Способ электродинамической кристаллизации расплавов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к способам обработки расплавов при формировании из них слитков, в частности из конструкционной керамики для производства тепловых двигателей и товаров народного потребления. Цель изобретения - расширение технологических возможностей и повышение качества расплавов. Длительность импульсов тока, совпадающих с импульсами магнитного поля, задают временем экспоненциального затухания тока в области расплава, занятой током, и кратной частоте импульсных магнитных полей. Значение импульсного тока по амплитуде и длительности устанавливают по минимальному удельному сопротивлению в области расплава, занятой током. В расплаве создают встречный к направлению действия электродинамических сил поток расплава. На импульсы тока и магнитных полей в расплаве воздействуют независимыми от них импульсами магнитных полей. 2 с. и. 13 з. п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к способам обработки расплавов при формировании из них слитков, в частности при производстве отливок из конструкционной керамики.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является установка магнитно-импульсной кристаллизации МИК-1, содержащая источник импульсного тока и магнитопровод с токопроводной обмоткой, подсоединенной к источнику импульсного тока, размещенной между полюсами магнитопровода, емкость для удержания расплава в магнитном поле и установленные в емкости с расплавом электроды, электродное устройство, состоящее из выпрямителя тока с накопительным конденсатором, включенным в разрядный контур, и разрядник.

В известной установке магнитно-импульсной кристаллизации МИК-1 реализован способ, предусматривающий одновременное воздействие на расплав импульсным магнитным полем и импульсным электрическим током, взаимодействующим с магнитным полем.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей и повышение качества расплава.

Поставленная цель достигается тем, что длительность импульсов тока, совпадающих с импульсами магнитного поля, задают временем экспоненциального затухания тока в области расплава, занятой током и кратной периоду импульсных магнитных полей.

Способ отличается также и тем, что амплитуду и длительность импульсного тока устанавливают по минимальному удельному сопротивлению в области расплава, занятой током.

Способ отличается также тем, что в расплаве создают вторичные потоки расплава и электродинамических сил и тем, что на часть магнитного потока или импульсного тока в расплаве действуют вторичными магнитными потоками.

Способ отличается также тем, что на импульс тока и магнитных полей в расплаве действуют независимыми от них импульсами магнитных полей.

Устройство для осуществления способа, содержащее источник импульсного тока и магнитопровод с токопроводной обмоткой, подключенной к источнику импульсного тока, размещенную между полюсами магнитопровода емкость для удержания расплава в магнитном поле и установленные в емкости с расплавом электроды, зарядное устройство, состоящее из выпрямителя тока с накопительным конденсатором, включенным в разрядный контур, разрядчик, отличается тем, что выпрямитель тока состоит из трансформатора, первичная цепь которого содержит нормально открытый разъединитель двусторонней проводимости с управляющим входом разъединителя и блок времени подключения первичной цепи трансформатора к внешнему источнику электропитания с выходом блока, соединенным с управляющим входом разъединителя, разрядной цепи накопительного конденсатора с электродами, которая содержит датчик величины тока в разряде и включенный последовательно в цепь разряда блок выработки опорного сигнала о величине тока в разряде по времени зарядки накопительного конденсатора, соединенных выходами с входами блока сравнения, преобразователь рассогласования сигналов о токе в задержку времени подключения, выход которого соединен с входом блока времени подключения первичной цепи трансформатора выпрямителя к внешнему источнику электропитания.

Устройство отличается также тем, что к обмотке магнитопровода подключен разъединитель ее от внешней сети тока, выполненный с управляющим входом, разрядный контур накопительного конденсатора выполнен с датчиком импульсов тока в контуре с селектором импульсов с двумя выходами выходом управляющих, синхронизирующих импульсы магнитного поля с импульсами тока в расплаве, соединенного с управляющим входом разъединителя указанной обмотки, и с выходом управляющих сигналов, совпадающих с импульсами тока в паузах между импульсами магнитного поля.

