Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Общая постановка задачи формирования структуры заготовки из металлического сплава в процессе литья. Выбор и анализ методов и средств построения моделей и управлений для решения задачи формирования структуры металла 14
1.1. Общее описание и-анализ технологий получения удовлетворительной структуры заготовок из легких сплавов 14
1.2. Анализ процесса формирования структуры слитка с позиции решения задач математической теории поля 16
1.3. Предложение и анализ управлений процессом формирования структуры слитка 19
ГЛАВА 2 Начальные предположения и основная модель иерархической структуры полей 47
2.1. Начальные предположения. Теорема вириала. Основные механические свойства полей 47
2.2. Модель непрерывности движения материального вихря 63
2.3. Модель физического пространства, содержащего материальный вихрь, движущийся с низкой скоростью 66
2.4. Модель частицы — носителя электрического заряда 67
ГЛАВА 3 Модели вихревых электротоков в металле и их излучений 74
3.1. Модель вихревого электротока в металле 74
3.2. Проникающая способность излучений в металл 84
ГЛАВА 4 Конструкция узла излучателя управляющих воздействий 85
ГЛАВА 5 Функциональная схема и алгоритм автоматизации 91
Заключение 100
Список литературы 102
Приложение 109
- Общее описание и-анализ технологий получения удовлетворительной структуры заготовок из легких сплавов
- Начальные предположения. Теорема вириала. Основные механические свойства полей
- Модель физического пространства, содержащего материальный вихрь, движущийся с низкой скоростью
- Проникающая способность излучений в металл
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время одним из технологических этапов производств крупногабаритных металлических изделий, таких, как самолеты, корабли, ферменные конструкции и др., является отливка крупногабаритных заготовок из алюминиевых сплавов. Габаритные размеры этих заготовок достигают 8x2x1,5м и более. Непрерывное литье осуществляется в скользящую опоку, и в темпе естественного остывания и твердения слитка, он выдвигается из опоки в вертикальную шахту вниз.
Основная трудность получения заготовки требуемого качества связана с ускоренным темпом остывания слитка в начале и при окончании литья. Это отражается в возникновении в слитке внутренних напряжений, приводящих к его растрескиванию на обоих концах. В соответствии с действующей в настоящее время технологией, для получения заготовки требуемого качества концевые части слитка длиной до 2м отрезаются в отходы, и годной полагается только его средняя часть.
Исследования в области материаловедения и технологии литья легких сплавов, выполненные более 50 лет тому назад, показали, что качество слитка повышается при максимально возможном уменьшении толщины слоя жидкого металла на горячей стороне заготовки. Однако в связи с относительно высокой вязкостью жидкого металла и трудностями измерения толщины жидкого слоя практически достичь приемлемых параметров процесса литья в заводских условиях не удается.
Также не дают хороших результатов предложенные недавно технологии литья в слабых магнитных полях.
Трудности с устранением растрескивания слитка имеют основной причиной несоответствие моделей формирования заданной структуры
металла возможностям управления этим процессом. В этой связи, получение высококачественных заготовок из легких сплавов до настоящего времени является одной из актуальных проблем, требующих глубокой теоретической проработки, и практически реализуемо при автоматизированном управлении процессом литья.
