книги из ГПНТБ / Вигдорович, В. Н. Совершенствование зонной перекристаллизации

На рис. 56 представлена схема действия аппарата, работающего по транспортному методу перемещения загрузки и выполненного в односекционном варианте. Для примера рассмотрим очистку от при-

Рис. 55. Некоторые варианты аппаратов колонной зонной перекристалли­ зации с одной секцией и полостным методом перемещения загрузки по колонне

месей, имеющих коэффициент распределения k <С 1. В начале цикла (рис. 56, а) благодаря наклонной форме загрузки (либо уклону самого устройства) часть расплавленной зоны 1 сливается через край ло­ дочки 2 в контейнер (на рис. 56 не показан). Далее расплавленная

141

зона 1 перемещается за счет перемещения нагревателя 3 (рис. 56, в и г), что предотвращает загрязнение исходного материала в питателе 5, При дальнейшем перемещении нагревателя 3 пробка исходного материала, заключенная между этими нагревателями и расплавлен­ ным материалом в питателе, начинает расплавляться и вытекать через отверстие 4. После прохождения нагревателем 3 области слив­

нения ее поперечного сечения, формы или длины (рис. 57, 1—4). При соответствующем изменении размеров или конфигурации другой части приемника можно управлять пол­ нотой слива зоны (5—8).

Конструкции нагревательных устройств в односекционных ап­ паратах такого типа также могут быть разными. В конструкции аппарата должно быть по меньшей мере два нагревателя — для на­ грева и расплавления исходного материала в питателе и для созда­ ния расплавленной зоны (9). Однако представляется целесообразным иметь дополнительный нагреватель для расплавления пробки (10),

142

Использование такого нагревателя позволит повысить экономич­ ность процесса за счет уменьшения времени проведения одного цикла. Для расплавления материала в сливном отверстии перед сливом зоны может применяться отдельный нагреватель 11, а для

Рис. 57. Некоторые варианты конструкции приемника в односекционных аппаратах для колонной зонной перекристаллизации

регулирования затвердевания материала при сливе может приме­ няться холодильник 12.

Поскольку в аппаратах рассматриваемого типа наряду с обога­ щенной примесями зоной сливается часть исходного материала, целесообразно осуществлять раздельный отбор обоих сливаемых

143

материалов, используя разные контейнеры, как это схематично по­ казано на рис. 58.

Для регулирования степени разбавления обогащенной примесями зоны исходным материалом в процессе слива можно менять форму

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОДНОСЕКЦИОННЫХ

'АППАРАТОВ КОЛОННОЙ ЗОННОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Экспериментальное исследование возможности осуществления одно­ секционной колонной зонной перекристаллизации, основанной на полостном (пустотном) методе, выполнили В. Н. Вигдорович совместно с К. М. Розиным и А. Н. Крестовниковым [115] на двух аппаратах, один из которых был предназначен для исследования механизма процесса на модельном материале — нафталине, другой— для проверки работоспособности аппарата при перекристаллизации металла на примере олова. Оба аппарата имели вертикально рас­ положенную колонну-разделитель, продвижение загрузки по колонне осуществлялось по полостному методу.

Подвижная система нагревателей, жестко связанных с суппор­ том, перемещалась в подшипниках вдоль колонны с помощью бара­ бана, вращаемого мотором гаевого типа через редуктор, что позво­ лило получить одну из следующих скоростей: 0,025, 0,1; 0,4; 1,6 и 7,4 мм/мин. Применение магнитной муфты позволило целиком авто­ матизировать работу аппарата.

144

Аппарат для перекристаллизации нафталина имел колонну ИЗ молибденового стекла, питатель диаметром от 30 до 80 мм и высотой 50— 100 мм (сверху закрывался часовым стеклом), приемник с раз­ делителем диаметром 10— 15 мм и высотой от 160 до 500 мм. Аппарат для перекристаллизации олова отличался наличием вакуумной системы и изготовлялся из кварцевого стекла толщиной 1,5—2 мм.

Было изучено изменение чистоты нафталина в течение пускового периода. Чистоту нафталина определяли по понижению его темпе­ ратуры плавления. После предварительного определения эффектив­ ного коэффициента распределения (&эфф = 0,1) по заданным пара­ метрам (Н = 16 см, П = 4 см и / = 1 см) были рассчитаны значения концентрации примеси в очищенном материале и соответствующие значения понижения температуры плавления нафталина в течение пускового периода по криоскопической формуле. Эксперименталь­ ная проверка подтвердила теоретический расчет (табл. 11).

