Прядение расплава
Прядение расплава — это метод формовки металлов, который обычно используется для формирования тонких лент из металла или сплавов с определенной атомной структурой. [1]
Некоторые важные коммерческие применения металлов, полученных методом прядения из расплава, включают высокоэффективные трансформаторы ( трансформатор из аморфного металла ), сенсорные устройства, телекоммуникационное оборудование и силовую электронику. [2]
Типичный процесс прядения расплава включает в себя разливку расплавленного металла путем струи его на вращающееся колесо или барабан, который охлаждается изнутри, обычно водой или жидким азотом . Расплавленный материал быстро затвердевает при контакте с большой холодной поверхностью барабана. Вращение барабана постоянно удаляет затвердевший продукт, подвергая новую поверхность воздействию потока расплавленного металла, что обеспечивает непрерывное производство. Полученную ленту затем направляют по производственной линии для упаковки или переработки в дальнейшую продукцию. [3] [4]
Скорость охлаждения, достижимая при формовании расплава, составляет порядка 10 4 –10 6 Кельвины в секунду (К/с). Следовательно, прядение из расплава используется для разработки материалов, которые требуют чрезвычайно высоких скоростей охлаждения для формирования, таких как металлические стекла . Благодаря быстрому охлаждению эти продукты имеют сильно неупорядоченную атомную структуру, что придает им уникальные магнитные и физические свойства ( см. Аморфные металлы ). [3] [5] [6]
Несколько вариантов процесса формования из расплава обеспечивают определенные преимущества. Эти процессы включают литье в плоском потоке , двухвалковое прядение расплава и прядение расплава с автоматическим выбросом.
Текущая концепция вращателя расплава, основанная Робертом Пондом в серии связанных патентов с 1958 по 1961 год (патенты США № 2825108, 2910744 и 2976590), была изложена Пондом и Мэддином в 1969 году. Сначала жидкость охлаждалась. на внутренней поверхности барабана. К 1976 году Либерманн и Грэм развили этот процесс как метод непрерывного литья, на этот раз на внешней поверхности барабана. [7] Этот процесс позволяет непрерывно производить тонкие ленты материала, листы шириной в несколько дюймов, которые имеются в продаже. [8]
Процесс
[ редактировать ]При прядении из расплава сплав или металл сначала плавят в тигле . Затем инертный газ , обычно аргон , используется для выбрасывания расплавленного материала из сопла, расположенного на нижней стороне тигля. Полученный поток жидкости направляется на внешнюю окружную поверхность вращающегося колеса или барабана, который охлаждается изнутри. Внешняя поверхность барабана расположена максимально близко к соплу, но не касается его. Обычно скорость поверхности барабана должна составлять от 10 до 60 м/с, чтобы избежать образования капель (капель) или разрыва ленты соответственно. Как только поток касается поверхности барабана, образуется небольшая лужица расплава (расплавленного материала). Из-за низкой вязкости расплава силы сдвига , создаваемые относительным движением поверхности барабана под расплавом, распространяются в ванну всего на несколько микрон. Другими словами, трение от вращения барабана влияет лишь на небольшую часть лужи. Следовательно, по мере вращения барабана большая часть лужи расплава остается удерживаемой между соплом и барабаном за счет поверхностное натяжение . Однако расплав на самом дне лужи, непосредственно контактирующем с барабаном, быстро затвердевает в тонкую ленту. Затвердевшая лента уносится из-под сопла на поверхность барабана на угол до 10°, прежде чем центробежная сила от вращения барабана вытолкнет ее. [1] [4] [9]
Этот процесс происходит непрерывно, так как по мере удаления затвердевшего материала из-под ванны расплава в ванну из сопла добавляется все больше жидкого материала.
Различные факторы
[ редактировать ]Даже в базовом процессе прядения из расплава влияет множество факторов. Качество и размеры изделия определяются тем, как эксплуатируется и настраивается машина. Следовательно, существует множество исследований, изучающих влияние изменений конфигурации вращателя расплава на конкретные сплавы. Например, вот статья о конкретных условиях, которые, как было обнаружено, хорошо подходят для формования сплавов Fe-B и Fe-Si-B.
Как правило, прядильные машины работают с некоторыми изменениями следующих переменных в зависимости от желаемого продукта.
- Зазор сопла: Расстояние между соплом и охлаждаемым барабаном. В первую очередь влияет на толщину ленты.
- Форма сопла: Форма сопла, выбрасывающего расплавленный материал на барабан. Сопла, позволяющие образовывать большую лужу расплава на поверхности барабана, приводят к получению более широких лент.
