problems, the heating of the charge material above the melting temperature, its mixing, the movement of the melt zone is carried out by an electromagnetic field that arises as a result of its action by eddy currents and mechanical forces and convection, which are optimally directed and emanate from an energy source inside a continuous section of the charge. As a source of electromagnetic field, eddy currents and mechanical forces, zone melting devices are used that have inductors that, when zone melting, operate inside the melting section in the environment of molten loading material and are immersed direct-acting heaters.

Зонную плавку загрузки 1 сплошного сечения осуществляют устройствами, содержащими индукторы 2 прямого действия, работающие погруженными в материал загрузки и являющиеся источниками электромагнитной энергии, вихревых токов и механических сил, действующих изнутри загрузки на материал участка зонной плавки, при этом материал расплавляют и нагревают до температуры ведения процесса вихревыми токами, создают участок 3 расплавленного материала определенной длины, перемешивают расплав переменным электромагнитным полем, перемещая микрообъемы материала вокруг индуктирующего провода, причем все менее интенсивно по мере удаления от его поверхности, и возникающими механическими силами, перемещающими микрообъемы материала в направлении, перпендикулярном поверхности индуктирующего провода 4, охлаждают расплавленный материал загрузки ниже температуры отвердевания охладителями 5, установленными напротив раздела фаз материала загрузки, и перемещают зоны плавки 3 вдоль оси загрузки либо перемещением устройства для зонной плавки относительно неподвижной загрузки, либо перемещением загрузки относительно неподвижного устройства, либо перемещением устройства и загрузки одновременно. Для установки первого индуктора, а в некоторых случаях и других индукторов устройства и ускорения процесса плавки могут выполняться специальные элементы в загрузке в виде отверстий, канавок и т.п. Первый индуктор 6 устройства для зонной плавки устанавливают либо в отверстие, выполненное в начале загрузки, либо вплотную к торцу загрузки, включают с помощью колодок 7 в цепь источника тока и начинают осуществлять нагрев материала загрузки непосредственно, если он электропроводен, либо наружную электропроводную оболочку 8 индуктора, если материал загрузки неэлектропроводен в твердом состоянии либо обладает малой электропроводностью, вихревыми токами. Расстояние от поверхности индуктирующего провода до материала загрузки, прежде всего в направлении плавящейся поверхности раздела фаз материала, для осуществления прямого нагрева выбирают меньше либо равным одной трети глубины проникновения тока в материал загрузки в твердом состоянии, в этом случае более 50% энергии выделяется непосредственно в материале загрузки в виде джоулева тепла. Для уменьшения передачи энергии в других направлениях, например в направлении затвердевающей поверхности раздела фаз материала, с целью создания оптимальных условий для диффузии примесей либо добавок и отвердевания материала на поверхности раздела фаз, расстояние увеличивают. При перемещении устройства для зонной плавки и загрузки относительно друг друга вдоль оси загрузки в зону интенсивного нагрева индуктора постоянно поступает, нагревается и плавится материал твердой фазы. Многие материалы, например металлы, в расплавленном состоянии имеют удельное электрическое сопротивление в несколько раз больше, чем в твердом состоянии, поэтому глубина проникновения тока в расплавленный материал значительно больше глубины проникновения тока в твердый материал. Вследствие этого в твердом материале загрузки, попадающем в зону нагрева индуктора, количество выделяемой энергии увеличивается. Использование прямого нагрева, помещение источника электромагнитной энергии внутри материала загрузки, перемешивание расплавленного материала электромагнитным полем, возникающими механическими силами и конвекцией, создание однородного состава, снижение интенсивности перемешивания и температуры расплавленного материала вблизи отвердевающей поверхности раздела фаз состояния материала загрузки позволяют повысить: КПД источника энергии, скорость перемещения зон плавки, качество и производительность процесса. Второй и последующие индукторы устанавливают, как правило, на расстоянии, равном удвоенной глубине проникновения тока в расплавленный материал, если его удельное электросопротивление больше, чем твердого материала, либо в твердый материал, если его удельное электросопротивление больше, чем у расплавленного материала. После прохождения загрузки индукторов и охладителей происходит либо очищение материала загрузки от примесей, либо растворение в нем добавок, в зависимости от поставленной задачи, за счет разной растворимости компонентов материала в твердой и жидкой фазах состояния. Zone melting of the load 1 of a solid cross section is carried out by devices containing direct-acting inductors 2 operating immersed in the material of the load and being sources of electromagnetic energy, eddy currents and mechanical forces acting from the inside of the load on the material of the zone melting section, while the material is melted and heated to a temperature of reference process by eddy currents, create a section 3 of molten material of a certain length, mix the melt with an alternating electromagnetic field, moving the microvolume we are around the induction wire, and less and less intense as it moves away from its surface, and the emerging mechanical forces that move the microvolumes of the material in the direction perpendicular to the surface of the induction wire 4 cool the molten loading material below the solidification temperature by coolers 5, which are installed opposite the phase section of the loading material , and move the melting zone 3 along the axis of the load, either by moving the device for zone melting relative to the stationary load, or by moving Niemi load relative to the stationary apparatus, or device and moving the load simultaneously. To install the first inductor, and in some cases other inducers of the device and accelerate the melting process, special elements can be performed in the load in the form of holes, grooves, etc. The first inductor 6 of the zone melting device is installed either in the hole made at the beginning of the load or close to the end of the load, is connected with the help of pads 7 to the circuit of the current source and heating of the material of the load is started directly if it is electrically conductive, or the outer conductive shell 8 of the inductor if the loading material is non-conductive in the solid state or has low electrical conductivity, eddy currents. The distance from the surface of the induction wire to the loading material, primarily in the direction of the melting phase interface of the material, for direct heating is chosen to be less than or equal to one third of the depth of current penetration into the loading material in the solid state, in this case more than 50% of the energy is released directly in the material downloads in the form of joule heat. To reduce the energy transfer in other directions, for example, in the direction of the hardened phase interface of the material, in order to create optimal conditions for the diffusion of impurities or additives and solidification of the material on the interface, the distance is increased. When the device for zone melting and loading is moved relative to each other along the loading axis, the solid phase material constantly enters, heats up, and melts the solid phase material in the zone of intense heating of the inductor. Many materials, for example metals, in the molten state have electrical resistivity several times greater than in the solid state, so the depth of current penetration into the molten material is much greater than the depth of current penetration into the solid material. As a result of this, in the solid charge material falling into the heating zone of the inductor, the amount of energy released increases. Using direct heating, placing the source of electromagnetic energy inside the loading material, mixing the molten material with an electromagnetic field, arising mechanical forces and convection, creating a homogeneous composition, reducing the mixing intensity and temperature of the molten material near the hardening phase interface of the state of the loading material can increase: the efficiency of the energy source, the speed of movement of the melting zones, the quality and productivity of the process. The second and subsequent inductors are installed, as a rule, at a distance equal to twice the depth of current penetration into the molten material if its electrical resistivity is greater than that of a solid material, or in a solid material if its electrical resistivity is greater than that of a molten material. After passing the loading of the inductors and coolers, either the cleaning of the loading material from impurities or the dissolution of additives in it, depending on the task, occurs due to the different solubility of the components of the material in the solid and liquid phases of the state.