Устройство отличается также тем, что разрядник накопительного конденсатора выполнен с управляющим входом и с односторонней проводимостью, источник импульсного тока обмотки магнитопровода в виде батареи накопительных конденсаторов, включенной параллельно обмотке, с электрической емкостью, удовлетворяющей условию возникновения в образованном таким образом L-C-контуре феррорезонанса токов, контур L-C выполнен с датчиком частоты импульсов с блоком умножения частоты резонансных колебаний и через выход блока умножения соединен с управляющим входом разрядника разрядного контура накопительного конденсатора.

Устройство отличается также тем, что магнитопровод выполнен с электропроводными обмотками на торцевых поверхностях полюсов, обращенных к емкости с расплавом и охватывающими часть поперечного сечения полюсов.

Устройство отличается также тем, что торцевые обмотки магнитопровода выполнены короткозамкнутыми.

Устройство отличается также тем, что оно снабжено блоком регулирования величины подаваемого на торцевые обмотки тока, входы которого подключены параллельно к входам основной обмотки магнитопровода, и блоком управления временем подключения торцевых обмоток к основной обмотке.

Устройство отличается также тем, что торцевые обмотки подсоединены к независимым от источника тока основной обмотки магнитопровода источником импульсов тока через разъединитель с управляющим входом, соединенным с выходом селектора, а вход селектора частоты импульсов тока торцевых обмоток подключен к выходу датчика импульсов тока в разрядном контуре накопительного конденсатора.

Устройство отличается также тем, что торцевые обмотки магнитопровода установлены со смещением относительно друг друга по высоте емкости с расплавом.

Устройство отличается также тем, что торцевые обмотки магнитопровода установлены у донной части емкости с расплавом.

Устройство отличается также тем, что торцевые обмотки магнитопровода установлены на уровне поверхности расплава в емкости.

Устройство отличается также тем, что торцевые обмотки магнитопровода установлены со смещением относительно друг друга в направлении к электродам.

На фиг. 1 приведены кривые изменения и совмещения во времени импульсного магнитного поля и импульсов тока через расплав; на фиг. 2 то же, но с импульсами тока в паузах между импульсами магнитного поля; на фиг. 3 то же, при затухающем колебательном характере импульсов магнитного поля; на фиг. 4 схема взаимодействия импульсов тока и импульсов магнитного поля в L-C-контуре; на фиг. 5 схема взаимодействия импульсного магнитного поля с совпадающими по времени импульсами тока с экспоненциальной характеристикой затухания тока в объеме расплава, занятого током, вид сбоку на емкость с расплавом; на фиг. 6 то же, направление тока относительно магнитного потока при виде сверху на емкость с расплавом; на фиг. 7 кривые зависимости удельного электрического сопротивления бадделеитокоррундовых материалов от температуры; на фиг. 8- вариант способа и устройства для создания встречного потока расплава к направлению Х действия электродинамических сил с помощью магнитного поля короткозамкнутых обмоток, охватывающих часть поперечного сечения торцев полюсов магнитопровода; на фиг. 9 вариант способа и устройства создания встречных потоков расплава в емкости смещенными по ее высоте торцевыми обмотками; на фиг. 10 схема создания электродинамических сил в расплаве импульсами поля в торцевых обмотках магнитопровода, расположенных у донной части емкости с расплавом; на фиг. 11 то же, при торцевых обмотках, смещенных по высоте емкости с расплавом; на фиг. 12 схема разрядно-разрядного устройства импульсных токов; на фиг. 13 схема источника импульсных током для обмоток магнитопровода с селектором частоты импульсов магнитного поля; на фиг. 14 схема источника импульсов тока конденсаторного типа для питания обмоток магнитопровода и его синхронизации с работой зарядно-разрядного устройства импульсных токов; на фиг. 15 схема подключений управляющих обмоток магнитопровода; на фиг. 16 схема подключения торцевых обмоток магнитопроводов к автономному источнику питания.

Сущность предлагаемого способа электродинамической кристаллизации расплава сводится к использованию электродинамического действия на расплав импульсов магнитного поля и импульсов тока взаимодействующих с полем, на расплав с экспоненциальной характеристикой затухания тока в области расплава занятого током и магнитным полем.

