Технические характеристики метода фоновой резонансной регуляции

Современные экспериментальные и теоретические исследования уже позволяют предполагать, что в конденсированной среде могут проявляться свойства, присущие не только отдельным атомам и молекулам, но и крупным надмолекулярным упорядоченным структурным образованиям. Признание этого факта позволяет в рамках превращений части финитных движений в инфинитные объяснить причины появления радиоволнового излучения, сопровождающего физико-химические процессы и управлять с помощью электромагнитных полей (ЭМП) кинетикой роста и свойствами твердой фазы.

Экспериментальные исследования позволили установить резонансный характер воздействия ЭМП малой мощности на физико-химические процессы, в которых происходят гетерофазные превращения и фазовые переходы, причем эффект наблюдается в интервале радиочастот. При этом управление с помощью ЭМП свойствами получаемых материалов является одной из актуальных тем материаловедения.

Исследования гетерофазных физико-химических эффектов и фазовых превращений под действием электромагнитных полей известны давно. Однако в последнее время внимание исследователей привлекают нелинейные эффекты по полям межмолекулярных сил в материалах. Они определяются эффектами локальной упорядоченности атомных и молекулярных структур. Распространение в проходящей через метастабильное состояние конденсированной фазе (между жидкой и твердой) электромагнитных и акустических колебаний малой мощности порождает физические эффекты. Использование этих эффектов в приведенной технологии создают реальные предпосылки улучшения качества конечного продукта. Это достигается изменением массо - и теплообмена.

В настоящее время данный метод испытан на большой группе неравновесных физико-химических процессов различной природы в открытых диссипативных сис­темах. Технические средства дают возможность практического применения воздействий ЭМП в большинстве областей металлургии, машиностроения, строительной и химической промышленности. Эти технологии в силу сокращения производственного цикла, а также изменения свойств и структуры материала весьма привлекательны. Они требуют небольших капитальных затрат и обладают высокой экономической эффективностью.

В исследованиях предлагалось выявить влияние термовременной и электромагнитной обработки на структуру материала в полутвердом состоянии. Как показали исследования [1], частоты металлических расплавов и полужидких (полутвердых) состояний в области электромагнитных полей находится в области радиоволнового диапазона. Из приведенного литературного источника следует, что электромагнитное излучение радиоволнового диапазона должно резонансно поглощаться конденсированной средой и воздействие маломощного излучения радиоволнового диапазона может проявляться в изменении свойств материала, претерпевающего фазовые, метастабильные и кинетические превращения. Другими словами говоря, с помощью электромагнитного излучения радиоволнового диапазона можно регулировать структуру материала и соответственно все структурозависимые свойства.

Генератор импульсов тока для излучения радиоволнового диапазона имеет электрическую колебательную мощность не более 15В∙А – это небольшой бокс с регуляторами, индикаторами параметров и выходными клеммами для подключения петли антенны-медиатора (рисунок 1). Электрическая схема генератора импульсов тока составлена современными интегральными и дискретными элементами, устройством мониторинга и управления и не представляет предмета специального анализа в аспекте заявленной темы.

Устройство ввода сигнала регуляции в систему влияния или антенна-медиатор представляет собой обыкновенный одножильный провод, обычно медный, диаметром не более 2 мм, в твёрдой (фторопласт) изоляции от внешних нежелательных гальванических и химических контактов. Длина провода не превосходит нескольких метров, и он накоротко (гальванически) замыкает выход генератора импульсов тока на корпус, представляя, таким образом, короткозамкнутую петлю магнитного диполя. Для стендовых (лабораторных) испытаний к “телу” петли может жёстко крепиться один, либо несколько пружинных зажимов. При необходимости петля может быть заменена отрезком тугоплавкого или химически более стойкого металла, а может быть представлена двумя проводящими фрагментами, замыкаемыми на внешний проводник.

Генератор устанавливается вблизи технологической зоны регуляции, его корпус заземляется согласно принятым нормам, он обеспечивается электропитанием от однофазной сети. Далее возможны варианты:

1) петля антенны вводится в механический контакт с конденсированной (жидкой, твёрдой, пастообразной) средой регуляции; здесь важно обеспечить плотное механическое примыкание петли к зоне влияния с помощью зажима или иным способом;

Рисунок 1– Генератор импульсов тока и его подключение к акустическому волноводу посредством петли магнитного диполя.