Устройства для зонной плавки имеют различную конструкцию в зависимости от использования в процессах зонной плавки, которые могут осуществлять при вертикальном, горизонтальном и наклонном положениях загрузки, при перемещении загрузки относительно неподвижного устройства, либо при перемещении устройства относительно неподвижной загрузки, либо при одновременном перемещении загрузки и устройства для зонной плавки. Перемещающиеся устройства для зонной плавки содержат индукторы 2 прямого действия, охладители 5, устройства 7 для подключения индукторов к источнику тока, теплоизоляционных накладок 9, так же как и неперемещающееся устройство, имеет наружный контейнер 10, подводящих и отводящих хладагент трубок 12, теплоизносостойких контейнеров 13. Индуктор состоит из охлаждаемого индуктирующего провода 4, электротермостойкой изоляции 11, толщину изоляции для осуществления прямого нагрева выбирают меньше либо равной одной трети глубины проникновения тока в материал загрузки:
δ ≤ 0,35Δ.
Теплоизносостойкие контейнеры 13 изготовляет из материала низкой теплопроводности, нерастворяющегося в расплавленном материале загрузки и невступающего с ним в химические реакции. Устройства для подключения индукторов к источнику тока известны и представляют собой, например, съемные токоподводящие колодки 7 для индукторов с прямолинейным индуктирующим проводом. Теплоизоляционные накладки 9 и наружные контейнеры 10 изготовляют либо однослойные из материала низкой теплопроводности и высокого электросопротивления, либо многослойные. Размеры накладок задают с учетом размеров загрузки, длины зоны плавки и толщины стенок наружного контейнера. Для установки индуктора в накладке выполняют отверстие, размеры которого соответствуют наружным размерам поперечного сечения либо изоляции индуктора, либо индуктирующего провода. В накладках могут быть устроены отверстия для установки трубок 12 охладителя.Zone melting devices have a different design depending on the use in zone melting processes, which can be carried out at vertical, horizontal and inclined loading positions, when loading the load relative to the stationary device, or when moving the device relative to the stationary load, or while moving the load and the device for zone melting. Moving devices for zone melting contain direct-acting inductors 2, coolers 5, devices 7 for connecting inductors to a current source, heat-insulating linings 9, as well as a non-moving device, has an outer container 10, inlet and outlet refrigerant tubes 12, and heat-resistant containers 13. The inductor consists of a cooled induction wire 4, electrically heat-resistant insulation 11, the thickness of the insulation for direct heating is chosen less than or equal to one third of the depth of current penetration into loading material:
δ ≤ 0.35Δ.
He makes heat-resistant containers 13 from a material of low thermal conductivity that does not dissolve in the molten material of the charge and does not enter into chemical reactions with it. Devices for connecting inductors to a current source are known and are, for example, removable current-conducting pads 7 for inductors with a rectilinear induction wire. Heat-insulating linings 9 and outer containers 10 are made either single-layer from a material of low thermal conductivity and high electrical resistance, or multilayer. The dimensions of the pads are set taking into account the size of the load, the length of the melting zone and the wall thickness of the outer container. To install the inductor in the patch, a hole is made, the dimensions of which correspond to the external dimensions of the cross section of either the insulation of the inductor or the induction wire. In the pads can be arranged holes for installing the tubes 12 of the cooler.