Таблица 9

СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ДЛЯ ОДНОСЕКЦИОННОГО АППАРАТА КОЛОННОЙ ЗОННОЙ ПОЛОСТНОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА УЧАСТКЕ

Аналогичное подтверждение было получено при анализе сливае­ мого материала.

В результате очистки был получен нафталин, у которого темпе­ ратура плавления отличалась от эталонного значения (80,29° С) не более чем на 0,01° С.

Прозрачная аппаратура и применение перемещающихся окраши­ вающих примесей [в нафталин вводили добавки ализарина, метилрота и метиленовой сини по 0,2—0,5% (по массе) ] дает возможность провести изучение механизма очистки материала в вертикальной колонне в случае продвижения расплавленной зоны с полостью.

С помощью тонкой медь-константановой термопары был изучен температурный градиент в колонне. При скорости перемещения нагревателя 0,1 мм/мин и длине зоны 15 мм у поверхности расплава температура достигает 100° С, у фронта кристаллизации — около 80° С при градиенте 0,87 град/мм. В твердом материале градиент

температуры составляет 2,05 град/мм, в полости температура резко поднимается до 200° С, а затем резко уменьшается и у фронта плав­ ления равна 80° С.

В расплаве наблюдалось перемешивание, особенно интенсивное во время падения капель с фронта плавления при больших полостях, стабильность положения фронта кристаллизации относительно нагревателя, связанная с компенсацией тепловых колебаний соот­ ветствующими изменениями в положении фронта плавления и уровня (мениска) расплава, а также другие особенности процесса [115].

Исследования, выполненные на примере колонной полостной зонной перекристаллизации олова в вакуумных кварцевых аппара­ тах, подтвердили основные результаты, полученные при изучении зонной перекристаллизации на нафталине.

Исследования горизонтальных односекционных аппаратов ко­ лонной зонной перекристаллизации, основанных на транспортном методе, проводили В. И. Вигдорович и Л. М. Ферштер [117] на при­ мере очистки олова.

Аппарат представлял собой кварцевую трубку диаметром 20 мм, которая с одной стороны имела продольный срез, а с другой —•со­ единялась с кварцевым стаканом и имела трубчатый отросток, через который сливали расплав с примесями для предотвращения попада­ ния последних в питатель. Расплавленную зону длиной 70—80 мм создавали с помощью электрического нагревателя сопротивления, который перемещался со скоростью 0,83 мм/мин. С помощью другого нагревателя сопротивления исходный материал (олово) в питателе расплавляли и поддерживали в расплавленном состоянии.

В качестве модельного материала использовали олово марки 01 (по ГОСТ 860—60),,в котором гарантировалось содержание основ­ ного компонента ^ 99,9%. Олово плавили на воздухе в кварцевых тиглях.

Перед началом работы разделитель содержал ~ 1000 г, прием­ ник ~ 300 г и питатель ~ 1000 г олова. Было осуществлено 15 цик­ лов работы аппарата. При этом очищенного материала было полу­ чено — 1365 г, а загрязненного материала <—■4220 г. От сливаемых порций очищенного и загрязненного материала отбирали пробы для спектрального анализа. Определяли содержание примесей меди, серебра и свинца, поведение которых при работе аппарата исполь­ зовалось в качестве показателя эффективности его работы.

Поведение примесей меди, серебра и свинца оказалось законо­ мерным; в исходном олове примеси содержались в количестве, % (по массе): 0,008 Си, 0,010 Ag и 0,015 РЬ. Как и следовало ожидать, содержание этих примесей в сливаемых порциях очищенного мате­

числа проходов для обеих секций. На рис. 60 представлен график, иллюстрирующий работу аппарата. Как видно из графика, до десяти (для примесей меди) — двенадцати (для примесей свинца и серебра) проходов аппарат работает в пусковом режиме: растет различие содержания примесей в исходном и сливаемом материалах. Далее

146

аппарат работал в установившемся (рабочем) режиме, что соответ­ ствовало относительному постоянству содержания примесей в сли­ ваемом материале от прохода к проходу. Средние арифметические отклонения концентраций примесей, имевшие место при работе аппарата в установившемся режиме, представлены в табл. 11.

При этом отклонения массы очищенного и загрязненного мате­ риала при сливе не превышали 2%. Усредненные данные по содер­ жанию примесей в сливаемом материале при рабочем режиме работы аппарата представлены в табл. 12.

