Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Зонная плавка

Развитие новых отраслей науки и техники, в первую очередь электроники, атомной энергетики и ракетостроения, поставило задачу получения материалов, в том числе и металлов высокой степени чистоты и совершенной структуры. Соблюдать эти требования, прибегая к обычным металлургическим и химико-технологическим методам, часто не удается.

В 1952 г. американский ученый В. Пфанн для получения материалов высокой степени чистоты предложил использовать рафинирование при зонной плавке. Сущность этого метода (рис. 1) заключается в том, что вдоль достаточно длинной твердой заготовки в одном ж, направлении перемещается с определенной скоростью ряд узких зон расплавленного материала, создаваемых локальными источниками нагрева. У перемещающихся зон имеются две поверхности раздела между жидкой и твердой фазами — плавящаяся и затвердевающая. На плавящейся поверхности твердое вещество плавится и смешивается с содержанием металла зоны. На затвердевающей поверхности благодаря избирательному характеру кристаллизации концентрация примеси в только что затвердевшей части отличается от концентрации в расплаве.

Если примесь понижает температуруплавления растворителя, то ее концентрация в затвердевшей части меньше, чем в жидкой, примесь оттесняется затвердевающим веществом и скапливается в жидкой зоне. Примесь, повышающая температуру плавления вещества, поглощается затвердевающим веществом и обедняет жидкую зону. Таким образом, при перемещении зон примеси движутся либо вместе с зонами, либо в обратном направлении.

Зонная плавка
Рисунок 1. Схема зонной плавки заготовок различной конфигурации:
1 — подвижные заготовки; 2 — нагреватели; 3 — неподвижная заготовка

Эти особенности затвердевания растворов используются во многих процессах, в частности при направленной кристаллизации в переплавных рафинировочных процессах ВДП, ЭЛП, ПДП и ЭШП. Отличие зонной плавки заключается в том, что одна и та же малая порция вещества при многократном прохождении зоны плавления многократно подвергается направленной кристаллизации. Это технологическое нововведение в огромной степени повысило эффективность кристаллизации как способа разделения. Степень очистки тем выше, чем больше число проходов, т. е. чем больше число единичных зон и чем больше отличается от единицы коэффициент распределения примеси, представляющий собой отношение концентрации примеси в затвердевающей части к ее концентрации в расплаве (К = Ств/Сж).

В настоящее время зонная плавка> находит широкое применение в исследованиях и в производстве особо чистых металлов, полупроводников, органических и неорганических веществ. Зонной очисткой удалось получить и исследовать в чистом виде (содержание примесей до 10~7 %) свойства свыше 30 металлов, в том числе железа, никеля, кобальта, вольфрама, молибдена, циркония и др.

Зонную плавку осуществляют тигельным и бестигельным способами. Элементы, индифферентные к материалу тигля, очищают в контейнерах, а элементы, температура плавления которых превышает 1200° С, взаимодействуют с материалом тигля и их следует очищать бестигельным способом. Сообразно с этим алюминий, сурьму, свинец, висмут, олово очищают в лодочках, а молибден, ниобий, кремний, рений, цирконий — по методу плавающей зоны, удерживаемой в заготовке силами поверхностного натяжения. Железо и никель занимают промежуточное положение и их можно очищать и тигельным, и бестигельным способом.

В зависимости от температуры при зонной плавке используют радиационный нагрев от элементов сопротивления, индукционный нагрев, нагрев электронным или сфокусированным световым лучом.

Источник [4] → список литературы.

Читайте также:

Вернуться в начало раздела: Невакуумная выплавка специальных сплавов
Вернуться на главную: Черная металлургия