Способом предусматриваются (см. фиг. 1-9) несколько основных режимов взаимодействия и действия импульсов тока 1 с амплитудой А_i и длительностью t_i с импульсами магнитного поля 2 с амплитудой А_мп и длительностью t_мп: а) изменения импульсов давления в расплаве наложением множества импульсов тока 1 (фиг.1) с длительностью t_i на каждый импульс магнитного поля 2 с длительностью t_мп большей, чем длительность токового импульса 1. Режим позволяет при установившейся частоте, амплитуде и длительности импульсов магнитного поля изменять импульсами тока величину электродинамических сил, действующих во всем объеме расплава при взаимодействии импульсов поля и тока; б) изменения температуры расплава изменением (фиг.2) длины периода Т_мп и паузы Т_п между импульсами поля 2 при постоянной частоте повторения и постоянстве амплитуды A_i и длительности t_i импульсов тока. Импульсы тока 3 в паузах между импульсами магнитного поля 2 используются лишь для теплового действия на расплав для поддержания или повышения температуры расплава; в) изменения температуры и импульсов давления в расплаве изменением формы импульсов магнитного поля 2 с апериодического (фиг. 1 и 2) на затухающее колебательное (фиг.3). При этом режиме кроме импульсов тока 1, совпадающих с импульсами магнитного поля 2, и импульсов тока 3 в паузах между импульсами Т_п магнитного поля, создаются также импульсы тока 4, энергия которых частично расходуется на взаимодействие с импульсным магнитным полем и, следовательно, на создание электродинамических сил в расплаве, а частично на тепловое действие тока на расплав; г) изменения температуры расплава при синусоидальном изменении импульсов 2 магнитного поля подачей импульсов 3 тока при переходах одной полярности поля в другую (фиг.4); д) изменения температуры расплава, величины и направленности действия электродинамических сил и, следовательно, величины и направленности перемещения расплава в емкости наложением на импульсы тока во всех перечисленных выше случаях магнитных полей от торцевых обмоток магнитопровода (см.фиг. 8-11).

Взаимодействие импульсов тока и магнитного поля поясняется фиг. 5,6,8-11, где показаны емкость 5 с расплавом 6, помещенная между полюсами N-S магнитопровода 7, и электроды 8, погруженные в расплав 6, по которым пропускают импульсы тока i.

На фиг. 5 в координатах δ,f_э и Х сплошной линией показано изменение плотности δ тока i по глубине расплава, а пунктирной линией изменение по глубине расплава электродинамических сил f_э от взаимодействия импульсного поля и импульсного тока. Действие электродинамических сил показано стрелками в направлении координаты Х. В способе таким образом учитывается, что при больших длительностях импульсов тока (миллисекундного диапазона) электродинамические силы равномерно распределяются по объему расплава и не приводят к его перемешиванию; при длительностях же импульсов тока микросекундного (предлагаемого нами) диапазона, например 50 мкс, но без нарушения сплошности расплава искровым разрядом тока и, следовательно, электродинамические силы распределяются в объеме расплава неравномерно, что приводит к перемешиванию расплава. В выполненных экспериментах использовались: амплитуда тока в 100000 А при величине магнитной индукции в расплаве порядка 1 Тл.

На фиг. 6 показан вид сверху на емкость 5 с электродами 8, где стрелкой обозначены направление и однонаправленность протекания тока в расплаве в предлагаемом способе между электродами 8, а на полюсах магнитопровода 7 направление вектора магнитной индукции.

В режиме взаимодействия импульсов магнитного поля и импульсного тока, показанного на фиг. 4, способом предусматривается возможность использования импульсов магнитного поля микросекундного диапазона, для чего вместо полюсов магнитопровода используются малоиндуктивные соленоиды (без сердечников).

При указанных на фиг. 4,5 и 6 взаимодействиях импульсов магнитного поля и электрического тока под действием электродинамических сил f_э происходит интенсивное выравнивание температуры расплава путем перемешивания по всему объему и, следовательно, появление большого количества очагов кристаллизации во всем объеме с последующей ускоренной кристаллизацией расплава.

На фиг. 2-4 показана возможность использования импульсов тока для теплового воздействия на расплав. В предлагаемом способе она реализуется изменением амплитуды, длительности и частоты импульсов 3 и 4 для наложения электродинамических сил на расплав в диапазоне температур, соответствующих минимальному удельному сопротивлению расплава. Для конструкционных керамик этот температурный диапазон является и единственным для осуществления электродинамической кристаллизации, т.е. для прохождения импульсов тока в расплав и его взаимодействия с импульсами магнитного поля в объеме расплава.