Целью работы является:
разработка автоматизированной системы управления формированием структуры металлического слитка в технологическом процессе литья для повышения технических характеристик слитка.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
с точки зрения цели работы: управления формированием структуры металла построить механико-математическую модель комплекса полей, являющихся причиной металлических связей, обеспечивающих пространственное распределение ионов металла в кристаллической решетке. Так как данные связи обеспечиваются равновесием сил гравитационного и электростатического взаимодействия ионов и вырожденного электронного газа в межионном пространстве кристаллической решетки, то с помощью полученной модели описывается структура металла как предмет формирования, и выявляются свойства полей, взаимодействующих со структурными связями и воздействующих на структуру;
с точки зрения выбора управляющих воздействий на процесс организации заданной структуры металла определить процесс генерации излучений, реплицирующих эталонную структуру сплава в жидкую фазу
металла, и соответствующий, одновременно, модели поглощения этих излучений. С точки зрения управления (формированием структуры вещества) значимое различие жидкого и твердого металла заключается в том, что пространственные формы токов электронного газа в межионном пространстве твердого тела практически стационарны, а в жидком теле непредсказуемо меняются. В соответствии с этим, носителями управляющих воздействий, отображающих в жидкий металл структуру эталонного образца сплава, могут быть поля электромагнитной природы, излучаемые индуцированными в эталонном (твердом) образце вихревыми электротоками;
выбрать метод управления формированием структуры металла и обосновать его действенность при реальном применении;
для возможности генерации управляющих воздействий — излучений, обладающих свойствами, удовлетворяющими построенным моделям, разработать излучающий узел и схему индукционного возбуждения вихревых электротоков в эталонном образце сплава;
для автоматизации литейного агрегата, оснащенного системой управления формированием структуры металлического слитка управляющими излучениями в процессе литья, разработать общую схему автоматизации литейного агрегата, включающую излучающее устройство, и алгоритм управления данным агрегатом.
Структура диссертации
Указанный комплекс цели и задач определяет структуру и содержание работы, состоящей из пяти глав, заключения, списка использо-
ванной литературы, приложения. Каждая глава предваряется краткой аннотацией, представляющей круг вопросов, рассматриваемых в главе.
В первой главе обсуждается круг вопросов, рассматриваемых в диссертации. Приводится общая постановка задачи, решаемой в диссертации, и намечается путь ее решения.
В разделе 1.1 рассматривается и анализируется проблема получения высококачественных заготовок из литейных легких металлических сплавов, рассматриваются причины снижения качества слитков.
В разделе 1.2 с точки зрения теории управления и с применением положений математической теории поля рассматривается принцип реализации формирования структуры слитка.
В разделе 1.3 с позиций термодинамики и спектрального анализа рассматривается предложение управления формированием структуры слитка моделированием в слое жидкого металла условий термодинамических систем «с отрицательной теплоемкостью».
Во второй главе принимаются начальные предположения и ограничения и строится основная модель иерархической структуры полей.
В разделе 2.1 на основании принимаемых предположений и ограничений определяется нижний иерархический уровень физических полей, удовлетворяющих теореме Гельмгольца, доказывается теорема ви-риала для замкнутой системы в сплошной среде, и определяются основные механические свойства данных полей.
В разделе 2.2 строится модель непрерывности движения материального вихря в физическом пространстве и модель состояния материального тела физического пространства при наличии в нем движущегося материального вихря.
В разделе 2.3 кратко рассматривается модель состояния материального тела физического пространства при наличии в нем материального вихря, неподвижного или движущегося со скоростью ниже, чем определенная теоремой вириала.
В разделе 2.4, на основании выбранного подхода к построению иерархических структур, строится модель частицы - носителя элементарного электрического заряда как суперпозиция двух векторных полей.
В третьей главе вырабатывается модель вихревых электротоков в
металле и анализируется соответствие излучений этих электротоков физико-химической структуре металла.
В разделе 3.1 векторная модель вихревого электротока строится и анализируется на основании стремления механической системы к состоянию минимума энергии, отражаемому теоремой вириала, т.е. к состоянию замкнутости.
В разделе 3.2 кратко анализируется проникновение агента структуры эталонного излучателя в толщу жидкого металла,
В главе 4 рассматривается предложение конструкции излучателя, отвечающей результатам анализа, выполненного в разд. 1.2, и моделям, рассмотренным в главах 2 и 3.
В главе 5 приведена структура автоматизированной системы литья легких сплавов, отличающаяся наличием схемы управления формированием структуры металла управляющим излучением.
