Файл: Вигдорович, В. Н. Совершенствование зонной перекристаллизации.pdf

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.