На фиг. 7 приведены кривые зависимости удельного электрического сопротивления бадделеитокоррундовых материалов от температуры: кривая Г керамика Al₂O₃ с минимальным удельным сопротивлением в диапазоне температур на участке "в-г"; кривая Д керамика Al₂O₃ + ZrO₂ + SiO₂ + CaO + Na₂O с минимальным удельным сопротивлением в диапазоне температур на участке "а-б".

Способ предусматривает возможность дополнительного перемешивания расплава для интенсификации процесса кристаллизации тем, что части магнитного потока В (фиг. 8) магнитопровода 7 противодействуют встречными магнитными потоками В_пр, создавая встречный к направлению действия электродинамических сил Х поток 9 расплава. Аналогичный эффект "бегущего" импульсного магнитного поля, увлекающего расплав в разнонаправленных направлениях, возникает и вследствие сдвига части магнитного потока В магнитопровода 7 смещенными относительно друг друга по высоте емкости с расплавом противодействующими магнитными потоками В_пр (фиг.9).

Аналогичные изменения в направленности электродинамических сил и перемещения расплава в емкости могут быть получены только за счет взаимодействия импульсных магнитных полей В_п (фиг.10 и 11) создаваемых в паузах между импульсными магнитными полями В и В_пр, т.е. при их отсутствии, с импульсами тока 3 (сравни по фиг. 2-4).

Значение электродинамических сил f_э, напротив, может быть усилено наложением импульсных магнитных полей В_п на импульсы магнитного поля В сложением В и В_п изменениями либо полярности импульсов тока между электродами, либо синхронизацией этих полей и выполнением условия их синфазной генерации.

Устройство для осуществления предложенного способа кристаллизации расплава включает несколько элементов новизны, каждый из которых позволяет реализовать определенный режим взаимодействия импульсов магнитного поля и импульсов тока, рассмотренных на фиг. 1-6 и 8-11. При необходимости все элементы предложенного устройства могут быть непротиворечиво, т.е. в соответствии с принципом единства изобретательского замысла, объединены в одном конструктивном решении.

Первый из указанных выше режимов кристаллизации, показанный на фиг. 1, обеспечивается устройством (фиг.12), которое состоит из выпрямителя тока 10, включающего в себя трансформатор, первичная цепь которого содержит нормально открытый разъединитель 11 двухсторонней проводимости, имеющий управляющий вход 12. Управляющий вход 12 соединен с блоком 13 времени подключения первичной цепи трансформатора к внешнему источнику электропитания. Блок 13 выполнен с выходом 14, подключенным к управляющему входу 12 разъединителя 11.

Выход выпрямителя 1 подключен к накопительному конденсатору 15 (или к батарее таких конденсаторов), который вместе с выпрямителем 10 образует зарядный контур. Напряжение U зарядки накопительного конденсатора 15 устанавливается временем подключения первичной цепи выпрямителя 10 к внешнему источнику тока через разъединитель 11 и в приведенных экспериментах не превышало 5 кВ.

Параллельно накопительному конденсатору 15 к его выводам включены электроды 8, которые размещаются в емкости 5 и вместе с накопительным конденсатором 15 образуют разрядный контур, в цепь которого последовательно подключены разрядник 16 с односторонней проводимостью и с управляющим входом 17, а также датчик 18 величины тока в разрядном контуре, например пояс Роговского, с блоком 19 согласования сигнала от датчика 18 с входом блока 20 сравнения сигнала с датчика 18 с опорным сигналом. Второй вход блока 20 подключен к выходу задатчика 21 опорного сигнала, соответствующего требуемой величине тока в разрядной цепи и, следовательно, напряжением U зарядки конденсатора 15.

Кратность частоты импульсов магнитного поля частоте импульсов тока (см. фиг. 13) при фиксированном значении последней задается для более полного наложения импульсов тока на импульсы магнитных полей и обеспечивается источником импульсного тока, выполненного в виде источника постоянного тока 22 с разъединителем 23 с управляющим входом 24, селектором 25 частоты подключения источника 22, с датчиком 26 импульсов тока в разрядном контуре. Датчик 26 соединен выходом с селектором 25, а селектор 25 с входом 24 разрядника 23. Через разъединитель 23 источник 22 подключен к обмотке 27 магнитопровода 7.