Основными научными результатами, выдвигаемыми на защиту, являются следующие:
для управления формированием заданной структурой металлического сплава применено управление силовым, в соответствии с законом Ампера, взаимодействием двух множеств вихревых электротоков: эталонного со стационарными пространственными формами и управляемого с изменяемыми пространственными формами, принудительно приближаемыми к эталонным;
доказана теорема о соотношении энергии связей, внутренней и механического движения в физическом пространстве для вихрей - замкнутых механических систем в сплошной среде, что является эффективной основой для применения единого подхода к построению декомпозиционной математической модели физического тела из металла, как иерархии векторных полей;
на основании предложенного подхода к моделированию металлических физических тел в виде иерархических систем полей показана принципиальная возможность воздействия излучениями электромагнитной природы на процессы организации связей в массиве жидкого металла. Это позволяет применять данные излучения в качестве носителей
управляющих воздействий на формирование заданной структуры слитка в его горячей зоне;
на основании выработанных моделей предложено применение трансформатора тока с вырожденной вторичной обмоткой в качестве узла генерации излучений - носителей управляющих воздействий, отображающих в процессе литья эталонную структуру образца сплава, одновременно, являющегося вторичной обмоткой данного трансформатора, в жидкий металл;
предложена схема автоматизации управления формированием заданной структуры металлического слитка при воздействии управляющего излучения на жидкий металл в кристаллизаторе литейного агрегата, и рассмотрен алгоритм функционирования данной схемы.
Положения и результаты теории, предложенной в диссертации, экспериментально проверены на ОАО «Авиапромналадка» (г. Москва).
Методы исследования
В исследовании применены: положения теории управления, методы классической механики и механики сплошных сред, положения векторного анализа и математической теории поля, положения теории рядов и спектральных интегралов Фурье, а также ряд сведений из теории теплообмена и технологии литья легких сплавов.
Научная новизна
Следующие основные результаты диссертации являются новыми:
для управления формированием заданной структурой металлического сплава применен метод управления силовым, в соответствии с законом Ампера, взаимодействием двух множеств вихревых электротоков: одного - управляющего эталонного со стационарными пространственными формами, другое - управляемое с изменяемыми пространственными формами, принудительно приближаемыми к эталонным;
доказана теорема о соотношении энергии связей, внутренней и механического движения в физическом пространстве для вихрей — замкнутых механических систем в сплошной среде, что является эффективной основой для применения единого подхода к построению декомпозиционной математической модели физического тела из металла, как иерархии векторных полей;
на основании предложенного подхода к моделированию металлических физических тел в виде иерархических систем полей показана принципиальная возможность воздействия излучениями электромагнитной природы на процессы организации связей в массиве жидкого металла. Это позволяет применять данные излучения в качестве носителей управляющих воздействий на формирование заданной структуры слитка в его горячей зоне;
на основании выработанных моделей предложено применение трансформатора тока с вырожденной вторичной обмоткой - «массового излучателя» в качестве узла генерации данных излучений;
предложена схема автоматизации управления формированием заданной структуры металлического слитка при воздействии управляю-
щего излучения на жидкий металл, и рассмотрен алгоритм функционирования данной схемы.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
предложенная схема автоматизированного формирования заданной
структуры легкосплавного слитка при воздействии эталонных излучений во время литья может быть использована при разработках широкого класса литейных агрегатов;
механико-математические модели, разработанные для целей управления формированием заданной структуры металла, могут быть применены в разработках технологий получения принципиально новых сплавов, в том числе, обладающих структурами, которые невозможно получить в процессах естественной кристаллизации;
механико-математические модели, разработанные для целей управления формированием структуры металла, могут быть применены в разработках технологий получения информации о структурах различных веществ с целью их идентификации.
Реализация результатов работы
Предложенные в настоящей работе модели и алгоритмы автоматизированного управления формированием структуры слитка во время литья и технический узел генерации управляющих излучений включены, в соответствии с выработанными в настоящей работе рекомендациями, в
состав автоматизированной системы управления литьем на предприятии ОАО «Авиапромналадка» (г. Москва, ул. Молодогвардейская, 57).
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на общемосковском семинаре «Логическое моделирование» (Москва, 1999), на международной конференции по проблемам управления «60 лет ИЛУ» (Москва, 1999), на семинарах Института проблем управления РАН (Москва, 1998 - 1999, 2001), на X международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, 2002), на II международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (Москва, 2003), на Второй международной конференции по проблемам управления (Москва, 2003), на семинарах ПО «Авиапромналадка» (Москва, 2001 - 2004).
Публикации
По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ.
