Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

756

.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
06.12.2022
Размер:
12.76 Mб
Скачать

В.С. Бердников, В.А. Марков

циентомтеплопередачи.ДиапазонизменениязначенийчислаРэлеяприведенвподписяхкрисункам.Нарис.10,11представленызависимостикоэффициентатеплопередачи через слой жидкостии безразмерной средней температуры дляшести радиусов вблизи верхней границы (Х = 7 мм) от скорости вращения кристалла. Аналогичные зависимостиотскоростивращениятигляпринеподвижномкристаллепредставленынарис. 12, 13.

Nu*

 

 

 

 

0,12

 

 

 

 

0,09

 

 

 

 

0,06

 

 

 

 

0,00

0,25

0,50

0,75

 

Re1

Рис.10. Зависимостькоэффициента теплоотдачиотчислаРейнольдсапривращении кристалла

T*

 

1

 

 

2

0,8

 

3

 

4

 

 

 

 

5

 

 

6

0,6

 

 

0,4

 

 

 

 

 

0,0

0,5

Re1

Рис. 11. Зависимость средней температурыот числа Рейнольдса при вращении кристалла: Ra=(1,5…2,4)·107;Re2 =0(обозначениясоответствуютрис.7)

Nu*

 

 

 

 

 

 

0,100

 

 

 

 

 

 

0,075

 

 

 

 

 

 

0,050

 

 

 

 

 

 

0,025

 

 

 

 

 

 

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

Re

 

 

 

 

 

 

2

Рис. 12. Зависимостькоэффициентатеплоотдачиот числаРейнольдса привращении тигля

221

ВестникСГУПСа.Выпуск28

T*

 

 

 

1

0,6

 

 

 

2

 

 

 

 

3

 

 

 

 

4

 

 

 

 

5

0,4

 

 

 

6

0,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,0

0,5

1,0

1,5

Re2

Рис. 13. Зависимость средней температуры от числа Рейнольдса при вращении тигля: Ra=(1,5…2,4)·107;Re1 =0(обозначениясоответствуютрис.7)

ЗависимостиNu*(Re1Nu*(Re2)ведутсебяодинаково:вначалеприRe<1,5·104 сростом скоростивращениянаблюдаетсяспадтеплопередачи.Прибольшихскоростях,соответствующих значениям Re > 4·104, теплопередача растет. Обозначим числа Рейнольдса, при которых указанные зависимости имеют минимум, как Re1кр и Re2кр. Значения этих величин, определенные по рис. 10, 12, отличаются друг от друга: Re1кр = 2·104 и Re2кр = 3·104. Это связано с тем, что в первом случае вынужденное течение вызвано вращением только верхней границы (кристалла), а во втором — течение формируется при вращении нижней границы вместе с боковой стенкой (тигля). При Re > 3·104 наблюдаетсяпочтилинейныйросттеплопередачи.Тангенсугланаклонадлязависимости Nu*(Re1) приблизительно в 2,5 раза больше, чем для зависимости Nu*(Re2). Спад теплопередачи через слой жидкости при Re < 1,5·104 вызван вначале, при малых , ламинаризующимдействиемнатурбулентную конвекцию Рэлея — Бенарасдвигового течения, генерируемого вращающимся кристаллом или вращающимся тиглем, а затем ламинаризирующимдействиемвращенияжидкостивядре.Приподавляющемвлиянии термогравитационной конвекции в турбулентном режиме, что наблюдается при Re < 1,5·104, основной вклад в теплопередачу вносит конвективная, или пульсационная,составляющаяQ=(T'v )ср.Привращениикристаллаперемещениенагретогонадне горячего относительно окружающей среды малого объемажидкости всдвиговомполе скорости приводит к его растягиванию и более быстрому выравниванию его температурыстемпературойокружающейсреды.Наблюдениязапространственнойструктурой течения у верхней границы слоя показали, что при включении вращения вначале на периферии (r R0), а затем все ближе к центру слоя происходит ламинаризация пограничного слоя, исчезает мелкомасштабное термогравитационноепо природевихревоетечение[12].Этоприводиткуменьшениюамплитудыпульсацийтемпературыи, как следствие, к уменьшению конвективной составляющей теплового потока в теплопередаче. Рост теплопередачи при Re > 5·104 обусловлен образованием меридионального течения под кристаллом, центробежной природы с масштабом R0 и переходом к турбулентности гидродинамической природы в пограничных слоях на поверхностях теплообмена [14]. Температурное расслоение вблизи верхней границы становится заметным для чисел Рейнольдса больше 3·104 (см. рис. 11, 13). При вращении только кристаллаитолькотиглянаблюдаютсятемпературныерасслоенияпротивоположного

