Установка для воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл

Полезная модель относится к средствам изменения физической структуры черных и цветных металлов или их сплавов иным путем, чем термообработкой или деформацией, в частности посредством электромагнитных полей, и может использоваться в металлургической и машиностроительной промышленности.

Задача - упрощение конструкции установки при снижении ее стоимости и расширении эксплутационных возможностей.

В электрическую печь 1 сопротивления помещается тигель 2 с расплавленным металлом 3. Внутрь металлического тигля 2 с расплавленным металлом 3 помещают графитовый стержень 4. Тигель 2 закрыт крышкой 5. Один из выводов генератора 6 импульсов проводом 7 соединен с тиглем 2, а второй вывод - со стержнем 4. Через расплавленный металл 3 в течение 10-20 мин пропускают однополярные импульсы тока длительностью 0,5 нс, мощностью 1 МВт, с частотой повторения 1 кГц. Электрод 4 служит облучателем.

Выполнение электрода-облучателя графитовым и размещение его непосредственно в объеме расплавленного металла позволяет упростить конструкцию и дает возможность использовать установку для обработки большого количества металла.

Использование графитового электрода обосновано тем, что графит имеет сравнительно малое электрическое сопротивление и, следовательно, хорошо проводит электромагнитные колебания. Графит имеет высокую температуру плавления и поэтому устойчив в расплавах очень многих металлов. 1 п.ф., 1 ил.

Полезная модель относится к средствам изменения физической структуры черных и цветных металлов или их сплавов иным путем, чем термообработкой или деформацией, в частности посредством электромагнитных полей, и может использоваться в металлургической и машиностроительной промышленности.

Особенность воздействия колебаний заключается в том, что под их действием некоторые расплавленные металлы изменяют свои свойства при затвердевании. Например, возможно увеличение жидкотекучести расплавленного металла, повышение прочности затвердевшего металла и т.д.

Известно средство воздействия на расплавленный металл (медь) электромагнитных колебаний (см. Шипов Г.И. Теория физического вакуума. М.: Наука, 1997, стр.251-253). Суть этого воздействия состоит в том, что в качестве источника колебаний используется генератор синусоидальных колебаний с частотой 100 МГц. Генератор соединен с контуром, содержащим катушку и конденсатор. Внутрь конденсатора помещен ферромагнетик, который находится на оси конуса. Этот конус формирует диаграмму направленности поля. Поле действует на поверхность расплавленного металла, который находится в алундовом тигле.

Испытывались два образца в одинаковых режимах нагрева и охлаждения: контрольный и облученный. У облученного образца отмечено увеличение прочности, пластичности и изменение структуры.

К недостаткам этих средств воздействия следует отнести малую производительность установки, т.к. облучается малое количество металла, поскольку воздействие осуществляется через его поверхность.

Известно средство воздействия лазерным излучением на расплавы, содержащие алюминий (см. Литейное производство. 1999 г., 9, стр.8). Расплав облучают непрерывным лазер Комета - 2, частота 10¹⁴ Гц) или импульсным с синусоидальным заполнением (лазер Квант - 15 частота 10¹⁵ Гц) электромагнитным излучением. Проводят обработку поверхности расплавленного металла сфокусированным лучом путем перемещения его по поверхности, либо расфокусированным лучом, который охватывает всю поверхность.

Отмечено, что после облучения изменяется фазовый состав и структура сплава АЛ-25. Отмечено также увеличение твердости облученных образцов по сравнению с необлученными.

Физику воздействия излучения на металл авторы объясняют повышением температуры в локальной области, где действует излучение. Это приводит к изменению структуры расплава и образованию новых химических соединений: оксидов, нитридов, гидридов. Разный коэффициент поглощения излучения для различных элементов расплава приводит к разной величине поглощенной энергии, что может привести к распаду одних группировок элементов и возникновению новых.

К недостаткам этого средства следует отнести большую стоимость лазеров и небольшую эффективность из-за малой величины объема облучаемого металла, т.к. сфокусированный и расфокусированный лучи имеют малые диаметры, а воздействие осуществляется через поверхность расплавленного металла.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является установка для воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл, описанная в п. РФ 2198945 по кл. C22B 9/22, C21D 10/00, C22F 3/00, з. 27.11.2000, оп. 20.02.2003 г. и выбранная в качестве прототипа.

Известная установка содержит металлический тигель с расплавом металла, источник электромагнитных колебаний в виде генератора однополярных импульсов длительностью менее 1 нс и мощностью более 1 МВт с двумя выводами, электрод, выполненный в виде металлических стержней в диэлектрической оболочке и размещенный внутри расплава, при этом один из выводов генератора соединен с металлическим тиглем, а второй - с одним из концов стержней электрода.

Недостаток известной установки заключается в следующем.