Личный вклад
Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем:
в работе [4] автором рассмотрены начальные предположения и ограничения исследования, начато построение модели иерархической системы физических полей, как идеальной сжимаемой жидкости;
в работах [5 - 7] автором рассмотрены вопросы возможности использования круговых частот вращения материи и вихревых векторов в качестве информации о состоянии сплошной среды;
в работе [8] автором с материалистической философской позиции проведено исследование вопроса о возможности построения единой иерархии физических полей.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 76 названий, и приложения. Работа содержит 110
страниц.
Общее описание и-анализ технологий получения удовлетворительной структуры заготовок из легких сплавов
В настоящем разделе рассматривается и анализируется проблема получения высококачественных заготовок из литейных металлических сплавов.
В основании данной проблемы лежит различная интенсивность роста кристаллитов [1-8] отдельных компонентов сплава при едином для всего массива расплава температурном режиме охлаждения. Дефекты поликристаллической структуры слитка во время отвердевания расплава проявляются в виде роста относительно крупных столбчатых, игольчатых, звездчатых и дендритных кристаллов отдельных компонентов сплава. Следствием этого является различие размеров кристаллитов, формирующихся в процессе охлаждения расплава, и их различная термическая усадка при охлаждении слитка [7,8]. Данные особенности получения слитков отражаются в возникновении больших внутренних напряжений в готовом слитке, и для многих, в частности легких сплавов, вызывают растрескивание слитка. Тщательным подбором температурного режима охлаждения расплава и слитка достигается удовлетворительное качество его физико-химической структуры (кристаллической), которая характеризуется: зернистостью (размерами кристаллитов), равномерностью распределения компонентов сплава, остаточными напряжениями.
В настоящее время для обеспечения требуемого качества слитка широко применяются два технологических приема. Первый [7,8] заключается в поддержании слоя расплава минимально возможной толщины на поверхности отливки добавлением жидкого металла по мере его твердения в кристаллизаторе в процессе охлаждения отливки. Этот способ формирования структуры слитка связан с трудностями измерения и поддержания толщины жидкого слоя. Так, например, для некоторых алюминиевых сплавов его оптимальная толщина составляет несколько миллиметров при габаритных размерах слитка порядка метров.
Второй технологический прием [9] получил распространение недавно и заключается в том, что во время литья на зону расплавленного металла действует слабое магнитное поле (литье в так называемый, «электромагнитный кристаллизатор»), в котором движение электронного газа имеет характер циклического, т.е. частично упорядочивается, и в расплаве организуется «псевдоструктура». Применение данного приема дает в целом удовлетворительные результаты, но управляемое таким способом формирование в расплавленном металле «псевдоструктуры», не аналогичной естественной структуре сплава, имеет следствием искажение структуры получаемого слитка. Наблюдается упоминавшееся растрескивание слитка и заметное снижение качества его структуры, относительно получаемой в лабораторных условиях.
В одной из модификаций технологии литья в электромагнитный кристаллизатор применяется облучение горячей зоны расплава в кристаллизаторе короткими (наносекундными) электромагнитными импульсами [10]. Действие данного облучения, предположительно, заключается в том, что в процессе образования зародышей кристаллов в толще остывающего расплава наводятся вихревые электротоки, локальные напряженности электростатических полей которых достигают 1000 -1500В. Данные электротоки, взаимодействуя между собой, имеют следствием дополнительное перемешивание кристаллизующегося расплава, что препятствует росту кристаллов и, таким образом, способствует измельчению зерна.
В настоящем разделе с точки зрения теории управления [11—14] и с применением положений математической теории поля рассматривается предложение принципа реализации формирования структуры слитка.
Анализ известных технологических приемов улучшения структуры легкосплавного слитка показывает, что управляющие воздействия на расплав непосредственного влияния на формирующуюся структуру сплава не оказывают и ограничены, исключительно, поддержанием (стабилизацией) таких физических условий в расплаве, при которых рост крупных кристаллов (зерна) затруднен. В соответствии с целью настоящей работы, состоящей в разработке управления формированием структуры металлического сплава, требуется получить заданное пространственное распределение ионов металла в его жидкой фазе и стабилизировать полученную структуру до твердения металла. Данный подход к достижению конечной цели - устранение растрескивания легкосплавной крупногабаритной заготовки с мелкозернистой структурой, в отличие от известных технологических приемов, требует применения управления и управляющих воздействий, влияющих на формирование непосредственно структуры металла в технологически обычном диапазоне физических условий.
