СПОСОБ ЗОННОЙ ПЛАВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК C30B13/16 

Изобретение относится к зонной плавке и может быть использование для получения и очистки различных материалов.

Известны способ зонной плавки /В.Пфанн, Зонная плавка. - М.: Мир, 1970/, в котором нагрев участков загрузки осуществляют вихревыми токами, индуктированными многовитковым индуктором, установленным снаружи загрузки и контейнера. Известен способ зонной плавки и устройство для его осуществления /патент РФ №2124078/, в котором нагрев участков загрузки осуществляют индукторами изнутри загрузки. В первом случае при нагреве загрузки большого сечения и при использовании больших мощностей индуктор и соответственно участок плавки имеют большую длину. Во втором случае для выделения большой мощности в загрузке индуктирующий провод должен иметь большое поперечное сечение.

Задачами настоящего изобретения являются: расширение технологических возможностей зонной плавки, повышение ее производительности и повышение кпд использования электрической энергии.

Для осуществления этой цели нагрев материала загрузки до температуры ведения процесса осуществляют вихревыми токами, индуктированными в ограниченном объеме с помощью концентрированного переменного магнитного поля /потока/, направленного таким образом, чтобы создавались зоны /участки/ плавки. В качестве источника электромагнитного поля /потока/ для создания каждой зоны плавки применяют нагреватели, имеющие в своем составе одну или несколько электрических обмоток /катушек/ и магнитопровод с разрывом магнитной цепи, в котором при плавке находится контейнер с загрузкой.

Зонную плавку осуществляют следующим способом. В устройстве для зонной плавки во внутреннем контейнере 1 с определенной скоростью перемещают загрузку и при поступлении ее в зону действия магнитного потока первого нагревателя создают первый участок 2 /зону/ расплавленного материала определенной длины, зависящей прежде всего от высоты магнитного потока /толщины магнитопровода/, ширина которого примерно равна ширине загрузки. При дальнейшем перемещении загрузки расплавленный материал поступает в зону действия охладителя 3 и охлаждается до отвердевания, создавая участок 4 твердой и твердожидкой фаз, на границе которых с жидкой фазой происходят диффузионные процессы и перераспределение концентраций примесей, далее противоположная часть участка 4 твердой фазы поступает в зону действия следующего нагревателя и процесс зонной плавки повторяется. Процессы плавки и отвердевания повторяются столько раз, сколько нагревателей и охладителей содержит устройство. После прохождения последнего охладителя загрузка отвердевает и состоит в общем случае из трех условных участков: двух концевых, на которых в результате диффузионных процессов содержание примесей имеет повышенную концентрацию, и среднего участка низкой концентрации примесей. Нагрев и расплавление участков /зон/ загрузки осуществляют теплом, выделяющимся от действия вихревых токов, индуктированных концентрированным переменным магнитным полем /потоком/, направленным вдоль поперечного сечения участков, являющихся звеном магнитной цепи нагревателя: магнитопровод 5 - теплоизоляция 6 - участок 2 загрузки с контейнером - теплоизоляция 6 - магнитопровод 5. Магнитодвижущую силу создают одной или несколькими установленными на магнитопроводе обмотками /катушками/ 7. Длина разрыва магнитопровода превышает размер сечения контейнера. Использование магнитопровода позволяет уменьшить реактивные потери цепи и повысить кпд устройства, использовать источник тока со значительно меньшими значениями тока в сравнении с используемыми для нагревателей-индукторов. Длина зоны /участка/ плавки значительно меньше, чем при использовании многовитковых нагревателей-индукторов, устанавливаемых снаружи загрузки и контейнера.

Устройство для зонной плавки содержит: контейнер 1 для загрузки с установленными на нем охладителями 3; расположенные на равном расстоянии от охладителей нагреватели с магнитопроводами 5 и обмотками 7; теплоизоляцию 6; наружный контейнер 8. Кроме этого, устройство может иметь различной конструкции раму /станину, остов/, привод, систему охлаждения, систему питания электрическим током, силовое электрооборудование, приборы автоматики, датчики и т.п.

На фиг.1 изображена зонная плавка загрузки прямоугольного сечения с ее перемещением сверху вниз, на фиг.2 - поперечное сечение устройства в плоскости, проходящей через нагреватель.

Зонную плавку загрузки прямоугольного сечения, например свинцовой, сечением 0,11×0,1 м осуществляют следующим образом. По имеющимся свойствам и характеристикам свинца и скорости перемещения загрузки определяют количество тепла, необходимое для создания участков плавки, и необходимый для получения данного количества тепла ток и напряжение. Примем температуру ведения процесса равной 400°С, толщину стенок контейнера 2 мм, толщину изоляции между контейнерами 100 мм, расстояние между нагревателями 150 мм. Мощность, выделяемая на первом нагревателе, составит около 1,8 кВт при скорости перемещения загрузки 0,5 м, на следующих нагревателях около 1,2 кВт. Перемещая во внутреннем контейнере загрузку в течение 4 часов, можно на выходе получить слиток длиной 2 м, из которого можно получить 175 кг очищенного свинца.

Все режимы зонной плавки определяют эмпирическим путем. Расчеты нагревателей, обмоток, охлаждения, тепловых потерь, скорости подачи загрузки и т.п. осуществляют по известным формулам.

Изобретение может быть использовано для получения высокочистых материалов. Участки зонной плавки образуют нагревом материала загрузки выше температуры плавления вихревыми токами, индуктируемыми магнитным полем. Охладители, установленные за нагревателями, создают участки твердой фазы. Вблизи отвердевающей поверхности раздела фаз создаются оптимальные условия для диффузии примесей. Устройство для зонной плавки содержит внешний и внутренний контейнеры с установленными на нем охладителями, теплоизоляцию и нагреватели, которые создают электромагнитное поле, индуктирующее в загрузке вихревые токи. Количество нагревателей и охладителей выбирается в зависимости от необходимой степени очистки, что позволяет достигать высокой производительности процесса и высокой степени очистки. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ зонной плавки, включающий перемещение загрузки, нагрев ее участков выше температуры плавления вихревыми токами и охлаждение участков загрузки до отвердевания, отличающийся тем, что вихревые токи индуктируются внешним по отношению к внутреннему контейнеру с загрузкой концентрированным переменным магнитным полем, направленным вдоль поперечного сечения участков.2. Устройство для зонной плавки, содержащее внешний контейнер, теплоизоляцию, внутренний контейнер, с установленными на нем охладителями и нагреватели, отличающееся тем, что нагреватели имеют электрические обмотки и магнитопроводы с разрывами магнитной цепи под установку контейнера для загрузки, причем длина разрыва магнитопровода превышает размер сечения контейнера.