- Скорость потока: Скорость потока расплава на барабан. Скорость потока обычно тесно связана со скоростью вращения барабана. В основном влияет ширина и толщина лент.
- Скорость вращения: Скорость вращения барабана. Как правило, чем быстрее барабан, тем тоньше ленты.
- Температура барабана: температура, при которой работает барабан. В основном влияет на атомную структуру получаемой ленты. Различные сплавы лучше всего формируются при определенных температурах.
Поскольку каждый материал действует по-разному, точная причинно-следственная связь между каждой из этих переменных и получаемой лентой обычно определяется экспериментально. Существуют и другие, менее часто настраиваемые переменные, но не все их влияние на окончательные размеры и структуру ленты документировано. [1] [10] [11]
Модификации
[ редактировать ]Для прядения из расплава были разработаны различные процессы и технологии, которые обеспечивают преимущества для промышленного применения и обеспечения стабильности продукта.
Планарное литье
[ редактировать ]Литье в плоском потоке (PFC) — это широко используемый процесс формования расплава для промышленного изготовления широких металлических листов стекла. Основная модификация этого процесса заключается в том, что для выброса расплава из тигля используется гораздо более широкое сопло. В результате лужа расплава покрывает большую площадь барабана, что, в свою очередь, образует большую площадь ленты. [9] ПФУ обычно отливают в вакууме, чтобы избежать окисления расплавленного материала, которое может повлиять на качество получаемого продукта. Ленты шириной до 200 мм производятся в промышленном масштабе с использованием ПФУ. [12]
Твин-рулонное прядение из расплава
[ редактировать ]При двухвалковом прядении из расплава используются два валка или барабана вместо одного. Ролики расположены рядом и вращаются так, что тот, что слева, вращается по часовой стрелке, а тот, что справа, - против часовой стрелки. Такая конфигурация приводит к тому, что материал, проходящий между роликами, вытягивается вниз. Расплав подается между валками, где он охлаждается и выбрасывается в виде ленты. Преимущество двухвалкового прядения из расплава состоит в том, что оно обеспечивает высокую степень контроля толщины получаемой ленты. При использовании одного ролика контролировать толщину ленты сложно, поскольку необходимо тщательно контролировать скорость потока расплава, скорость вращения колеса и температуру расплава. С помощью установки с двумя роликами можно добиться определенной и постоянной толщины, просто изменяя расстояние между роликами.
На сегодняшний день двухвалковое прядение из расплава по-прежнему ограничивается почти исключительно лабораторными масштабами. [13] [14]
Автоматическое вращение расплава с выбросом
[ редактировать ]Автоматическое формование расплава с выбросом (AEMS) описывает тип прядения расплава, при котором выброс расплава происходит сразу после его разжижения, что устраняет необходимость для технического специалиста вручную контролировать скорость потока, температуру и / или время выпуска потока расплава. . [1]
Эта модификация обеспечивает гораздо более высокую согласованность ленты между запусками и более высокий уровень автоматизации процесса.
Продукт
[ редактировать ]Прядение из расплава используется для производства тонких металлических листов или лент, которые являются почти аморфными или некристаллическими . Уникальные электрические и магнитные свойства металлов, полученных методом прядения из расплава, являются следствием этой структуры, а также состава сплава или металла, который использовался для формирования ленты.
Структура
[ редактировать ]Обычно, когда металлический материал охлаждается, отдельные атомы затвердевают в устойчивых повторяющихся узорах, образуя кристаллическое твердое вещество. Однако при формовании из расплава расплав закаливается (охлаждается) настолько быстро, что атомы не успевают сформировать эти упорядоченные структуры до полного затвердевания. Вместо этого атомы затвердевают в положениях, напоминающих их жидкое состояние. Эта физическая структура определяет магнитные и электрические свойства аморфных металлов. [6]
Электрические и магнитные свойства
[ редактировать ]Аморфный материал, полученный методом формования из расплава, считается мягким магнитом. То есть их естественная коэрцитивность составляет менее 1000 Ам-1, а это означает, что магнетизм металла более чувствителен к внешним воздействиям и в результате его можно легко включать и выключать. Это делает аморфные металлы особенно полезными в приложениях, требующих многократного намагничивания и размагничивания материала для функционирования. Некоторые аморфные сплавы также обладают способностью усиливать и/или направлять поток, создаваемый электрическими токами, что делает их полезными для магнитного экранирования и изоляции.
Точные магнитные свойства каждого сплава в основном зависят от атомного состава материала. Например, никель-железные сплавы с меньшим количеством никеля обладают высоким электрическим сопротивлением , а с более высоким процентом никеля — высокой магнитной проницаемостью . [15] [2]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Ширзади А.А.; Козел, Т.; Сиос, Г.; Бала, П. (01 февраля 2019 г.). «Разработка технологии автоматического формования из расплава с выбросом (AEMS) и ее применение при производстве лент на основе кобальта» . Журнал технологии обработки материалов . 264 : 377–381. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2018.09.028 . ISSN 0924-0136 .