Начальные предположения. Теорема вириала. Основные механические свойства полей
В настоящем разделе на основании принимаемых предположений и ограничений определяется нижний иерархический уровень физических полей, удовлетворяющих теореме Гельмгольца, доказывается теорема вириала для замкнутой системы в сплошной среде и определяются основные механические свойства данных полей, что полагается теоретической основой для построения модели структуры металлического тела.
2.1.1. Для построения специальной теоретической модели металла и полей, как управляющих воздействий на процесс формирования структуры металла, примем следующие предположения и ограничения.
Предположение 1. о физическом пространстве и его материальном теле: физическое пространство полагается неограниченным, однородным и изотропным, являющимся упорядоченными линейными расстояниями между точечными частицами тела сплошной материальной среды, обладающей механическими свойствами и формирующейся в фи зические тела, наблюдаемые свойства которых полностью определяются свойствами данной среды.
При этом полагается, что:
Материальное тело физического пространства является наблюдаемым физическим миром и, с механической и термодинамической точек зрения, замкнутой системой.
Идеальным наблюдателем X в физическом пространстве является пространственная система координат,
Линейное расстояние в пространстве полагается отображаемой в системе мер идеального наблюдателя истинным скаляром D = ВІХ) (метрикой данного пространства) величиной отрезка прямой.
Предположение 2, о времени: физическое время х есть однозначное и непрерывное поле общего вида - скалярного г\ и векторного
П потенциалов, определенное в каждой точке JC с X физического пространства.
Физический смысл скалярного потенциала г} поля, как жидкости -плотность жидкости, физический смысл векторного потенциала П -векторное поле касательных скоростей вращающейся жидкости. Но обоими потенциалами характеризуется состояние точечных частиц материального тела физического пространства, поэтому оба потенциала не могут быть выражены в виде каких-либо скалярных и векторных функций математической теории поля.
Из этого имеем, что:
Интервал времени t на пути L(x) определяется в виде: где вектор ей - дифференциал L(x). Данным определением интервала времени показывается, что в силу d\ 0 интервал ни при каких условиях не достигает нуля.
Заметим, что так как путь L(x)t вообще говоря, не прямолинейный и не замкнутый, он может быть представлен в виде суммы отрезка В(х) прямой, соединяющего концы пути и некоторой замкнутой линии F(x). В этой связи интервальный интеграл может быть представлен в виде суммы циркуляции векторного потенциала П на F и интеграла скалярного потенциала ] на В:
F{x) B(x)
где di и db, соответственно, дифференциалы F(x) и В(х). Легко видеть, что прямолинейное движение (точки) характеризуется нулевым интервалом вращения, а вращение - нулевым интервалом прямолинейного движения.
Скорость v движения материальной точки в физическом пространстве определяется в виде:
v = L(x) = dl/dt. Данным определением скорости показывается, что ее величина всегда конечна, следовательно, мгновенные взаимодействия невозможны ни при каких условиях.
Метрика физического пространства определяется в виде:
D2 = v2f2 или, в прямоугольной системе координат X = (х1,х2,х3): = vk2i+vkV k23.
где tx ,tx ,tx и \х ,vx ,\х, соответственно, компоненты по координатным осям X, 2, 3 интервала времени и скорости (проекции). Из данного определения метрики следует, что любые линейные размеры физических тел или расстояния в однородном и изотропном физическом пространстве определяются в каждой его точке только его материальным телом, как массивом физического времени.
Модель физического пространства, содержащего материальный вихрь, движущийся с низкой скоростью
В настоящем разделе кратко рассматривается модель состояния материального тела физического пространства при наличии в нем материального вихря, неподвижного или движущегося со скоростью ниже, чем определенная теоремой вириала.