На фиг.1 изображена зонная плавка загрузки из неэлектропроводного материала либо материала, обладающего очень низкой электропроводностью, с загрузки и устройства для зонной плавки с наружным контейнером относительно друг друга. На фиг.2 изображена зонная плавка загрузки прямоугольного сечения из электропроводного материала с перемещением устройства для зонной плавки в контейнере относительно неподвижной загрузки. На фиг.3 и 4 изображено перемещающееся устройство для зонной плавки, изображенной на фиг.2. Figure 1 shows the zone melting of the load of non-conductive material or a material having a very low conductivity, from the load and the device for zone melting with an outer container relative to each other. Figure 2 shows the zone melting of the loading of a rectangular cross-section of electrically conductive material with the movement of the device for zone melting in the container relative to the stationary load. Figure 3 and 4 shows a moving device for zone melting, shown in figure 2.

Зонную плавку свинцовой загрузки прямоугольного сечения перемещающимся устройством осуществляют следующим образом. Пусть сечение загрузки 0,05х0,05 м, плотность свинца 11,3•10³ кг/м³, удельное электрическое сопротивление твердого свинца 1,9•10^-7Ом•м, удельное электросопротивление жидкого свинца 9,5•10^-7 Ом•м, удельная теплоемкость жидкого свинца 150 Дж/(кг•К), удельная теплота плавления свинца составляет 26500 Дж/кг, начальная температура 20^oC, температура ведения процесса зонной плавки 400^oC. Устройство для зонной плавки имеет индукторы с прямолинейным водоохлаждаемым медным индуктирующим проводом, наружный диаметр которого равен 4 мм, внутренний диаметр - 3 мм, и электротермоизносостойкую изоляцию и корунда марки K, обладающего удельным объемным электросопротивлением, равным 10¹⁶ Ом•м при температуре 800^oC и температурой огнеупорности 1900^oC, двухслойные теплоизоляционные накладки, один слой которых изготовляют из чистой технической меди толщиной, например, 1 мм, а другой в виде обмазки из вспученного перлита, имеющего коэффициент теплопроводности 0,175 Вт/(м•^oC) при температуре 400^oC, теплоизносостойкие контейнеры, в которые помещают загрузку, изготовляют так же, как и накладки с медным слоем, обращенным во внутрь контейнера. Индукторы включают в цепь источника тока с помощью съемных медных колодок. Глубину проникновения вихревых токов определяют для жидкого свинца, принимая магнитную проницаемость равной 1, при частоте тока 10000 Гц глубина проникновения тока в расплавленный свинец составит 5 мм. Толщину изоляции первого индуктора для осуществления прямого нагрева принимают равной 1,5 мм. На противоположном участке изоляции, направляемом при установке индуктора в сторону отвердевающей поверхности раздела фаз, толщину изоляции принимают равной 4 мм, переход толщин участков изоляции выполняют плавно. Индуктирующий провод вместе с изоляцией имеет размеры поперечного сечения по вертикальной оси 9,5 мм, по горизонтальной - 12 мм. Затем подключают охлаждение индукторов и охладителей, включают первый индуктор в цепь источника тока, нагревают материал загрузки до температуры 400^oC и начинают перемещать устройство. При этом расплавленный свинец поступает под охладитель, где его охлаждают до температуры отвердевания, например 320^oC, создают поверхность раздела жидкой и твердой фаз свинца, на которой происходит отвердевание свинца и диффузия примесей в расплав, по причине большей растворимости их в жидком свинце. Длина участка зоны плавки составит 20 мм, за час будет расплавлено около 3,65 кг свинца. При работе погруженного индуктора тепловых потерь практически нет, поэтому КПД индуктора будет зависеть в основном от величины электрических потерь в индуктирующем проводе, от расстояния между поверхностью индуктирующего провода и загрузкой, от удельного электрического сопротивления свинца. В данном случае КПД индуктора составит не менее 85%, так как индуктор работает в расплаве, удельное