Индукционная печь для плавки муллита

Введение
Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связь между составом, строением и свойствами, а также разрабатывающая пути воздействия на их свойства с целью получения необходимых эксплуатационных характеристик. В настоящее время в промышленности используются самые разнообразные материалы, представляющие собой как простые вещества, так и сложные соединения.
1. Тугоплавкие материалы
Под тугоплавкими материалами понимают материалы, температура плавления которых выше температуры плавления железа, равной 1539 C. Работа с такими материалами осложняется как необходимостью получения высоких температур, так и необходимостью иметь жаропрочные инструменты, с более высокой термостойкостью, чем сам материал.
1.1. Основные понятия
В данной работе рассматриваются в первую очередь оксидные керамические тугоплавкие материалы, а именно муллит. [2]
Основными по распространенности в земной коре являются такие элементы, как кислород, кремний и алюминий. Кремний и алюминий обычно представлены в виде оксидов и силикатов.
Рассмотрим химическую связь в тугоплавких неметаллических материалах. В этих материалах атомы металлов обычно связаны с атомами кислорода ионно-ковалентной связью. Наибольшую электроотрицательность из всех металлов, входящих в силикаты, имеет кремний. Особую роль во многих силикатах имеет алюминий. В зависимости от типа гибридизации электронных орбиталей, алюминий может образовывать тетраэдрические либо октаэдрические связи, образуя группы [AlO4] и [AlO6] соотвественно.
Поскольку электроотрицательность алюминия значительно меньше, чем у кремния, алюминий образует связи с кислородом, обладающие большей степенью ионности.
Особенностью структур оксидов является плотнейшая упаковка ионов кислорода (кубическая или гексагональная).
При этих способах укладки шаров между ними возникает два вида пустот: тетраэдрические и октаэдрические. Три шара, прикрытые сверху одним шаром, образуют пустоту, называемую тетраэдрической, т. к. линии, соединяющие центры этих шаров, образуют тетраэдр. В тетраэдрическую пустоту можно вписать шар радиусом 0,22 · R, где R – радиус больших шаров (ионов кислорода). Другой случай, когда три шара первого слоя прикрыты сверху не одним шаром, а треугольником из шаров, повернутым на 60° относительно первого слоя. Пустоту, образованную шестью шарами, называют октаэдрической, т. к. линии, соединяющие центры этих шаров, образуют октаэдр. В нее можно вписать шар радиусом 0,41 · R. На каждый шар приходится 1 октаэдрическая и 2 тетраэдрические пустоты.
1.2. Керамика
Наиболее широко известным и применяемым из тугоплавких материалов является керамика. Этот материал изготавливается из глин и их смесей с неорганическими веществами. Глина и полевые шпаты, из которых изготовляется керамика, представляют собой природную смесь алюмосиликатов натрия, калия и кальция с примесями. В данное время керамика является третьим промышленным материалом после металлов и пластмасс, и первый конкурент металлических сплавов для использования при высоких температурах.
Главной отличительной особенностью обычной керамики является ее пластичность в исходном состоянии (шликер), что позволяет получать изделия любой требуемой формы. После формовки, сушки и покрытия глазурью, керамика подвергается обжигу – процессу нагрева до высокой температуры, при котором осуществляется спекание частиц исходного материала. Характерно, что обычная керамика при обжиге нагревается гораздо ниже температуры плавления материала в целом – спекание обеспечивают более легкоплавкие включения.
Керамика известна с глубокой древности и до сих пор применяется в технике и в быту. Изучению керамики посвящены целые разделы физики и химии твердого тела.
Огнеупорная керамика. Важнейшим применяемым тугоплавким материалом является огнеупорная керамика. Шамот или огнеупорная глина представляет собой каолин (силикат алюминия), обожженный до некоторой степени спекания. Шамотная крошка, добавляемая в сырье для керамики, обеспечивает повышение теплостойкости. Шамотная керамика используется для изготовления большинства огнеупорных материалов, предназначенных для работы в условиях открытого пламени, корпусов печей резистивного нагрева, в металлургической, стекольной, сахарной, машиностроительной, химической промышленности, а также во всех других отраслях, где проходит работа с применением доменных, шахтных и вращающихся печей. Теплостойкость шамотных огнеупорных материалов не ниже 1580 C.