222

В.С. Бердников, В.А. Марков

знака. Температурное расслоение можно рассматривать как характеристику, дающую информацию о структуре течения. Так, при вращении кристалла со скоростями, при которых Re1 > 4·104, устанавливается циркуляционное течение масштаба R0, в центре формируетсяподъемнаяструя,вблизикристаллатечениеимеетрадиальнуюкомпоненту скорости, направленную от центра к кромке кристалла, вдоль боковой стенки формируетсяопускноетечение,вблизиднарадиальнаякомпонентаскоростинаправлена к центру [15]. При такой организации течения подъемная струя в центре имеет температуру,близкую температуредна.Помередвиженияккраю кристаллажидкость выхолаживается и температураеемонотонно спадает (см. рис. 13).Если тигель вращаетсясоскоростью,прикоторойRe2 >4·104,тоустанавливаетсяциркуляционноетечение обратного направления. В этом случае в центре формируется опускное течение холодной жидкости, а на периферии слоя — подъемное течение горячей жидкости. Расслоение T*1,6 = T*1 T*6 увеличивается с ростом Re. При одинаковых значениях чисел Рейнольдса величина горизонтального температурного расслоения ядра жидкости

больше для случая вращения кристалла: T*1,6 = 0,38 для Re1 = 6·104 и T*1,6 = 0,2 для Re2 = 6·104. Следует отметить различный характер расслоения температуры вблизи

верхней границы при вращении только кристалла или тигля. При вращении тигля отличие температуры на радиусах, равных 147, 200, 242 мм, становится значительным только при Re2 > 1,4·105, при вращении кристалла расслоение на этих радиусах стано-

вится заметным уже при Re1 > 3·104, T*4,5,6 = 0,1 и слабо меняется с ростом числа Рейнольдса.

Теплопередача и структура поля температуры при одновременном вращении кристаллаитиглясложнымобразомзависятотзначенияпараметровзадачи:числаРэлеяRa и чисел Рейнольдса Re1 и Re2. На рис. 14, 15 представлены зависимости коэффициента теплопередачи через слой жидкости и безразмерной средней температуры для шести радиусоввблизикристалла(Х=7мм)отскоростивращениятигля.Скоростьвращения кристалла была постоянной и равнялась 1 = 0,41 рад/с, что соответствовало Re1 = 3,03·104. Сложная зависимость модифицированного числа Нуссельта от числа Рейнольдса тигля является результатом взаимодействия силы плавучести, центробежной силы и силы Кориолиса, относительные вклады которых меняются с изменением скоростей вращения кристалла и тигля.

Nu*

 

 

 

 

 

 

0,12

 

 

 

 

 

 

0,08

 

 

 

 

 

 

0,04

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5 Re2

Рис.14. ЗависимостькоэффициентатеплоотдачиотчислаРейнольдсапривращениитигля:

Ra=(1,5…2,4)·107;Re1=3,03·104

223

ВестникСГУПСа.Выпуск28

 

 

 

 

 

 

1,0

 

 

 

 

 

 

1

T*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

0,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

0,6

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

6

0,4

 

 

 

 

 

 

 

0,2

 

 

 

 

 

 

 

0,0

 

 

 

 

 

 

 

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

 

1,5 Re

 

 

 

 

 

 

 

2

Рис. 15. Зависимость средней температуры от числа Рейнольдса при вращении тигля:

Ra=(1,5…2,4)·107;Re

=3,03·104 (обозначениясоответствуютрис.7)

 

 

1

 

 

 

 

 