Как следует из доказательства теоремы вириала, свободный вихрь, как физическое тело, полагаемое замкнутой системой, определенным образом движется в физическом пространстве. Если же параметры данного движения отличны от найденных в доказательстве теоремы, то последняя в приведенной формулировке не справедлива. В уравнении, подобном (13), меняется смысл производной первого порядка, т.е. скорости. Данная производная (а следовательно, и уравнение), в силу аддитивности дифференциалов, распадается на несколько составляющих, являющихся скоростями истечения излучений [64] из данной системы -источника этих излучений, и полями касательных скоростей — векторными потенциалами излучений. На этом основании, притом, что принцип сохранения энергии не нарушается, теорема вириала может иметь следующую формулировку:
энергия Еуединенного свободного вихря, как устойчивой системы складывается из энергии связей Ecgi внутренней энергии Евн, энергии Ел движения данной системы в физическом пространстве и энергии излучений Еизл Е = Есв+ Евн +Е +Е; притом, что выполняются соотношения если Еизл — 0, то данная система является псевдозамкнутой.
Строгое доказательство теоремы вириала в этой формулировке здесь опустим, так как оно не имеет в настоящей работе принципиального значения. Однако заметим, что доказательство теоремы вириала в скорректированной формулировке строится на основе рассмотрения уравнения вида (13), притом, что для вихря, неподвижного в физическом пространстве, рассматривается U{t)-0} а следовательно, данное уравнение распадается в совокупность уравнений, описывающих состояние тела U(t). В силу же того, что уравнения (входящие в данную совокупность), для которых полагается U(t)# 0, также составляют описание состояния тела /( )» то данными уравнениями описываются излучения, исходящие от U(t). Решения и интерпретации таких уравнений подробно рассмотрены в [65].
В настоящем разделе предлагается модель частицы - носителя элементарного электрического заряда как суперпозиция двух векторных полей.
В силу изотропии физического пространства имеем истинным (аксиальным) вектор G0, так как, составляющие правую часть (11) оба век тора rotll и grad истинные. Из этого следует, что в физическом пространстве с системой отсчета, связанной с полем G0, при выборе, например, положительного направления координатной оси в направлении готП, возможно определение множества {Gt} других полей, вообще говоря, аналогичных G0, со знаками их вихревых составляющих совпадающих и противоположных знаку rotll.
Если параметры полей {G]} таковы, что наличие каждого из этих
полей значимо только локально в окрестностях их центров, как точечных источников, то в силу аддитивности дифференциальных векторных функций возможно определение комбинационного поля G01, как одновременного наличия G0 и {Gt}.
Наложив здесь дополнительно условие постоянства знаков Gj относительно G0, и на основании теоремы вириала, прогнозирующей движение полей {G]} В физическом пространстве (в системе отсчета, связанной с G0), найдем, что источники полей {Gj} вращаются в поле G0 вокруг его центра и согласно с вихревым движением G0. Кроме этого, имея в виду рассмотренную ранее модель непрерывности движения физического тела, здесь - каждого поля G], обнаружим некоторое изменение G0 в связи с возмущением его множеством {Gn} «материальных траекторий» {G ,}.
Так как вращающаяся материя, обладающая свойством массы, обладает также моментом вращения (гироскопическим), найдем, что плоскости, в которых происходит вращение материи полей {Gj, вращающихся, одновременно, вокруг центра вращения G0, лежат в плоскости вращения G0. В зависимости от определяемого относительно G0 знака вихревой составляющей суммарного поля {G}}+ {G, (} получаем два варианта компоновки структуры поля G0 (рис. За и 36). Данные варианты соответствуют решениям L/] и U2 уравнения, аналогичного (13).
Проникающая способность излучений в металл
В настоящем разделе кратко анализируется проникновение излучения, отражающего структуру эталонного излучателя, в толщу металла.
Данный анализ выполнен на основании предложенной в настоящей работе иерархической модели физических полей и в связи с тем, что как известно, электромагнитное излучение с длинами волн, меньшими порядка 10 м, в толщу металла практически не проникает. Но толщина слоя жидкого металла может достигать 2-10" м, и в этих условиях агентами структуры являются индуцированные в жидком металле вихревые электротоки, соответствующие структуре излучений эталона, а также гравитационно-информационное поле (см. п. 2.1.2), транслированное этими излучениями, однозначно соответствующее структуре эталона и обладающее высокой проникающей способностью.