- ^ Jump up to: а б Хасегава, Рюсуке (2 июня 2000 г.). «Современное состояние аморфных магнитомягких сплавов». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 215–216 (1): 240–245. Бибкод : 2000JMMM..215..240H . дои : 10.1016/S0304-8853(00)00126-8 . ISSN 0304-8853 .
- ^ Jump up to: а б Кан, Роберт В.; Хаасен, Питер (2014), «Предисловие к третьему изданию», Physical Metallurgy , Elsevier, стр. xv – xvi, doi : 10.1016/b978-0-444-53770-6.05002-4 , ISBN 9780444537706
- ^ Jump up to: а б Будхани, Колорадо; Гоэл, TC; Чопра, КЛ (1 декабря 1982 г.). «Техника формования расплава для изготовления металлических стекол» . Вестник материаловедения . 4 (5): 549–561. дои : 10.1007/BF02824962 . ISSN 0973-7669 .
- ^ Ву, Нью-Йорк; Олофиньяна, АО (01.01.2017). «Многопоточное литье проволоки непосредственно из расплава» . Процедия Инжиниринг . 13-й Глобальный конгресс по производству и менеджменту, Чжэнчжоу, Китай, 28–30 ноября 2016 г. 174 : 195–205. дои : 10.1016/j.proeng.2017.01.204 . ISSN 1877-7058 .
- ^ Jump up to: а б Федстил (20 апреля 2016 г.). «Что такое аморфный металл?» . FedSteel.com . Проверено 16 октября 2019 г.
- ^ Либерманн, Х.; Грэм, К. (ноябрь 1976 г.). «Производство лент из аморфных сплавов и влияние параметров аппарата на размеры ленты». Транзакции IEEE по магнетизму . 12 (6): 921–923. Бибкод : 1976ITM....12..921L . дои : 10.1109/TMAG.1976.1059201 .
- ^ Эгами, Т. (декабрь 1984 г.). «Магнитные аморфные сплавы: физико-техническое применение». Отчеты о прогрессе в физике . 47 (12): 1601–1725. дои : 10.1088/0034-4885/47/12/002 . S2CID 250756792 .
- ^ Jump up to: а б Карпентер, Дж. К.; Стин, PH (1 января 1992 г.). «Плоское центробежное литье расплавленных металлов: поведение процесса». Журнал материаловедения . 27 (1): 215–225. дои : 10.1007/BF00553859 . ISSN 1573-4803 . S2CID 137640227 .
- ^ Стин, Пол Х.; Керхер, Кристиан (1997). «Механика жидкости центробежного литья металлов». Ежегодный обзор механики жидкости . 29 (1): 373–397. Бибкод : 1997АнРФМ..29..373С . дои : 10.1146/annurev.fluid.29.1.373 .
- ^ Павуна, Давор (1 сентября 1981 г.). «Производство металлических стеклянных лент методом кокильного формования в стабилизированных лабораторных условиях». Журнал материаловедения . 16 (9): 2419–2433. Бибкод : 1981JMatS..16.2419P . дои : 10.1007/BF01113578 . ISSN 1573-4803 . S2CID 135709527 .
- ^ Сейно, Рю; Сато, Юичи (15 февраля 2014 г.). «Наблюдение за поведением ванны расплава при литье в плоском потоке на воздухе». Журнал сплавов и соединений . СИ: ИСМАНАМ 2012. 586 : S150–S152. дои : 10.1016/j.jallcom.2013.04.189 . ISSN 0925-8388 .
- ^ Райт, Р.Н.; Корт, GE; Селлерс, CH (1998-09-09), «Двухвалковая система прядения расплава без контейнера», Review of Scientific Instruments (письмо), 61 (12): 3924–3926, doi : 10.1063/1.1141529
- ^ Пей, Жипу; Цзюй, Дунъин (17 апреля 2017 г.). «Моделирование процессов непрерывной разливки и охлаждения металлических стекол» . Материалы . 10 (4): 420. Бибкод : 2017Mate...10..420P . дои : 10.3390/ma10040420 . ISSN 1996-1944 гг . ПМК 5506926 . ПМИД 28772779 .
- ^ «Магнитные материалы: мягкие магниты» (PDF) . Бирмингемский университет .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Видео на YouTube о процессе прядения из расплава.
- Пример спиннера для расплава http://www.arcastinc.com/meltspin.htm .