Вобластиисследуемыхпараметровможновыделитьособыйслучай,когдаскорость вращениякристалларавнаскоростивращениятигля( 1 = 2).Отметим,чтовисследуемом диапазоне чисел Рэлея и Тейлора средний тепловой поток не зависит от числа Тейлора[16]. Рассмотримслучай, когдакристалл и тигель вращаются в одномнаправлении.Генерируемоеглобальноециркуляционноетечениевэтомслучаебудетзависеть отразностиугловыхскоростейвращениякристаллаитигля[17].Еслиугловаяскорость вращения кристалла больше скорости тигля, то центробежная сила отбрасывает жидкостьвслоеЭкманауверхнейграницыотосивращенияккраюкристалла.Тогдавэтом случае в центре будет подъемное течение, у боковой границы — опускное и у дна течение направлено от края к центру. Если больше скорость тигля, то возникает циркуляционноетечениесобратнымнаправлениемскорости:вцентребудетопускное течение, удна течение направлено от центра к краю, убоковой стенки — подъемное и у крышки течение направлено от края к центру. Рассмотрим случай, когда кристалл и тигель вращаются в противоположные стороны. В этом случае структура течения становится двухконтурной с противоположным направлением вращения. Центробежная сила отбрасывает жидкость у вращающегося кристалла от центра к краю, как и у вращающегося тигля. На рис. 14 в зависимости Nu*(Re2) наблюдаются два локальных максимума и три локальных минимума. Один максимум наблюдается при 1 = 2, другой при 2 = 0. Температурное расслоение в случае 1 = 2 равно нулю (термогравитационная конвекция во вращающемся слое изотропна в радиальном направлении). Температурноерасслоениевслучае 2 =0определяетсявеличиной 1.Присовращении кристаллаитигляипри 2 > 1 температурноерасслоениепроисходиттакимобразом, какипривращениитолькотигля 2.Еслискоростьвращениятиглябольшеилименьше скорости вращения кристалла и число Рейнольдса, определенное по разности этих скоростей, меньше 1·104, то у поверхностей возникает сдвиговое течение, происходит заглаживаниемелкомасштабнойструктурытермогравитационноготеченияитеплопередача уменьшается. С увеличением модуля дифференциальной скорости вращения появляется глобальное циркуляционное течение, знак этого течения зависит от знака дифференциальнойскорости.

224

В.С. Бердников, В.А. Марков

Выводы

1.Режимы термогравитационной конвекции в неподвижном и равномерно вращающемсяслояхжидкостихарактеризуютсяизотропиейвсехисследуемыххарактеристик

врадиальном направлении.

2.Полетемпературыимеетпогранслойныйхарактервовсемисследованномдиапазоне определяющих параметров. За пограничным слоем средняя температура слабо зависит от Х.

3.Дисперсияпульсацийтемпературыуменьшаетсясувеличениемдифференциальной угловой скорости и расстояния от оси вращения слоя.

4.Наблюдаетсязависящаяотугловойскоростиграницрадиальнаянеоднородность (расслоение) средней температуры в ядре жидкости вблизи верхней границы. Расслоение вызвано возникновением меридионального течения у границы. Знак расслоения зависит от направления глобального циркуляционного течения. Если жидкость под верхней границей движется от центра к краю, то температура в центре больше, чем у кромки; при движении жидкости в обратном направлении знак расслоения меняется. Прибольшихразностяхскоростейтурбулентноеперемешиваниеразрушаетциркуляционноетечениеивеличинарасслоенияуменьшается.Температурноерасслоениепрактически исчезает при противовращении с числами Рейнольдса больше 1·105.

5.Зависимости безразмерного коэффициента теплопередачи от скорости вращениякристаллапринеподвижномтиглеиотскоростивращениятигляпринеподвижном кристаллеведутсебяодинаковымобразом.ПрималыхскоростяхвращенияRe<1,5·104 сростомскоростивращениянаблюдаетсяспадтеплопередачи,прибольшихскоростях

Re>4·104 наблюдаетсяросттеплопередачи.ЗависимостиNu*(Re1Nu*(Re2)достигают минимума при критических скоростях вращения Re1кр и Re2кр. Значения критических чисел Рейнольдса отличаются друг от друга: Re1кр = 2·104, Re2кр = 3·104. Таким образом, вначале вращение границы вызывает ламинаризацию турбулентной гравитационной конвекции, приводя к снижению интенсивности теплопередачи через слой жидкости,

а затем после достижения критического значения Reкр растет вклад вынужденного течения и наблюдается монотонный рост интенсивности теплопередачи по мере увеличения скорости циркуляции жидкости в меридиональном сечении и турбулизации этого течения.