При больших массах обрабатываемого металла электрод, погружаемый в металл, имеет большие размеры. Соответственно, диэлектрическая оболочка на нем также имеет большие размеры и при этом она должна выдерживать высокие температуры. Производство таких оболочек представляет собой очень сложную техническую проблему, а сам электрод в диэлектрической оболочке обладает очень высокой стоимостью. Сложной технической задачей является и помещение электрода в расплавленный металл, поскольку при высокой температуре расплава процесс погружения должен быть сравнительно медленным, чтобы избежать растрескивания оболочки, что приводит к остыванию расплава. Для обработки больших масс высокотемпературных расплавов известную установку применить практически невозможно.

Задачей является упрощение конструкции при снижении ее стоимости и расширении ее эксплутационных возможностей.

Поставленная задача решается тем, что в установке для воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл, содержащей металлический тигель с расплавом металла, электрод- облучатель, источник электромагнитных колебаний, представляющий собой генератор однополярных импульсов длительностью менее 1 нс и мощностью более 1 МВт, с двумя выводами, при этом один из выводов генератора соединен с металлическим тиглем, а второй - с одним из концов электрода-облучателя, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, электрод выполнен графитовым и размещен непосредственно внутри расплава.

Введение электрода-облучателя графитовым и размещение его непосредственно в объеме расплавленного металла позволяет упростить конструкцию и дает возможность использовать установку для обработки большого количества металла.

Использование графитового электрода обосновано тем, что графит имеет сравнительно малое электрическое сопротивление и, следовательно, хорошо проводит электромагнитные колебания. Графит имеет высокую температуру плавления и поэтому устойчив в расплавах очень многих металлов. Графит имеет широкую применимость в металлургической промышленности в виде графитовых электродов. Для их выпуска имеются специальные заводы, которые выпускают широкую номенклатуру изделий.

Технический результат - обеспечение возможности размещения электрода- облучателя непосредственно в расплаве металла.

Заявляемая установка обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение электрода-облучателя графитовым и размещение его непосредственно внутри расплава, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Предлагаемая установка может найти применение в металлургической и машиностроительной промышленности, в частности при литье сложных отливок, поэтому они соответствуют критерию "промышленная применимость".

Полезная модель иллюстрируется чертежом, где приведена схема установки.

В электрическую печь 1 сопротивления помещается тигель 2 с расплавленным металлом 3. Внутрь металлического тигля 2 с расплавленным металлом 3 помещают графитовый стержень 4. Тигель 2 закрыт крышкой 5. Один из выводов генератора 6 импульсов проводом 7 соединен с тиглем 2, а второй вывод - со стержнем 4. Через расплавленный металл в течение 10-20 мин пропускают однополярные импульсы тока длительностью 0,5 нс, мощностью 1 МВт, с частотой повторения 1 кГц.

В качестве генератора 6 импульсов может быть использован генератор, описанный в патенте РФ 2004064 по кл. H03K 3/33, з. 05.06.91 г., оп. 30.11.93 г. "Формирователь наносекундных импульсов".

При пропускании через расплавленный металл мощных электромагнитных импульсов тока в некоторые моменты времени возникают электромагнитные поля с очень высокой напряженностью до 10⁸10¹⁰ В/м. Эти поля по-разному воздействуют на сам металл и содержащиеся в нем примеси, что приводит к изменению свойств расплавленного и затвердевшего металла. При этом в металле происходит спиновая поляризация атомов, пространственная ориентация ионов, увеличение числа кластеров в жидкой фазе, что приводит к изменению свойств расплавленного и затвердевшего металлов.

Испытания установки проводили на облучении расплава свинца. Масса расплава 2,5 т. Тигель (котел) из стали диаметром 2,5 м, стержень графитовый 500×15×15 мм, укреплен на кронштейне над котлом. Температура облучения 488°C. Время облучения 15 мин. Перед облучением производился отбор контрольного образца металла. После облучения и перемешивания производился отбор облученного расплава. Из отобранных образцов исходного и облученного металлов изготавливались образцы для механических испытаний по три штуки из каждого отбора. Испытания показали, что средняя твердость трех образцов свинца до облучения 11,6 HRB, после облучения 12,6 HRB.

В сравнении с прототипом заявляемая установка имеет более широкие эксплуатационные возможности, являясь более простой и дешевой.

Установка для воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл, содержащая металлический тигель с расплавом металла, электрод, источник электромагнитных колебаний, представляющий собой генератор однополярных импульсов длительностью менее 1 нс и мощностью более 1 МВт, с двумя выводами, при этом один из выводов генератора соединен с металлическим тиглем, а второй - с одним из концов электрода, отличающаяся тем, что электрод выполнен из графита и с возможностью размещения непосредственно в расплаве металла.