Зонная очистка

ЛЕКЦИЯ 3

В настоящее время для получения металлов очень высокой чистоты применяют повторные кристаллизации, длинного слитка металла по методу зонной плавки.

При зонной плавке в слитке металла, лежащем в длинной лодочке, специальными нагревателями создаются возможно короткие зоны расплавленного металла, как это показано на рис. 17. Нагревателем может служить индуктор — кольцевой виток проволоки, питаемый током высокой частоты. Индуктор создает в коротком участке слитка вихревые. токи, расплавляющие металл

Непрерывным медленным движением лодочки или индукторов переме­щают расплавленные зоны в определенном напра­влении. -

Рис.9 Схема зонной очистки

Металл перед надвигающейся расплавленной зоной постепенно, плавится и смешивается с жидким металлом зоны; в другом конце зоны, удаляющемся от нагревателя, идет кристаллизация металла. При такой обработке металл: слитка подвергается расплавлению и кристаллизации в каждой зоне, создаваемой индукторами. Примеси, концентрирующиеся в жидкой фазе, накапливаются в жидкой части сплава и перемещаются вперед по направлению движения расплавленной зоны.

Из-за изменения объема металла при плавлении не­обходимо, устанавливать лодочку с наклоном к горизонту, так чтобы толщина слоя жидкого металла у заднего конца зоны точно равнялась бы толщине исходного слитка. Без этой предосторожности слиток получится клиновидным и возможны переливы жидкости через борт лодочки.

Для расчета изменения состава материала в результате прохождения через слиток одной зоны примем сле­дующие допущения. Длина расплавленной зоны l (см) — постоянна, жидкая фаза в расплавленной зоне однород­на и выравнивание состава кристаллов диффузией полностью заторможено; Так как зонную плавку применяют для очистки металла с небольшим -содержанием примесей (менее 0,01 %)-, то можно считать температуру процесса и величину коэффициента распределения постоянными. По этой же причине можно считать постоянным число молей ао основного металла (компонента А), при­ходящееся на 1 см длины лодочки, заполненной жидким или твердым металлом.

Процесс у заднего конца зоны описывается законом кристаллизации с полностью заторможенной диффузией [см. (5)]:

(10)

где b3 и а3 — числа молей (или массы) компонентов в расплаве зоны в момент образования малой порции кристаллов состава dB/dA.

Положим, что в данный момент задний, край зоны, движущейся слева направо, находится на расстоянии х см от левого конца слитка. Для общности вывода будем считать, что состав исходного сплава изменяется по длине слитка. Выражая состав сплава отношением чисел молей компонентов на единицу длины слитка t_о = b_о/а₀, предположим, что t_o = F(х). Тогда число молей- примеси - компонента В в. расплавленной зоне b₃ составит

(11)

где- -число молей компонента В, содержащегося на участке исходного сплава длиной x+l, a В.—число молей этого компонента в закристаллизовавшейся к данному моменту части слитка длиной х. Число молей компонента А в зоне постоянно и равно а_о=а₃; число молей компонента А в малой порции кристаллов dA равно a_odx.

Подставив найденные значения b₃, а₃ и dA в выражение основной закономерности получим следующее уравнение:

(12)

Поскольку функция to = F(x) предполагается известной, то приведенное уравнение будет линейным дифференциальным уравнением первого порядка. Его общее решение:

(13)

выражает закономерность изменения количества примеси по длине слитка, при зонной плавке. Если т. е. состав исходного слитка не изменяется по длине, то решение, имеет следующий вид:

(14)

Изменение состава кристаллического продукта, по длине слитка после прохождения одной зоны dB/dA

(15)

Выражения (13), (14), (15) описывают процесс кристаллизации слитка, за исключением последнего участка с сокращающейся зоной, где процесс подчиняется закономерности направленной кристаллизации.

На рис. 18 приведены графики изменения состава од­нородного слитка после прохождения одной зоны, со­ставляющей 1/10 длины слитка. По оси абсцисс откладывается расстояние от начала слитка в единицах длины зоны, по оси ординат — относительное изменение состава слитка в данной точке — величина (если изменения велики, то целесообразно использовать логарифмический масштаб).

График изменения состава слитка по длине для процесса с К=0,7 состоит из трех участков: начального— обедненного примесью, среднего — с постоянным содержанием примеси и конечного — обогащенного примесью. Такая закономерность характерна, при близких к. единице коэффициентах распределения, большой длине слитка и короткой зоне. График для процесса с К= 0,05 имеет только два участка: первый, простирающийся более чем на 9/10 длины слитка и обедненный примесью, и короткий конечный участок, сильно обогащенный примесью.

Рис.10 Изменение состава слитка при прохождении одной зоны

. Как рафинирующий процесс зонная плавка при одной зоне менее эффективна, чем направленная кристаллизация. Однако, зонную плавку можно технически: прос­то повторять многократно, проводя лодочку с металлом через ряд зон, или повторно через одну зону. Каждый проход через зону повышает чистоту металла передней части слитка, так как примеси перемещаются, в направлении движения зоны и концентрируются в последнем участке слитка. После нужного числа проходов слиток разрезают. Передняя часть слитка составляет конечный продукт, процесса рафинирования.

Следует подчеркнуть, что зонная плавка, непригодна для освобождения от примесей, концентрирующихся в кристаллической фазе, Т. е.при К>1, Направленная кристаллизация в этом случае даёт эффективно очищенный от примесей остаток жидкой фазы. Возможна бесконтейнерная зонная плавка путём создания короткой, удерживаемой силами.поверхностного натяжения зоны расплавленного металла в вертикальном, закрепленном вверху и внизу длинном слитке. Такой прием — единственно возможный для тугоплавких металлов: вольфрама, тантала; рения.

Дата добавления: 2015-06-25