СПОСОБ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ НА РАСПЛАВЛЕННЫЙ МЕТАЛЛ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК C22B9/22 C21D10/00 C22F3/00 

Изобретения относятся к средствам изменения физической структуры черных и цветных металлов или их сплавов иным путем, чем термообработкой или деформацией, в частности посредством электромагнитных полей, и могут 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.

Известен способ ультразвуковой обработки (УЗО) жидкого и кристаллизующегося металла (см. Основы физики и техники ультразвука. Б.А. Агранат, М. Н. Дубровин, Н.Н. Хавский и др. М.: Высшая школа, 1987, стр.224-291).

Суть метода состоит во введении излучателя УЗ колебаний в объем расплавленного металла и воздействии механических ультразвуковых колебаний на расплавленный металл, вызывающих в нем формирование кавитационных пузырьков. Поскольку реальные расплавы содержат мельчайшие частицы неметаллических примесей (оксиды, карбиды, нитриды и т.д.), то возникающие кавитационные пузырьки по-разному действуют на сам металл и примеси в нем.

Так, при действии ультразвука на расплавленные алюминиевые сплавы наблюдается увеличение жидкотекучести (см. выше стр.248), рафинирование расплава от твердых и газовых включений (см. выше стр.235). Изменяются после УЗО и свойства затвердевшего металла. Отмечено уменьшение размера зерен (см. выше стр.267) и изменение структуры слитков (см. выше стр.268).

Основной недостаток использования УЗО заключается в малой устойчивости излучателя УЗ колебаний, т.к. он находится в расплавленном металле, подвергается действию высокой температуры и механических колебаний.

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.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ воздействия лазерным излучением на расплавы, содержащие алюминий (см. Литейное производство. 1999 г., 9, стр.8). Суть способа заключается в облучении расплава 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 способа 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.

Целью изобретений является увеличение эффективности воздействия за счет увеличения объема обрабатываемого металла при одновременном уменьшении стоимости установки.

Поставленная цель достигается тем, что:
- в способе воздействия электромагнитного излучения на расплавленный металл, включающем обработку расплава металла электромагнитными колебаниями, согласно изобретению обработку осуществляют путем создания внутри расплава однополярных электромагнитных импульсов тока длительностью менее 1 нс и мощностью более 1 МВт;
- в установке для воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл, содержащей металлический тигель с расплавом металла, источник электромагнитных колебаний, электрод, согласно изобретению в качестве источника электромагнитных колебаний используют генератор однополярных импульсов длительностью менее 1 нс и мощностью более 1 МВт с двумя выводами, а электрод выполнен в виде металлических стержней в диэлектрической оболочке и размещен внутри расплава, при этом один из выводов генератора соединен с металлическим тиглем, а второй - с одним из концов стержней электрода.

Введение облучателей непосредственно в объем расплавленного металла в совокупности с использованием в качестве электромагнитных колебаний очень коротких, но очень мощных импульсов позволяет повысить эффективность воздействия электромагнитного излучения на расплавленный металл и снизить стоимость такой обработки.

При пропускании через расплавленный металл мощных электромагнитных импульсов тока в некоторые моменты времени возникают электромагнитные поля с очень высокой напряженностью до 10⁸...10¹⁰В/м. Эти поля по-разному воздействуют на сам металл и содержащиеся в нем примеси, что приводит к изменению свойств расплавленного и затвердевшего металла. Например, у силуминов увеличивается жидкотекучесть, прочность и пластичность, а у цинкового сплава изменяется удельное электрическое сопротивление, увеличивается пластичность.

В сравнении с прототипом заявленный способ обладает новизной, отличаясь созданием в расплаве однополярных импульсов тока очень малой длительности и большой мощности, а установка отличается использованием в качестве источника электромагнитных колебаний генератора однополярных импульсов тока длительностью менее 1 нс и мощностью более 1 МВт и выполнением электрода в виде металлических стержней в диэлектрической оболочке и соединением выводов генератора с тиглем и электродами.

