Асп. Елекоева К.М.,
к.ф.-м.н. Гринюк В.Н.
Кафедра физики.
Северо-Кавказский
горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
Показано,
что вклад перемешивания в реальное значение коэффициента распределения зависит
от напряженности поля, создающего электроперенос и глубины диффузии примеси в
жидкой зоне.
В
работах [1 – 5] отмечалось повышение степени рафинирования при зонной плавке с
ВЧ-индуктором при пропускании через расплав постоянного или переменного тока.
Это объяснялось электропереносом в расплаве или явлением Пельтье на границе
твердой и жидкой фаз рафинируемого слитка. Для обычных неполупроводниковых материалов
указывалось на доминирующую роль электроперенноса в расплаве. Другие механизмы,
в частности, перемешивание жидкой зоны, по причине взаимодействия
электромагнитного поля ВЧ-индуктора и тока, предполагались вероятными, но специально
не исследовались. Положительное действие возможного электромагнитного
перемешивания в жидкой зоне по данным Пфанна и Дорси [2] требует уточнения по
реальной причине захвата примесей фронтом кристаллизации [3,4]. При этом
возможно не только ухудшение очистки от примеси, но и загрязнение ею
рафинируемого слитка. Величина коэффициента распределения Кэф при этом может
возрастать, что отмечалось в работе [3] для рафинируемой системы висмут–олово.
Но количественная оценка такого возрастания в этой работе не проводилась.
Целью
настоящей работы было выяснение количественного вклада электромагнитного
перемешивания в реальное значение эффективного коэффициента распределения
примеси и его зависимости от основных параметров, включая скорость процесса и
глубину диффузии в жидкой зоне.
Достижение
цели, обозначенной выше, удобно начать с рассмотрения зависимостей эффективного
коэффициента распределения Кэф примеси Sn в системе Bi–Sn от скорости
перемещения фронта кристаллизации R при разных значениях напряженности электрического
поля Е, вызывающего ток через расплав и глубины диффузии δ по
экспериментальным данным [3]. Эти зависимости приведены на рисунке, на котором
зависимость 1 отвечает процессу Е = 1в·см-1, δ = 0,4D; кривые 2,4 –
значениям Е = 1В·см-1, δ = 0,1D и Е = -1В·см-1, δ = 0,4D соответственно,
где D – коэффициент диффузии примеси в расплаве. Кривые 3,5 были рассчитаны по
теории Прима-Бартона-Слихтера при Е = 0, δ→0 и теории процесса [4] с
электропереносом в расплаве, так что Кэф = Кэф (К0,Е, δ), где К0=Кэф min.
С
учетом зависимостей на рисунке можно ввести в рассмотрение фактор перeмешивания
Pik, где i, k – индексы, отвечающие номерам кривых на рисунке. При этом i
соответствует экспериментальной кривой, k – опорной теоретической зависимости.
Величина Pik будет равна площади области расслоения графика Кэф = Кэф
(К0,Е,δ) из-за добавки механизма перемешивания для i-й экспериментальной
кривой. На рисунке эти области расслоения заштрихованы различно в зависимости
от вида процесса для данных параметров К0,Е, δ.
В
рамках принятой выше теоретической модели
, (1)
где
– экспериментальные и теоретические параметры
в соотношении (1) будут функциями магнитных и электрических характеристик
внешнего поля.
В
соответствии с (1) и нашей теоретической моделью получим равенство для
нахождении величины Рik в виде:
. (2)
В
таблице приведены полученные из соотношения (2) значения Рik для трех процессов
зонной очистки в системе висмут–олово по данным работы [3].
Процесс, параметры
К0min
Область интегрирования, R0, R0+ΔR, μ·с-1
Рik
Без перемешивания
Е=0, δ=0
~0
0 – 50
0
Перемешивание с ЭМ-полем
Е = 1В·см-1, δ = 0,4D
0,45
0 – 50
0,14
Перемешивание с ЭМ-полем
Е = 1В·см-1, δ = 0,4D
0,35
0 – 50
0,03
Из
рассмотрения данных таблицы видно, что фактор электромагнитного перемешивания
при зонной очистке с наложенным электрическим полем зависит от полярности
приложенного поля. При Е>0 величина Рik максимальная, что отвечает и худшей
степени очистки при данной полярности поля. Надо полагать, что это связано с
притоком ионов примеси в область фронта кристаллизации и захватом ее в
рафинируемую часть слитка. Здесь во всем диапазоне скоростей кристаллизации
значение величины Кэфmin=К0 больше, чем в отсутствие перемешивания. Интересно
отметить, что при перемене полярности при Е
Таким
образом, предлагаемая выше теоретическая модель электромагнитного перемешивания
на основе введенного фактора перемешивания хорошо описывает ранее известную
экспериментальную информацию по зонной очистке с электропереносом в расплаве.
Список литературы
Гринюк
В.Н., Папиров И.И., Тихинский Г.Ф., Дьяков И.Г. // Изв. АН СССР, Металлы, 4,
405, 1967.
Pfann
W., Dorsi. Rev
Scient.Instr.28, 720, 1957
Verhoeven J. // Тrans. AIME, 233, 1156, 1962.
Гринюк
В.Н. Электроперенос и электрорафинорование в бериллии. Автореф. дис. канд.
физ.-мат. наук. Харьков, 1974.
Shoub B., Potard С. Conf. Inter. Sur la Mét. du
berullium, Grenoble,
1965. Pres. Univ. de France, Paris, 1966.
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.skgtu.ru/
Дата добавления: 02.09.2009