6.Зависимостибезразмерногокоэффициентатеплопередачиотскоростивращения тигля при фиксированной скорости вращения кристалла представляют собой несимметричные относительно направления скорости вращения тигля кривые, имеющие

локальные экстремумы. При Re1 = 3,03·104 зависимость Nu*(Re2) имеет два локальных максимума и три локальных минимума. Максимум наблюдается при 1 = 2 в режиме термогравитационной конвекции во вращающемся слое.

7.Зависимоститеплопередачиотскоростивращениятигля Nu*(Re2)согласуютсяс зависимостями по температурному расслоению.

Библиографический список

1.Рост кристаллов / В.И. Горилецкий, Б.В. Гринев, Б.Г. Заславский, Н.Н. Смирнов, В.С. Суздаль. Харьков:Акта,2002.536с.

2.Кристаллизацияизрасплавов:Справ./Подред.К.ХайнаиЭ.Бурига.М.:Металлургия,1987.320с.

3.Тепло-имассообменприполучениимонокристаллов/П.К.Конаков,Г.Е.Веревочкин,Л.А. Горяиновидр.М.:Металлургия,1971.240с.

4.ШашковЮ.М.Выращиваниемонокристалловметодомвытягивания.М.:Металлургия,1982.312с.

5.АвдуевскийВ.С.,ИшлинскийА.Ю.,ПолежаевВ.И.Гидромеханикаитепломассообменприполу- ченииматериалов//ВестникАкадемиинаукСССР.М.:Наука,1987.№6.С.3–17.

225

ВестникСГУПСа.Выпуск28

6.Математическое моделирование. Получение монокристаллов и полупроводниковых структур / Отв.ред.А.А.Самарский,Ю.П.Попов,О.С.Мажирова.М.:Наука,1986.198с.

7.Математическое моделирование конвективного тепломассообмена на основе уравнений Навье– Стокса/В.И.Полежаев,А.В.Буне,Н.А.Верезубидр.М.,1987.272с.

8.ПолежаевВ.И.Гидродинамика,тепло-имассообменприростекристаллов//Механикажидкости

игаза.М.,1984.Т.18.С.198–269.(Итогинаукиитехники.)

9.БердниковВ.С.,БорисовВ.Л.,ПанченкоВ.И.,ПростомолотовА.М.Моделированиегидродинамики расплава при выращивании кристаллов методом вытягивания // Теплофизические процессы при кристаллизацииизатвердевании:Сб.науч.тр.Новосибирск,1984.С.66–83.

10.БердниковВ.С.,ПанченкоВ.И.Некоторыехарактеристикисмешаннойконвекциивлабораторной моделиметодаЧохральского//Теплофизическиепроцессыприкристаллизацииизатвердевании:Сб.науч. тр.Новосибирск,1984.С.5–15.

11.БердниковВ.С.,МарковВ.А.Теплопередачаистатистическиехарактеристикиполятемпературы в горизонтальном подогреваемомснизуслое жидкости // Изв. АНБССР. Сер. физ.-энерг. наук. 1986.№1.С.96–102.

12.БердниковВ.С.,МарковВ.А.,КимО.В.Термогравитационнаяконвекциявплоскомгоризонтальноминаклонномслояхжидкости,подогреваемыхснизу//Структуравынужденныхитермогравитацион- ныхтечений:Сб.науч.тр.Новосибирск,1983.С.122–146.

13.БердниковВ.С.,МарковВ.А.,МалышевВ.И.Экспериментальныеисследованиятепловойгравитационнойконвекциивгоризонтальныхслояхжидкостипристационарныхинестационарныхграничных условиях//Структурагидродинамическихпотоков(вынужденноетечение,тепловаяконвекция):Сб.науч. тр.Новосибирск,1986.С.39–67.