Источник импульсного тока обмотки 27 может быть также выполнен в виде батареи накопительных конденсаторов 28 (фиг. 14), включенных параллельно обмотке 27, образующей с обмоткой L-C колебательный контур. При известных условиях соответствия емкости накопительных конденсаторов 28 и индуктивности обмотки 27 в контуре возникает феррорезонанс токов, использование которого позволяет резко снизить потребляемую мощность источника импульсных токов обмотки 27.

В этом случае кратность частот импульсных магнитных полей и импульсов тока (см. фиг.4) конструктивно достигается размещением в цепи колебательного контура из обмотки 27 и батареи конденсаторов 28 (фиг.14) датчика 29 импульсов тока с блоком 30 умножения частоты этих импульсов, преобразующего их и в сигналы управления, подаваемые по линии связи выхода блока 30 с управляющим входом 17 к разряднику 16 разрядного контура накопительного конденсатора 15.

Для интенсификации процесса кристаллизации расплавов путем создания встречного к направлению Х действия электродинамических сил f_э потоков расплава (см. фиг. 5,8 и 9) и противоположно направленных к направлению Х электродинамических сил (фиг. 10 и 11) предложены устройства, показанные на фиг. 8 11 и 15, 16, выполненные с обмотками 31 на торцевых поверхностях магнитопровода 7, обращенных к емкости 5 с расплавом 6.

Для использования в стабильных условиях работы устройством предусматривается возможность замыкания выводов обмоток 31 переключателем 32 (фиг. 8 и 9). В этом случае торцевые обмотки 31 работают как короткозамкнутые витки, в которых магнитным потоком В магнитопровода 7 индуцируются противодействующие магнитные потоки В_пр.

Более широкие технологические возможности имеет устройство (фиг. 10,11,15) с торцевыми обмотками 31 с разомкнутыми выводами, подключенными параллельно к источнику импульсного тока 22 обмотки 27 через регулятор 33 величины тока в цепи обмоток 31. В данном случае торцевые обмотки 31 с помощью регулятора 33 тока позволяют управлять силой магнитного потока В_пр и, следовательно, временем выравнивания магнитного потока В в объеме расплава, занимаемого этим потоком.

Наиболее полно возможности интенсификации процесса кристаллизации расплавов в емкости 5 реализуется устройством, показанным на фиг. 16, в котором торцевые обмотки 31 магнитопровода 7 снабжены источником 34 импульсного тока, независимым от источника 22 обмотки 27. Торцевые обмотки 31 подключены к источнику 34 импульсного тока через управляющий вход 35 с разъединителем 36. При этом разъединитель 36 торцевых обмоток 31 через свой управляющий вход 35 соединен с выходом 37 (фиг. 13) селектора 25, а селектор 25 выполнен таким образом, что через выход 37 на управляющий вход 35 разъединителя 36 поступают сигналы об импульсах тока в разрядном контуре накопительного конденсатора 15, не прошедшего на управляющий вход 24, совпадающие с импульсами магнитного поля 2. Указанным устройством селектора 25 обеспечивается генерация импульсов магнитного поля в торцевых обмотках 31 и в расплаве в паузах Т_п (см.фиг.2) между импульсами магнитного поля от основной обмотки 27 магнитопровода 7.

Все перечисленные выше модификации магнитопровода 7 в предложенном устройстве для электродинамической кристаллизации расплавов, выполненные с торцевыми обмотками 31 на поверхностях магнитопровода 7, обращенных к емкости 5 с расплавом 6, в зависимости от конкретных условий реализации предложенного способа и, в частности, от требований к качеству расплавов и производительности устройства для реализации способа, выполняются со смещением, либо обеих обмоток 31 в сторону поверхности расплава 6 в емкости 5 (фиг.8), либо обеих обмоток 31 в сторону донной части емкости 5 с расплавом 6 (фиг.10), либо относительно друг друга по высоте емкости 5 (фиг.9 и 11), либо относительно друг друга в горизонтальной плоскости по направлению к электродам 8 в емкости 5.

