Full Text

Процессы кристаллизации расплавов металлов и полупроводников характеризуются комплексом разно-образных физических явлений, в совокупности опреде-ляющих структурные особенности и механико-проч-ностные характеристики изделий. Одним из важнейших факторов, влияющих на структуру кристаллической фазы, являются течения, возникающие в жидкой фазе слитка в процессе затвердевания [1]. Топология таких течений, очевидно, должна влиять на процессы, проте-кающие при его кристаллизации. Например, в случае цилиндрической геометрии азимутальное перемешива-ние расплава приводит к однородному распределению вводимых добавок, а также ломке дендритов на фронте кристаллизации расплава. Возбуждение меридиональ-ных течений улучшает перемешивание вводимых ком-понентов и влияет на форму границы «расплав – твер-дая фаза» [2–6]. В отсутствие внешнего принудительного переме-шивания основным источником течений, влияющих на тепломассоперенос, является свободная тепловая кон-векция, возникающая под действием перепада темпера-тур между жидкой и твердой фазами [7; 8]. Во многих случаях влияние конвективных течений оказывается негативным, поскольку неконтролируемым образом изменяет условия теплообмена в области кристаллиза-ции расплава [9–11]. В то же время конвективные тече-ния оказываются недостаточно интенсивными для же-лательного перемешивания при отливке изделий из металлов. Для подавления паразитных конвективных течений и (или) усиления желательных используется принуди-тельное перемешивание. В силу электропроводности расплавов металлов и полупроводников возможен бес-контактный электромагнитный метод генерации тече-ний в жидкой фазе. Под воздействием внешнего пере-менного электромагнитного поля в проводящей среде возникают вихревые токи. Взаимодействие этих токов с исходным полем приводит к возникновению объёмной силы. Если проводящая среда является текучей, то дан-ная сила порождает вихревые течения жидкости, топо-логия которых определяется топологией электромаг-нитного воздействия [12–17]. Широкое распространение в металлургии получило применение бегущего (БМП) и вращающегося (ВМП) магнитных полей. Суть обоих методов сводится к генерации интегральной средней силы, толкающей расплав за счёт последовательного изменения фазы переменных магнитных полей разнесенных в пространстве катушек (как правило связанных общим магнитопроводом). Управление топологией и интенсивностью генерируемых течений осуществляется путём вариации амплитуды и частоты питающих индуктор токов. Мы предлагаем новый способ опосредованного управления процессом кристаллизации металлического расплава посредством изменения фазных углов токов питания линейного индукционного перемешивателя. Изменение распределения фаз переменных магнитных полей отдельных катушек вдоль индуктора изменяет топологию электромагнитных сил в рабочей жидкости и открывает широкие возможности для управления структурой течений [18]. Высокие температуры плавления и химическая активность подавляющего числа металлических расплавов в значительной мере ограничивают спектр экспериментальных методик, доступных для изучения МГД-процессов. Мы моделируем процессы перемешивания на легкоплавком галлиевом сплаве. Данный сплав обладает рядом преимуществ, делающих его идеальной средой для изучения МГД-процессов в лабораторных условиях. Сплавы на основе галлия сохраняют текучесть при комнатных температурах, нетоксичны (в отличие от ртути), химически мало-активны (в сравнении, например, с NaK), негорючи [19]. Одним из мощных методов измерений характери-стик гидродинамических процессов, применимых в оп-тически непрозрачных средах, является ультразвуковая допплеровская анемометрия [20–23]. Этот метод позволяет измерять пространственные профили компоненты скорости, направленной вдоль ультразвукового луча, а также профили ультразвукового эха, связанные с фазовым составом среды. Тем не менее ультразвуковые измерения становятся невозможны в расплавах, применяемых в промышленности металлов, в силу высокой чувстви-тельности пьезоэлементов ультразвуковых преобразователей к повышенным температурам. Ограниченный диапазон рабочих температур датчиков требует разработки новых методов измерений, применимых для анализа таких комплексных процессов, как управление направленной кристаллизацией, в реальных промышленных металлах (например, Al, Mg, Ti и др.). Ультразвуковой метод является прямым и потому может быть использован для верификации косвенных измерений [24; 25]. Удобный инструментарий для анализа темпа и од-нородности кристаллизации предоставляют локальные измерения температуры при помощи плотной сетки термопар. Термопары во многом лишены ограничений пьезоэлементов и могут быть использованы в дальней-шем для изучения процессов в средах, нагретых до вы-соких температур. Поэтому целью данной работы явля-ется разработка и апробация методики измерения темпа и формы фронта кристаллизации в процессе затвердевания металлического расплава, находящегося под внешним электромагнитным воздействием.

About the authors

G. L. Losev

Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS

A. D. Mamykin

Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS

References

Statistics

Views

Abstract - 234

PDF (Russian) - 98