2) петля антенны разрывается, и в разрыв вводится электропроводный элемент конструкции, на который, либо через посредство которого будет осуществляться регулятивное влияние; это, например, может быть металлическая форма кристаллизатора, сварная ванна, арматурная сетка, корпус химического реактора и проч.;

3) петля антенны жёстко механически соединяется с монолитным акустическим проводником (волноводом), изготовленным из металла, керамики или – при необходимости – из плотного органического полимера или органно-минерального композита (фторопласт, поликарбонат, эпоксидный компаунд); при этом каких-либо особых требований к электромагнитным свойствам волновода не предъявляется;

4) петля антенны может иметь любую технологически удобную форму – вплоть до бифилярного провода, что выгодно отличает режим работы устройства сниженным уровнем электромагнитных помех.

После включения аппаратуры в технологическую схему никакого специального и квалифицированного надзора, кроме предусмотренного в ТУ самого производства не требуется. Заметим, что введение регуляции в физико-химические процессы – это операция, практически ничего масштабно не меняющая: аппаратура столь мала, что может быть “пристроена” в любом удобном месте. При этом уровень электромагнитных помех от антенны сопоставим с естественным фоном промышленного электрооборудования.

Среды влияния в подавляющем большинстве реактивны по отношению к электромагнитным полям (ЭМП). А поскольку переменные токи и ЭМП способны возбуждать в конденсированной среде механические колебания – акустические волны, то их стали рассматривать как действующий регулятивный фактор. Предложен механизм распространения акустического регулятивного сиг­нала в волновом канале мезофазы с резонансным усилением на частотах фа­зовой синхронизации за счёт нелинейного преобразования энергии высокочас­тотных мод, высвобождающейся в процессах физико-химических превращений и внутреннего диффузионно-конвективного транспорта.

Влияние на физико-химические процессы осуществляется не директивно, а имманентно согласно характеру самого неравновесного физико-химического процесса. Другими словами осуществляется фоновая подстройка под оптимальный отклик кинетических параметров и контролируемых характеристик физико-химических процессов. Отсюда и было сформулировано название метода как фоновая акустическая резонансная регуляция самоорганизации физико-химических процессов. Метод был испытан на большой группе неравновесных физико-химических процессов различной природы: плавление и литье, аргоно-дуговая сварка, гальваника, полимеризация полимерных композитов и т.д. Причём по всем позициям имеются апробационные заключения независимых экспертных групп, показывающие эф­фективность и воспроизводимость показателей фоновой регуляции, как на стадии самого процесса, так и в отношении потребительских свойств получаемых про­дуктов.

Экспериментальная часть

Плавление и кристаллизацию образцов алюминия и сплава АК10М2Н (ГОСТ 1583 – 93) в виде чушки, содержащий (масс. %): Fe -0.4, Si – 9.6, Cu – 2.0, Mn – 0.01, Mg – 1.3, Ni - 1.1, Zn – 0.03, как при наличии ЭМП, так и без него, проводим в одних и тех же условиях в графитовом тигле. Во избежание электромагнитного шума термодатчика сигнал ФАРРС от гальванической петли магнитного диполя непосредственно в плавильную зону не подавался – в массу металла погружался керамический акустический волновод, либо к внешней поверхности стеклоуглеродного плавильного тигля механически примыкался провод диполя (рисунок 2). Плавление и кристаллизацию проводили при частотах, которые определили экспериментально, изучив частотную зависимость микротвердости холодного алюминия и его сплава.

Рисунок 2 - Блок-схема экспериментальной установки: 1 – термопара, 2 – муфельная печь, 3 – графитовый тигель, 4 – сосуд с водой и льдом, 5 – образец металла или сплава.

Процесс плавления и кристаллизации во времени записывался в виде кривых охлаждения, информация о которых через контроллер отображалась на дисплее ПК. Температура записывалась с помощью хромель-алюмелевой термопары, имеющей холодный спай в смеси льда и воды. Время плавления и кристаллизации подбирали экспериментально, чтобы на кривых охлаждения четко прописывались траектории температуры при плавлении и кристаллизации. Это достигалось вариацией мощности муфельной печи, а также изменением количества вещества в тигле.