Работа устройства для осуществления предложенного способа осуществляется следующим образом. После стартового нагрева шихты в емкости 5 любым известным способом, например токами высокой частоты или высокотемпературной плазмой, не исключая электродуговой расплав между электродами 8 в емкости 5, через электроды 8 в расплаве с частотой, установленной опытным путем для каждого расплава, подаются импульсы 1,3,4 (фиг. 1-4) тока i с амплитудой A_i, длительностью t_i от генератора импульсных токов, показанного на фиг. 12-14.

Запуск в работу зарядного контура генератора импульсов тока осуществляется блоком 21 опорных сигналов через выход, подключенный к блоку 20 сравнения и блоку 13 времени подключения выпрямителя 10 к внешней цепи электропитания через разъединитель 11.

После того, как за установленное время работы выпрямителя 10 подключенный к нему накопительный конденсатор 15 зарядится до напряжения U, на управляющий вход 17 разрядчика 16 подают управляющий импульс тока, например, от внешнего источника тока, открывающий разрядник 16. При этом накопительный конденсатор 15 разрядится через электроды 8 и расплав в емкости 5.

Разряд накопительного конденсатора 15 фиксируется датчиком 18, который вырабатывает сигнал, пропорциональный амплитуде А_i тока в разряде и после блока 19 согласования сигнала с входом блока 20 сравнения сравнивается в последнем с опорным сигналом, поступающем на второй вход блока 20 с выхода задатчика 21 опорных сигналов.

Сигнал рассогласования с блока 20 сравнения преобразуется в блоке 13 времени подключения первичной цепи трансформатора выпрямителя 10 тока в сигнал подключения выпрямителя к внешнему источнику тока на время, учитывающее сигнал рассогласования: если амплитуда Аi тока выше значения, которому соответствует опорный сигнал с блока 21, то время подключения выпрямителя 10 к внешнему источнику электропитания уменьшается; если амплитуда А_i тока в разряде ниже значения, которому соответствует опорный сигнал с блока 21, то время подключения выпрямителя 10 к внешнему источнику электропитания увеличивается пропорционально сигналу рассогласования.

Если в выпрямительном устройстве 10 (фиг. 13) предусмотреть блок пусковых импульсов, вырабатывающий сигнал для управляющего входа 17 разрядника 16 с требуемой частотой после стабилизации напряжения на обкладках накопительного конденсатора 15, то импульсы тока между электродами 8 в емкости 5 будут проходить через расплав с той же частотой. При этом требуемая характеристика импульсов тока по длительности может обеспечиваться общеизвестными устройствами и способами.

Кратность импульсов магнитного поля импульсам тока в предлагаемом устройстве обеспечивается селекцией сигналов датчика 26 тока в разрядном контуре накопительного конденсатора 15 в блоке 25 селекции этих сигналов для подключения источника тока 22 основной обмотки 27 магнитопровода 7 через разъединитель 23 при поступлении управляющего импульса с блока 25 селекции на управляющий вход 24 разъединителя 23. Время подключения источника 22 тока к обмотке может соответствовать времени прохождения пакетов импульсов тока из требуемого числа импульсов, т.е. на каждый импульс магнитного поля 2 между полюсами магнитопровода 7 и в емкости 5 с расплавом может приходиться два и более импульсов тока i между электродами 8, как показано на фиг.1.

При использовании в качестве источника импульсного тока для основной обмотки 27 магнитопровода 7 батареи накопительных конденсаторов 28 (фиг.14) требуемое сочетание импульсов магнитного поля 2 (фиг.1-4) и импульсов тока 1,3 и 4 достигается тем, что частоту этих импульсов задают по частоте импульсов магнитного поля 2. Это достигается тем, что управляющий вход 17 разрядника 16 (фиг.14) разрядного контура накопительного конденсатора 15 переключают (или соединяют) на вход блока 30 умножителя частоты импульсов тока в основной обмотке 27 магнитопровода 7, фиксируемых датчиком 29 этих импульсов. При каждом импульсе тока в обмотке 27 с помощью блока 30 умножения можно осуществлять нужное число разрядов накопительного конденсатора 15 за одно и то же время и таким образом каждый импульс магнитного поля в емкости 5 с расплавом совмещать с нужным количеством импульсов тока i между электродами 8 в той же емкости с расплавом.