14.Бердников В.С., Марков В.А. Теплопередача в горозонтальном подогреваемом снизу слое жидкостипривращенииоднойизграниц//Прикладнаямеханикаитехническаяфизика.1998.Т.39.№3. С.126–133.

15.ГринспенХ.Теориявращающихсяжидкостей.Л.:Гидрометеоиздат,1975.304с.

16.БубновБ.М.,ГолицынГ.С.Режимыконвекциивовращающейсяжидкости//Докл.АНСССР.1985. Т.281.№3.С.552–555.

17.Теплопередача и структура течения в подогреваемом снизу слое с независимым вращением горизонтальных границ / В.С. Бердников, М.И. Греков, В.И. Малышев и др. Новосибирск, 1990. 44 с. (Препринт/СОАНСССР.Ин-ттеплофизики;№213)(Пер.HeatTransfer-SovietResearch.Vol.23.№8.1991.

P. 1092–1126.)

V.S. Berdnikov, B.A. Markov. Physical Simulation of Hydrodynamics and Heat

TransferintheVariantoftheChokhralskijMethodwitha660mmCrucible.

Thephysicalsimulationofhydrodynamicsandheattransferbyamethodvariantwitha660 mm flat-bottomed crucible is fulfilled. Experiments are performed in conditions of thermogravitationalandmixedconvectionatrotationofacrucibleandacrystalmodel.The complicatedprocessofanintegralheattransferthroughafluidlayerheatedbelowfromthe rotationalvelocityofacrucibleandacrystalisdiscovered.Theeffectiveexplanationofthe obtained relations of a heat transfer from rotational velocity of a crucible and a crystal is presented.

Key words: Chokhralskij method, the free and mixed convection, convective heat transfer, temperature fields, physical simulation.

226

И.И.Рогов,П.М.Плетнев

УДК 621.315.612

И.И. РОГОВ, П.М. ПЛЕТНЕВ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Приведены основы прогрессивного метода повышения физических характеристик керамических материалов действием электрического поля высокой частоты и особенности экспериментальной установки.

Ключевые слова: интенсификация, процессы спекания.

Синтез и спекание керамики является сложным и энергоемким процессом. Одним изметодовснижениятемпературыипродолжительностинагреваявляетсявоздействие электрическогополявысокойчастоты(ВЧ).Твердофазовыереакцииобразованиякристаллических фаз из оксидовтермодинамически возможныуже при комнатной температуре. Такие реакции экзотермичны, и их тепловой эффект значителен. В случае инициирования реакции при низких температурах они сопровождаются большим выделением тепла, что способствует их развитию.

Высокочастотное электрическое поле может быть использовано как источник создания теплового поля в диэлектрических материалах, а также как интенсификатор процессов массопереноса и твердофазовых реакций [1, 2].

Экспериментально фиксируемое ускорение твердофазовых реакций синтеза веществ, снижения температуры (на 200–400 °С) и значительное сокращение времени протекания реакций (в 3–5 раз) при действии электрического поля высокой частоты связаны с поглощением его энергии реагирующими веществами. Это приводит к инициированию экзотермических и термодинамически возможных реакций синтеза [3].

Мощность выделяемой тепловой энергии ВЧ-поля, Вт/м3, внутри диэлектрика пропорциональна параметрам ВЧ-поля, диэлектрическим характеристикам нагревае-

мого материала и определяется известным выражением

 

 

 

 

P = 2pfe tg E2.

 

 

 

 

 

 

 

При расчете необходимо учиты-

 

tg ·104

 

 

 

 

вать изменение и tg материала при

 

200

 

 

 

1

 

 

 

его нагреве. Зависимость tg исследу-

 

 

 

 

 

емыхматериаловоттемпературыпри-

 

 

 

 

 

 

 

ведена на рис. 1, а их химический со-

 

 

 

 

 

 

 

став — в таблице.

 

 

 

 

 

 

 

Наиболееинтенсивноеизменение

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tg наблюдаетсяуисходногосырьяка-

 

 

 

 

 

2

олина. При достижении температуры

 

 

 

 

 

 

50

 

 

 

 

 

300 °С tg увеличивается в два раза.