Хотя размещение облучателя в объеме расплавленного металла известно (см. , например, метод ультразвуковой обработки), и сам по себе генератор известен (см. патент РФ 2004064 по кл. Н 03 К 3/33, з. 05.06.91 г., оп. 30.11.93 г. "Формирователь наносекундных импульсов"), однако влияние совокупности этих отличительных признаков на достигаемый технический результат не известно и не следует явным образом из известного уровня техники, поэтому заявитель считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

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

Изобретения иллюстрируются чертежом, где приведена схема установки. Заявленный способ воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл осуществляется с помощью установки следующим образом. В электрическую печь 1 сопротивления помещается тигель 2 с расплавленным металлом. Внутрь металлического тигля 2 с расплавленным металлом помещают в оболочке 3 стержень 4 из более тугоплавкого металла, чем металл в тигле 2. Этот стержень отделен от расплавленного металла диэлектрической оболочкой 3. Эта оболочка может быть выполнена в виде кварцевой или керамической трубки. 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. Н 03 К 3/33, з. 05.06.91 г., оп. 30.11.93 г. "Формирователь наносекундных импульсов".

При пропускании через расплавленный металл мощных однополярных коротких импульсов тока в металле происходит спиновая поляризация атомов, пространственная ориентация ионов, увеличение числа кластеров в жидкой фазе, что приводит к изменению свойств расплавленного и затвердевшего металлов.

В частности, для расплава силумина типа АК 7 наблюдается повышение жидкотекучести по спиральной пробе при 650^oС со 170 до 290 мм. В затвердевшем расплаве силумина увеличивается относительное удлинение с 0,5...0,6% в необработанном образце до 1,0...1,2% в обработанном. В затвердевшем металле изменяется форма зерна кремния в эвтектике с иглообразной до почти сферической в обработанном образце. При этом размер зерен уменьшается с 10.. . 13 мкм до 7...9 мкм в обработанном образце. На 15% увеличивается прочность на разрыв.

Изобретения относятся к средствам изменения физической структуры черных и цветных металлов или их сплавов иным путем, чем термообработкой или деформацией, в частности посредством электромагнитных полей, и могут использоваться в металлургической и машиностроительной промышленности. Способ включает обработку расплава металла электромагнитными колебаниями. Обработку осуществляют путем создания внутри расплава однополярных электромагнитных импульсов тока длительностью менее 1 нс и мощностью более 1 МВт. Установка содержит металлический тигель с расплавом металла, источник электромагнитных колебаний, электрод. В качестве источника электромагнитных колебаний используют генератор однополярных импульсов длительностью менее 1 нс и мощностью более 1 МВт с двумя выводами. Электрод выполнен в виде металлических стержней в диэлектрической оболочке и размещен внутри расплава, при этом один из выводов генератора соединен с металлическим тиглем, а второй - с одним из концов стержней электрода. Введение облучателей непосредственно в объем расплавленного металла в совокупности с использованием в качестве электромагнитных колебаний очень коротких, но очень мощных импульсов позволяет повысить эффективность воздействия электромагнитного излучения на расплавленный металл и снизить стоимость такой обработки. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ воздействия электромагнитного излучения на расплавленный металл, включающий обработку расплава металла электромагнитными колебаниями, отличающийся тем, что обработку осуществляют путем создания внутри расплава однополярных электромагнитных импульсов тока длительностью менее 1 нс и мощностью более 1 МВт. 2. Установка для воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл, содержащая металлический тигель с расплавом металла, источник электромагнитных колебаний, электрод, отличающаяся тем, что в качестве источника электромагнитных колебаний используют генератор однополярных импульсов длительностью менее 1 нс и мощностью более 1 МВт, с двумя выводами, а электрод выполнен в виде металлических стержней в диэлектрической оболочке и размещен внутри расплава, при этом один из выводов генератора соединен с металлическим тиглем, а второй - с одним из концов стержней электрода.