При использовании в предложенном устройстве магнитопровода 7 с торцевым короткозамкнутыми обмотками 31 (фиг. 8 и 9) интенсификация процесса кристаллизации расплава 6 в емкости 5 достигается тем, что при изменении во времени магнитной индукции В в короткозамкнутых контурах обмоток 31 в соответствии с законом электромагнитной индукции возникают токи такого направления, что магнитные потоки с индукцией В_пр, определяемые этими токами, направлены навстречу основному магнитному потоку с индукцией В. При этом взаимодействие потока с индукцией В с потоками с индукцией В_пр создает эффект "бегущего" поля, увлекающего за собой электропроводный расплав, как показано стрелками 9.

Работа торцевых обмоток 31 может осуществляться (см. фиг. 15) с подключением их параллельно основной обмотке 27 магнитопровода 7 с источнику импульсного тока 22 через регулятор 32 тока, подаваемого на торцевые обмотки 31. Отличие работы торцевых обмоток 31 в этом случае от работы короткозамкнутых обмоток (контуров) сводится к возможности увеличивать или уменьшать магнитные потоки с индукцией В_пр.

В конструкции устройства для осуществления предлагаемого способа кристаллизация расплавов предусматривается также возможность работы торцевых обмоток 31 магнитопровода 7 (фиг. фиг.16) от независимого 34 источника импульсных токов в паузах Т_п (см.фиг. 2) между импульсами магнитного поля 2, между импульсами 3 магнитного поля (фиг. 2 и 3) или на участках перехода магнитного поля из одной полярности в другую (фиг.4): см. импульсы тока 3 на фиг. 2,3,4. Конструктивно и по способу функционирования независимый источник 34 может быть выполнен аналогичным источнику 22 импульсного тока.

На фиг. 10 и 11 показано, что при работе торцевых обмоток 31 от независимого источника 34 при протекании тока между электродами 8 через расплав 6 в емкости 5 при наличии вектора магнитной индукции В_п в торцевой обмотке 31 от независимого источника импульсов тока возникают электродинамические силы f_э, воздействующие на каждый элемент расплава в области, занятой магнитным полем В_п и частью общего тока между электродами 8 и направленные по стрелкам, как показано на фигурах 10 и 11.

Направленность электродинамических сил f_э во всех рассмотренных выше случаях, как известно, можно менять на противоположную изменением полярности (направленности) импульсов тока между электродами 8 при сохранении вектора магнитной индукции В, В_пр, В_п и, напротив, изменением направленности векторов магнитной индукции В, В_пр и В_п на противоположную при сохранении направленности движения токов i между электродами 8.

На фиг. 11 рассмотрен случай работы предложенного устройства со смещенными относительно друг друга по вертикали торцевыми обмотками 31 и при направленности векторов магнитных полей В_п навстречу друг другу. В этом случае электродинамические силы f_э действуют также навстречу друг другу, т.е. в направлении, указанном стрелками.

Использование независимого источника импульсов тока для торцевых обмоток 31 магнитопровода 7 позволяет оптимизировать процесс кристаллизации расплавов и программировать этот процесс средствами устройств числового программного управления или автоматизированными системами управления технологическими процессами (ЧПУ и АСУТП), используя самые различные схемы взаимодействия импульсов тока и магнитных полей в расплавах.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа интенсификации кристаллизации расплавов и устройства для его осуществления определяется возможностями получения деталей машиностроения и товаров народного потребления методом литья с физико-механическими свойствами, близкими к поковкам и получаемыми после термоулучшения, если говорить о сталях и сплавах. Аналогичное улучшение качества достигается электродинамической кристаллизацией конструкционных керамик.