электросопротивление которого в 5 раз больше электросопротивления твердого свинца. Полная мощность первого индуктора составит 180 Вт, ток 200 А, напряжение 1В. Второй и последующие участки зонной плавки создают аналогично первому, с учетом того, что свинец твердой фазы имеет температуру около 320^oC и для нагрева его до температуры ведения процесса требуется значительно меньше энергии.Zone melting of lead loading of rectangular cross section by a moving device is as follows. Let the loading cross section be 0.05 x 0.05 m, lead density 11.3 • 10 ³ kg / m ³ , electrical resistivity of solid lead 1.9 • 10 ^-7 Ohm • m, electrical resistivity of liquid lead 9.5 • 10 ^-7 Ohm • m, the specific heat of liquid lead is 150 J / (kg • K), the specific heat of fusion of lead is 26500 J / kg, the initial temperature is 20 ^o C, the temperature of the zone melting process is 400 ^o C. The device for zone melting has rectilinear inducers a water-cooled copper induction wire with an outer diameter of 4 mm, an inner diameter of 3 mm, and electrothermal wear-resistant insulation and K grade corundum, having a specific volume electrical resistivity of 10 ¹⁶ Ohm • m at a temperature of 800 ^o C and a refractoriness temperature of 1900 ^o C, two-layer heat-insulating linings, one layer of which is made of pure technical copper, for example, 1 mm thick, and in another form of pack from expanded perlite having a thermal conductivity of 0.175 W / (m • ^o C) at a temperature of 400 ^o C, teploiznosostoykie containers, which are placed in the boot, are made as well as the laths with a copper layer faces th in the interior of the container. Inductors are included in the current source circuit using removable copper blocks. The penetration depth of eddy currents is determined for liquid lead, taking the magnetic permeability equal to 1, at a frequency of 10,000 Hz, the current penetration depth into molten lead will be 5 mm. The thickness of the insulation of the first inductor for direct heating is taken equal to 1.5 mm On the opposite section of insulation, directed when the inductor is installed in the direction of the hardening phase interface, the insulation thickness is taken to be 4 mm, the transition of the thicknesses of the insulation sections is performed smoothly. The induction wire together with the insulation has a cross-sectional dimension along the vertical axis of 9.5 mm, on the horizontal axis - 12 mm. Then, the cooling of the inductors and coolers is connected, the first inductor is connected to the current source circuit, the feed material is heated to a temperature of 400 ^° C. and the device is started to move. In this case, molten lead enters under a cooler, where it is cooled to a solidification temperature, for example, 320 ^° C, and an interface is created between the liquid and solid phases of lead, on which solidification of lead and diffusion of impurities into the melt occurs, due to their greater solubility in liquid lead. The length of the melting zone section will be 20 mm, about 3.65 kg of lead will be melted per hour. When a submerged inductor operates, there is practically no heat loss, therefore, the efficiency of the inductor will depend mainly on the magnitude of the electrical losses in the induction wire, on the distance between the surface of the induction wire and the load, and on the electrical resistivity of lead. In this case, the efficiency of the inductor will be at least 85%, since the inductor operates in a melt, the electrical resistivity of which is 5 times greater than the electrical resistance of solid lead. The total power of the first inductor will be 180 W, current 200 A, voltage 1V. The second and subsequent sections of zone melting are created similarly to the first, taking into account the fact that lead of the solid phase has a temperature of about 320 ^o C and significantly less energy is required to heat it to the temperature of the process.

