способ воздействия электромагнитным излучением на расплавленный металл и установка для его осуществления

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.