1.3. Базальтовое волокно
Производство базальтовых волокон основано на получении расплава базальта в плавильных печах и его свободном вытекании через специальные устройства, изготовленные из платины или других жаростойких металлов. Плавильные печи могут быть электрическими, газовыми или с мазутными горелками.
1.4. Муллит
Муллит – это минерал, представляющий собой соединение оксидов алюминия и кремния. Муллит имеет непостоянный состав и непостоянную структуру. Этот изначально природный материал также синтезируется искусственным путем. В природе муллит встречается в виде прозрачных кристаллов, имеющих различные оттенки ввиду наличия примесей. Кристаллы изменяют цвет при рассматривании под различными углами, это свойство называется плеохроизмом. Кристаллы муллита иногда представлены в нитевидных формах, что придает им «пушистый» вид. [1]
Муллит устойчив к высоким температурам. Большинство разновидностей выдерживает температуру более 1800 градусов, но некоторые образцы переносят температуру до 1900 C.
Рассмотрим физико-химические свойства муллита.
Общая химическая формула муллита: Al4+2xSi2-2xO10-x где x = от 0,17 до 0,59.
Получается, что в составе присутствуют оксиды, гидроксиды, фториды и силикаты алюминия, а также оксиды кремния. Обычно встречаются вариации химического состава от Al6Si2O13 до Al4SiO8. Температурная стойкость зависит от химического состава.
Чистый минерал является бесцветным, примеси железа или титана окрашивают его в оттенки розоватого или фиолетового цвета. Минерал обладает стеклянным блеском.
Сингония ромбическая, спайность хорошая по плоскостям {010}.
Твердость 6 – 7 по шкале Мооса.
Плотность  = (3 – 3,1)103 кг / м3.
Температура плавления, как упоминалось выше, от 1800 до 1900 C.
Муллит представляет собой фазу алюмосиликата, занимающую промежуточное положение между упорядоченными фазами – силлиманитом и андалузитом. Элементарная ячейка муллита не содержит целого числа атомов кислорода, при этом вакансии распределены статистически.
2. Методы синтеза тугоплавких материалов
2.1. Технология получения кристаллических материалов
2.1.1. Метод Вернейля
Кристаллы корунда, рубина, граната, сапфира выращивают, в основном, методом Вернейля. [3]
Сущность метода заключается в том, что в зону нагрева подается измельченная шихта материала в виде тонкодисперсного порошка. Частицы порошка расплавляются и налипают на поверхность затравки, в результате чего кристалл увеличивается в размерах. Нагрев обычно осуществляется кислород-водородной горелкой. Метод Вернейля, изобретенный в 20-х годах прошлого века дошел до настоящего времени практически без изменений.

2.1.2. Метод Чохральского
Также кристаллические материалы можно выращивать методом Чохральского. Метод позволяет получать монокристаллы довольно больших размеров с небольшими дефектами структуры.
Поскольку в нем обычно применяется для разогрева шихты индукционная печь, остановимся на этом методе подробнее.
Как было сказано выше, индукционные печи пригодны для разогрева проводящих материалов, поэтому метод Чохральского наиболее часто применяется при выращивании монокристаллов полупроводников (кремний, германий) для нужд электронной промышленности.
Тем не менее, внесение в шихту проводящей примеси позволяет использовать метод для диэлектрических кристаллов. В сочетании с холодным тиглем метод пригоден для тугоплавких материалов.
Сущность метода состоит в том, что затравка, помещенная на вращающемся подвижном стержне, касается поверхности расплава. Затем стержень с затравкой медленно поднимается над расплавом. В результате происходит зонное охлаждение материала и кристалл «вытягивается» вслед за стержнем.

Кристалл получается вытянутым цилиндром с сохранением структуры межатомных плоскостей на всем протяжении цилиндра.
2.1.3. Метод Степанова
Метод Чохральского был модифицирован Степановым в 1938 году. Метод Степанова позволяет выращивать из тугоплавких материалов типа корунда, сапфира или граната кристаллы заданной формы.
Идея метода заключается в том, что расплав через формирователь за счет сил поверхностного натяжения поступает в зону охлаждения, откуда вытягивается уже в форме профиля, имеющего зачастую достаточно сложную форму.

2.2. Дуговая электропечь
Основное назначение дуговой электропечи – плавка металлов и сплавов. Обычно в печи применяется прямой нагрев сырья и расплава в канале дугового разряда. В печах прямого нагрева дуга горит между электродами и расплавляемым материалом, в печах косвенного нагрева – между электродами. Футерованный кожух печи закрыт сводом, через который проведены электроды, высоту которых над расплавом можно изменять. На электроды подается напряжение 120 – 600 вольт. Источник энергии должен обеспечивать ток 10 – 15 килоампер.
На стадии зажигания дуги и расплавления шихты горение дуги происходит нестабильно, впоследствии, после расплавления материала, горение дуги стабилизируется.
Обычно процесс плавки в дуговой печи происходит непрерывно, с постепенным добавлением шиты и периодическим частичным выведением расплава и шлака.
Управление режимом горения дуги достигается как электрической схемой питания электродов, так и расстоянием от электродов до поверхности расплава. В настоящее время для управления большими токами применяют симисторные схемы с обратной связью через управляющий программируемый логический контроллер, которые могут стабилизировать значение силы тока на требуемом уровне.