По примесям меди и серебра происходит двухкратная очистка, по примеси свинца— почти четырехкратная. Такая очистка в коли­ чественном отношении не может считаться удовлетворительной, однако для данных экспериментальных условий (высокое содержа­ ние примесей в исходном материале, плавление металла и ведение процесса на воздухе, невысокое отношение длины разделителя к длине

расплавленной зоны — = * ит. n .j полученные воспроиз­

водимость результатов, однородность материала и коэффициенты эффективности указывают на перспективность дальнейших испыта­ ний и работ по совершенствованию односекционных аппаратов ко­ лонной зонной перекристаллизации, работающих по транспортному методу.

В. Н. Вигдорович и И. Ф. Черномордин [118] осуществили одно­ секционную колонную зонную перекристаллизацию по электро­ динамическому (магнитному) методу с целью очистки алюминия.

Электродинамический (магнитный) метод колонной зонной пере­

тейнерах и без применения контейнеров. С помощью нагревателя в заг­ рузке создается расплавленная зона. Затем расплаву, заключенному между твердыми частями загрузки, принудительно придается форма

(рис. 61), требуемая для перемещения загрузки вдоль контейнера во время зонной перекристаллизации в направлении, противополож­ ном движению зоны. Для этого используются электродинамические силы взаимодействия индуктирующего и индуктируемого токов. Практически формоизменение зоны можно осуществить с помощью

|48

постоянного магнитного поля или переменного магнитного поля звуковой или ультразвуковой частоты, создаваемого индуктором генератора. Для того чтобы расплавленная зона имела требуемую форму, индуктору должна быть придана особая конфигурация.

Движение расплавленной зоны Перемещение твердой загрузки

Р и с . 61 . В а р и а н т ы к о н ф и г у р а ц и и и н д у к т о р о в (а, б , в) и п р и н у д и т е л ь н о с о з д а в а в - м ы е и м и ф о р м ы р а с п л а в л е н н о й з о н ы , о б е с п е ч и в а ю щ и е о б р а з о в а н и е п о л о с т и б е з н а р у ш е н и я к о н т а к т а р а с п л а в а с ф р о н т о м к р и с т а л л и з а ц и и :

1 — т в е р д а я з а г р у з к а ; 2 — к о н т е й н е р ; 3 — р а с п л а в л е н н а я з о н а ; 4 — п о л о с т ь

Если расплаву придается форма, схематично показанная на рис.60, то при этом часть объема между твердыми участками загрузки осво­ бождается, образуется полость,' а избыток расплава в момент соз­ дания зоны, т. е. в начале цикла зонной перекристаллизации, может переливаться через стенку контейнера или через специальное от-

Р и с . 62. С х е м а о с у щ е с т в л е н и я э л е к т р о д и н а м и ч е с к о г о ( м а г н и т н о г о ) м е т о д а к о л о н н о й з о н н о й п е р е к р и с т а л л и з а ц и и в о д н о с е к ц и о н н о м в а р и а н т е :

1 — с б о р н и к о ч и щ е н н о г о м а т е р и а л а ; 2 — в ы с о к о ч а с т о т н ы й и н д у к т о р с п е ­

верстие. Полость с зоной переносится в ходе перекристаллизации вдоль всей загрузки, что соответствует перемещению самой загрузки

впротивоположном направлении на объем полости за каждый цикл.

Вконце цикла полость заполняется исходным материалом (рис. 62). Применение электродинамических сил позволяет также удержать

врасплавленной зоне избыток расплава. Его требуется продвигать

149

вдоль загрузки, располагаемой в горизонтальном контейнере, от места загрузки исходного материала к месту слива загрязненного примесями расплава из зоны. Однако в односекционных аппаратах необходимость в этом отпадает.

Важно, что при электродинамическом методе имеется возможность сливать расплав из зоны в начале цикла не только через край кон­ тейнера, как при транспортном способе, но и через отверстие в дне контейнера.

В экспериментах для создания расплавленной зоны и ее формо­ изменения использовали высокочастотный генератор ЛПЗ-67, ра­ ботающийна частоте 70 кГц. Расплавленные зоны в начале и конце цикла сливались через отверстия в дне контейнера, и освобождаю­ щиеся объемы в конце цикла заполнялись питающим расплавом исходного состава.

Сечение загрузки 3,4 см2. Перед началом работы разделитель содержал ~ 420 г, приемник ~ 40 г и питатель — 2000 г алюминия марки АВ-00 (по ГОСТ 3549—55), используемого в качестве исход­ ного материала. В системе создавался вакуум — 1 -10“ 3 мм рт. ст. Скорость кристаллизации составляла 1,0 мм/мин. Было осуществлено пятнадцать циклов работы аппарата, при этом через отверстие для слива чистого продукта было получено — 840 г алюминия, а через'

15Q