Полагается, что высокая проникающая способность гравитационно-информационного поля определяется его весьма сильным взаимодействием с веществом и электрическими зарядами (в соответствии с моделью «заряда»). В этом случае физико-химическая структура вещества и конфигурация локальных вихревых электротоков в нем организуются в соответствии с распределением потенциалов и напряженности воздействующего поля, т.е. приближаются к физико-химической организации генератора данного поля — эталонного излучателя.
В настоящей главе рассматривается предложение конструкции излучателя, отвечающей результатам анализа, выполненного в главе 1, и моделям, рассмотренным в главах 2 и 3.
Как было показано в предыдущих главах, вихревые электротоки, индуцированные в эталонном излучателе, должны лежать в плоскостях, нормальных к линиям излучения, проходящим через слой расплавленного металла. Кроме этого, с точки зрения повышения эффективности действия излучений желательно, чтобы энергия излучений со спектрами, отличными от характеризующих физико-химическую структуру эталонного излучателя, была минимально возможной. К таким излучениям относится, например, синхротронное излучение электронов, движущихся с центростремительными ускорениями, высоко коллимированное в плоскости поворотов траекторий электронов.
В соответствии с разработанными моделями и требованиями, приведенными выше, узел излучателя может быть построен в виде диска из эталонного материала, на который наложена плоская спиральная электрическая катушка-индуктор (рис. 5) [49,55].
Данный узел представляет собой вырожденный трансформатор тока. При подаче даже одного импульса тока в катушку-индуктор, в диске, являющемся вырожденной вторичной обмоткой этого трансформатора, будет возбужден вихревой электроток, затухание которого определяется практически только активным сопротивлением материала диска. Подача пульсирующего (однополярного) электротока в катушку вызовет не только индукцию вихревых электротоков в диске, но и будет их поддерживать, компенсируя затухание из-за потерь в виде излучений. Выводы индуктора
Узел излучателя, состоит из диска (возможно, сменного), вырезаемого из заготовки, обладающей хорошо сформированной структурой (определяется на основании микроскопического кристаллографического контроля), и плоской катушки-индуктора, являющейся однослойной плотной спиралью из медной проволоки 0 0,74мм в хлопчатобумажной изоляции, обладающей стабильными свойствами в диапазоне температур до 150 С.
С точки зрения технологии изготовления узла излучателя основную трудность представляет изготовление катушки большого диаметра. Поэтому допустимо покрыть площадь облучения (2x1,5м) синфазной решеткой идентичных излучателей. Так, например, при диаметре диска -300мм прямоугольная решетка, покрывающая рассматриваемую площадь, составляется 35-ю излучателями. В соответствии с моделями, выработанными в предыдущих главах, диаграмма направленности излучения является строго цилиндрической, если толщина диска-излучателя бесконечно мала, а его поверхность идеально гладкая и плоская. Технически такие параметры излучателя не достижимы, и при толщине диска порядка миллиметров, притом, что его поверхность шероховатая, диа грамма направленности излучения оказывается «размытой» в расширяющийся в сторону расплава конус. В соответствии с этим, вся поверхность (сечение) зоны формирования структуры металла будет покрыта излучением составного излучателя, даже, если между излучающими элементами имеются не излучающие области.
Применение для катушки-индуктора проволоки выбранного диаметра позволяет изготовить катушки с количеством витков до 200 при диаметре центрального витка 10мм. Положив силу вихревого электротока в диске (как вырожденной вторичной обмотке трансформатора) не превышающим 20 А, получаем величину тока возбуждения в индукторе не более 100 мА. С учетом теплового рассеяния мощности [66,67] на активном сопротивлении ( 2 Ом) проволоки катушки-индуктора величина тока, подводимого к каждой катушке, не превысит 150-5- 170 мА.
Приняв, с запасом, величину тока, подводимого к каждой катушке-индуктору 200 мА, получаем суммарный ток, подводимый к узлу излучателя, составленного 35-ю элементами, равный 7 А, что реализуемо с технической точки зрения. Функциональная схема формирования электротока возбуждения излучателя показана на рис. 6.