 

 

 

 

4

Минимальныеизмененияtg сростом

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

Т, С

 

 

 

температурынаблюдаютсяупорошка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-оксида алюминия, а для техничес-

100

200

300

кого глинозема ГО-00 при достиже-

 

Рис.1.Зависимостьтангенсаугладиэлектрических

нии температуры 300 °С имеет вели-

 

потерь(f =1·106 Гц)исходногосырьяоттемпературы:

чинупорядка 0,02.

1 — глинозем ГА-85; 2 — тальк; 3 — каолин;

4— -Al2O3

 

227

ВестникСГУПСа.Выпуск28

Химический состав исследуемых материалов

Материал

 

 

Содержание оксидов, %

 

 

п.п.п.

Al203

SiO2

 

MgO

Fe2O3

Na2O + K2O

TiO2

%

 

 

Глинозем ГО-00

98–99,5

 

 

 

 

0,3–0,5

 

 

Тальк

0,2–0,9

61,2–62,5

 

31,2–32,2

0,2–0,9

 

 

5

Каолин

36,0–37,5

46,0–48,5

 

 

0,6–1,8

0,13

0,6–1,6

13,2

Керамическая

95,5–96,5

2,6–3,0

 

0,9–1,1

<0,1

0,1–0,3

 

 

масса ВК95-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примечание. Допустимая погрешность содержания Al2O3, SiO2, MgO в исходных материалах составляет±0,2%,адопустимаяпогрешностьопределенияAl2О3,SiO2,MgO,Na2O+K2Oвкерамичес-

коймассеВК95-1—±0,5%.

Дляобеспечениястабильногоулучшениясвойствизделийврезультатеихобработки ВЧ-полем необходим выбор оптимальных режимов технологического процесса обжига (температуры, при которой накладывается ВЧ-поле, времени его воздействия, оптимальных параметров режима работы ВЧ-генератора и частоты).

Экспериментальные данные показали, что при ВЧ-обжиге керамических материалов наиболее целесообразно применять комбинированный метод нагрева. Нагрев до температуры800–1 000°С,прикоторойнаблюдаютсярезкиеизменениядиэлектрических свойств обжигаемых материалов, целесообразно осуществлять любым конвективным способом. Дальнейший нагрев следует производить высокочастотным полем. Конечнаятемператураивремявыдержкиопределяютсявзависимостиотструктурных Исследование влияния ВЧ-поля на диэлектрический нагрев материалов приведен на рис. 2.

Т,°С

1400

1300

1200

600

30

50

90

120

150

t, мин

Рис. 2. Зависимость температуры разогрева керамических масс от времени выдержки ВЧ-поля: 1—керамическаямассаВК95-1; 2—глиноземГО-00;3—тальк;4 —каолин

Максимальная температура диэлектрического разогрева (1 400 °С) при действии ВЧ-поляприсущакаолину,ивремяеедостижениясоставляетот70до 80мин.Разогрев талька происходит медленно. Температура 1 220 °С достигается после его выдержки в

228

И.И.Рогов,П.М.Плетнев

ВЧ-поленеменеедвух часов. Наибольшая скорость подъематемпературыпри воздействии ВЧ-поля наблюдается в случае технического глинозема ГО-00 и керамической массы ВК95-1 на его основе.

Свойства алюмооксидной керамики ВК95-1, спекание которой проходит с участием жидкой фазы, существенно зависят от чистоты исходных компонентов, вида и количества вводимых плавней, плотности, микроструктуры, а также от ряда предшествующихтехнологическихопераций.

Участие в процессе спекания жидкой фазы в результате введения в шихтукерамической массы ВК95-1 оксидов MgO, SiO2 в виде талька и каолина позволяют получить керамику высокой плотности при температурах обжига 1 690–1 720 °С и продолжительности процесса до 5 ч.

Росткристалловкорундасвязансвеличинойпористостиматериалаиначинаетсяна конечной стадии спекания. Скорость удаления закрытых пор определяется скоростью роста размеров кристаллов корунда. Следовательно, чем больше скорость роста кристаллов, тем выше их пористость.

Дляполученияплотноспеченнойкерамикинеобходимозамедлитьросткристаллов с целью полного удаления из них пор. В этом отношении перспективным приемом является предварительная обработка алюмооксидной керамики высокочастотным полем. Техническая реализация была выполнена на установке (рис. 3).