Все режимы зонной плавки определяют эмпирическим путем. Для определения ориентировочных режимов используют известные формулы и решают уравнения теплового баланса. All zone melting modes are determined empirically. To determine the approximate modes, known formulas are used and heat balance equations are solved.

Claims

1. The method of zone melting with heating sections of the material of the charge above the melting temperature by eddy currents, characterized in that the heating of the material of the load, its mixing and moving sections of the heat of the load along its axis, both by moving the device along the stationary load and moving the load in a stationary device from the inside of the load immersed inductors in it, including direct heating, and creating a closed circulating alternating electromagnetic field in the molten material of the load.

2. The method according to claim 1, characterized in that the heating material of the charge of high electrical resistance to the melting temperature is carried out by heat transfer from the eddy current sheathed electrically conductive sheath covering the electrothermally resistant insulation of the induction wire.

3. A device for zone melting, consisting of heat-insulating linings and alternating inductors, coolers and heat-resistant containers, characterized in that the heat-resistant containers have an internal cross section, the same as the load section, selected in accordance with the penetration depth of the eddy currents in the material of the load , coolers are installed so that the inner surface of each of them lies on the same surface as the inner surface of the containers, while on opposite sides The containers have holes for accommodating induction wires located at an equal distance from neighboring coolers and having the shape and dimensions corresponding to the cross section of the induction wires, and the inductors in the areas inside the containers have induction wires made either with an electrothermally-resistant coating or with a coating consisting of from an external electrically conductive heat-resistant jacket and electrothermal insulation.

4. The device according to claim 3, characterized in that the heat-insulating linings are installed symmetrically on opposite sides of heat-resistant containers and inductors, while the linings are made with holes for placement of induction wires and tubes of coolers in them.

5. The device according to claim 3, characterized in that the induction wires are coated with a variable cross-section for concentrating an alternating magnetic flux and direct heating in a given direction, while the thickness of the coating from the directional heating side is chosen to be less than or equal to 0.35Δzh, where Δzh - the penetration depth of the eddy currents in the molten material of the load.