Формула изобретения

1. Способ электродинамической кристаллизации расплавов, состоящий в том, что на расплав одновременно действуют импульсным магнитным полем и импульсным электрическим током, взаимодействующим с магнитным полем, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей и повышения качества расплавов, длительность импульсов тока, совпадающих с импульсами магнитного поля, задают временем экспоненциального затухания тока в области расплава, занятой током и кратной периоду импульсных магнитных полей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплитуду и длительность импульсного тока устанавливают по минимальному удельному сопротивлению в области расплава, занятой током.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в расплаве создают встречные потоки расплава и электродинамических сил тем, что на часть магнитного потока или импульсного тока в расплаве действуют встречными магнитными потоками.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что на импульсы тока и магнитных полей в расплаве действуют независимыми от них импульсами магнитных полей.

5. Устройство для электродинамической кристаллизации расплавов, содержащее источник импульсного тока и магнитопровод с токопроводной обмоткой, подключенной к источнику импульсного тока, размещенную между полюсами магнитопровода емкость для удержания расплава в магнитном поле и установленные в емкости с расплавом электроды, зарядное устройство, состоящее из выпрямителя тока с накопительным конденсатором, включенным в разрядный контур, разрядник, отличающееся тем, что выпрямитель тока состоит из трансформатора, первичная цепь которого содержит нормально открытый разъединитель двусторонней проводимости с управляющим входом разъединителя и блок времени подключения первичной цепи трансформатора к внешнему источнику электропитания с выходом блока, соединенным с управляющим входом разъединителя, разрядной цепи накопительного конденсатора с электродами, которая содержит датчик величины тока в разряде и включенный последовательно в цепь разряда блок выработки опорного сигнала о величине тока в разряде по времени зарядки накопительного конденсатора, соединенных выходами с входами блока сравнения, преобразователь рассогласования сигналов о токе в задержку времени подключения, выход которого соединен с входом блока времени подключения первичной цепи трансформатора выпрямителя к внешнему источнику электропитания.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что к обмотке магнитопровода подключен разъединитель ее от внешней сети тока, выполненный с управляющим входом, разрядный контур накопительного конденсатора выполнен с датчиком импульсов тока в контуре и с селектором импульсов с двумя выходами выходом управляющих, синхронизирующих импульсы магнитного поля с импульсами тока в расплаве, соединенного с управляющим входом разъединителя указанной обмотки и с выходом управляющих сигналов, совпадающих с импульсами тока в паузах между импульсами магнитного поля.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что, с целью снижения потребляемой мощности источника импульсного тока обмотки магнитопровода, разрядник накопительного конденсатора выполнен с управляющим входом и с односторонней проводимостью, источник импульсного тока обмотки магнитопровода в виде батареи накопительных конденсаторов, включенной параллельно обмотке с электрической емкостью, удовлетворяющей условию возникновения в образованном таким образом LC-контуре феррорезонанса токов, LC-контур выполнен с датчиком частоты импульсов с блоком умножения частоты резонансных колебаний и через выход блока умножения соединен с управляющим входом разрядника разрядного контура накопительного конденсатора.

8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что магнитопровод выполнен с электропроводными обмотками на торцевых поверхностях полюсов, обращенными к емкости с расплавом и охватывающими часть поперечного сечения полюсов.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что торцевые обмотки магнитопровода выполнены короткозамкнутыми.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что оно снабжено блоком регулирования величины подаваемого на торцевые обмотки тока, входы которого подключены параллельно к входам основной обмотки магнитопровода, и блоком управления временем подключения торцевых обмоток к основной обмотке.

11. Устройство по пп.6 и 8, отличающееся тем, что торцевые обмотки подсоединены к независимым от источника тока основной обмотки магнитопровода источникам импульсов тока через разъединитель с управляющим входом, соединенным в выходом селектора, а вход селектора частоты импульсов тока торцевых обмоток подключен к выходу датчика импульсов тока в разрядном контуре накопительного конденсатора.

12. Устройство по пп.8 11, отличающееся тем, что торцевые обмотки магнитопровода установлены со смещением относительно друг друга по высоте емкости с расплавом.

13. Устройство по пп.8 11, отличающееся тем, что торцевые обмотки магнитопровода установлены у донной части емкости с расплавом.

14. Устройство по пп.8 11, отличающееся тем, что торцевые обмотки магнитопровода установлены на уровне поверхности расплава в емкости.

15. Устройство по пп.12 14, отличающееся тем, что торцевые обмотки магнитопровода установлены со смещением относительно друг друга в направлении к электродам.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16