А

Б

В

Рис. 3. Установка обжига керамическихматериалов в высокочастотномполе:

А—печь обжигакерамическихматериаловтипа М4134;Б— высокочастотныйгенератор ЛД1-4;

В—пультуправления

Печь обжига керамических материалов в ВЧ-поле представляет собой тепловую камеру с рабочим объемом 0,036 м3. Теплоизоляция печи выполнена из огнеупорного кирпича (шамота, ультралегковеса, ВГЛ), а также каолиновой ваты и обеспечивает

229

ВестникСГУПСа.Выпуск28

максимальнуютемпературунавнешнихстенахпечинеболее40°С.Свнешнейстороны кладкапечиимееткаркас,представляющийсобойцельнометаллическийкожух,обеспечивающий защиту персонала от ВЧ-излучения и упрочняющий конструкцию печи. Интенсивность ВЧ-излучения на расстоянии 1 м от печи составляет не более 5 В/м по электрической и не более 5 А/м по магнитной составляющей.

Печьобжигагерметизированасцелью созданиявнутрирабочегообъемаинертной среды (азота), которая вводится в него через патрубок радиационного пирометра.

Внутри объема печи расположен рабочий конденсатор. Нижний потенциальный электрод конденсатора подключен через шину к ВЧ-генератору, а верхний надежно заземлен и имеетвозможность вертикально перемещаться. Вкачествематериалаэлектродов выбраны ниобий и титан. Форма электродов рабочего конденсатора представляет собой эквипотенциальную поверхность с целью создания однородного поля по всемуобъемунагреваемогокерамическогоматериала.Площадьэлектродовсоставляет 0,078 м2, максимальная высота подъема верхнего заземленного электрода — 15 см.

Подстройкарабочегоконденсаторанаоптимальныйрежимобжигаисогласование его с генератором осуществляются конденсатором типа КП1-4 с номиналами С = 5…100 пФ, Uраб — 25 кВ и выходной индуктивностью, расположенной на шине, соединяющей потенциальный электрод и генератор.

Для установления комбинированного нагрева имеется возможность создания теплового поля внутри рабочей камеры 12 силитовыми нагревателями, расположенными надверхнимэлектродомрабочегоконденсатора.Максимальнаятемператураразогрева объема камеры с помощью силитовых нагревателей составляет 1 450 °С.

Регулировка и поддержание температуры — автоматические. В качестве датчика температуры используется платино-платинородиевая термопара, подключенная к потенциометру типа ЭПВ2-11А, и радиационный пирометр типа ТЕРА-50, градуировки РС-20, оптическая система которого расположена на расстоянии не менее 1 м от рабочегоконденсаторасцельюисключениявлияниянанееВЧ-поля.Имеетсявозмож- ностьосуществлениявизуальногоконтролятемпературыспомощьюоптическогопирометра типа ОППИР-09.

С целью оперативного управления генератора ЛД1-4, работающего на частоте 40,60 МГц, и регулировки его выходной мощности кенотронный выпрямитель был реконструирован на стабилитронный и введен трансформатор регулировки накала генераторнойлампытипаГУ-10А.Токанодаисеткигенераторнойлампырегистриро- вался амперметрами, распложенными на корпусе генератора.

Расход азота в печи при обжиге керамических материалов составляет 0,3 м3/ч, расходводынаохлаждениекожухарадиационногопирометраигенератора—неболее

1 м3/ч.

Таким образом, конструкция ВЧ-печи позволяет целенаправленно проводить исследования обжига керамических материалов с наложением ВЧ-поля и обеспечивает защитуперсонала от излучения.

Окончательное спекание изделий из алюмооксидной керамики проводили при температуре 1 690–1 720 °С в среде увлажненного (точка росы +20 °С) водорода.

Характермикроструктурыалюмооксиднойкерамики,подвергнутойобжигупообычной технологии и с наложением ВЧ-поля, показал, что в случае керамики, прошедшей обжиг по обычной технологии, отчетливо видна крупнокристаллическая структура, а такжеокруглыепорывнутрикристалловкорунда.Общеесодержаниепорколеблетсяв

230

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]