Кинетические кривые компьютерной хронотермометрии–кривые изобарного охлаждения алюминия в естественных условиях (контроль) и режиме ФАРРС на оптимальной частоте следования ИТ (215 кГц) показывают сохранение скоростей остывания как жидкой, так и твёрдой фаз металлов (наклонные участки) и отчётливое сокращение времени фазового перехода (горизонтальный участок) (рисунок 3) в режиме ФАРРС. Если принять неизменность энтальпии кристаллизации в электромагнитном и акустическом полях – а для иного нет достаточных оснований – сокращение длительности процесса твердения означает интенсификацию “сброса” внутренней энергии системы в термостат (рисунок 3 и 4). Ещё одна особенность – исчезновение переохлаждения жидкости, что также соответствует представлениям об организующем механизме ФАРРС.

Рисунок 3 - Кривые плавления и охлаждения алюминия: а – контроль, б – при частоте ФАРРС 250 кГц.

Рисунок 4 - Кривые охлаждения сплава АК10М2Н (абсцисса – время, отн.ед.; ордината – температура, отн.ед.). - время кристаллизации при частоте ИТ 250 кГц, - время кристаллизации в стандартных условиях.

Эффекты параметрической, в частности, структурной памяти в различных конденсированных системах известны. Выдвигаются эмпирические и теоретически обоснованные модели, некоторые из которых не только объясняют факты, но и дают прогностическую информацию. Нами обнаружен эффект памяти однократного ФАРРС процессами плавления и кристаллизации металлов: длительность фазового перехода при повторных операциях перекристаллизации (без ФАРРС) сократилась.

На рисунке 5 показано сохранение и постепенное разрушение фазово-переходной (долговременной) памяти олова и свинца о режиме ФАРРС (цикл 2) в серии последовательных неуправляемых циклов (3–6) плавления – кристаллизации. Однако к исходному значению времени превращения (цикл 1) система так и не вернулась.

Сходная картина наблюдается при исследовании аккумуляторного сплава СКА7 (0.1–0.2 % Ca; 0.05% Al; остальное – Pb). Рис.2.23, а, показывает устойчивую воспроизводимость времени кристаллизации 0.3 кг сплава в тигле, а тот же рисунок, б, демонстрирует сокращение длительности кристаллизации на 16% в режиме ФАРРС и сохранение памяти об этом режиме в дальнейших циклах плавления – кристаллизации.

В Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН (СПб) проводились опыты по ФАРРС кристаллизации алюминиевого сплава АМц при вертикальном вытягивании кристаллизующейся полосы через фильеру с подключением антенны-медиатора непосредственно к литьевой машине. В таблице 1 представлены усреднённые значения плотностей и поперечных сечений (±1.6%) полос АМц непрерывного литья как функции скорости вытягивания слитка из расплава и частоты ИТ ФАРРС.

Таблица 1 – Характеристики литой полосы из сплава АМц в зависимости

от скорости вытягивания изделия и частоты ИТ ФАРРС кристаллизации.

Данные ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, 2006 г.

а

б

Рисунок 6 – Воспроизводимость времени кристаллизации аккумуляторного сплава СКА7 в спонтанном режиме (а), его сокращение (б) в режиме ФАРРС (цикл 1) и эффект фазово-переходной памяти при повторных процессах с тем же образцом сплава, но без ФАРРС – спонтанно (циклы 2–7)

При малых скоростях вытягивания (серии 1–3) штатный и ФАРРС режимы показывают близкие результаты (рисунок 6). Однако повышение скорости вытягивания при частоте ИТ 500 кГц (серии 3–8) отчётливо показывает существенное сужение слитка при сохранении структурных и эксплуатационных параметров изделия на скоростях вытягивания (серии 7, 8), не реализуемых в штатном (спонтанном) режиме из-за разрыва полосы, не успевающей затвердеть в зоне фильеры. Это прямо свидетельствует об ускорении процесса кристаллизации в режиме ФАРРС и проникновении зоны твердения вглубь отверстия фильеры, что аналогично результатам по ФАРРС кристаллизации олова, свинца и алюминия.