Chování taveniny při tavení kovových a nekovových materiálů elektromagnetickou indukcí ve studeném kelímku

Ing. Jan HRBEK

Doctoral thesis

Abstract:

Předložená dizertační práce se věnuje návrhu a testování metod měření vlastností materiálů při teplotách vyšších něž 2000 °C. Jedná se o metody určování teploty likvidu a hustoty. Testování navržených metod spočívá v porovnání naměřených a referenčních dat uváděných v literatuře při použití různých směsí obsahujících Al2O3 a ZrO2. Dále je v práci stanoven tepelný tok z taveniny směsi ZrO2 a Fe2O3 do kalorimetru a studována závislost tloušťky skull vrstvy na teplotě při indukčním tavení oxidů ve studeném kelímku. Práce rovněž obsahuje návrh experimentů, který je nezbytný pro jejich následnou úspěšnou realizaci. Motivací k volbě této problematiky je nutnost znalosti vlastností a chování materiálů při vysokých teplotách pro zvyšování spolehlivosti zařízení a pokrok techniky. Konvenčně používané metody však vykazují nevýhody, proto je vhodné hledat postupy jiné, které budou mít nevýhody odlišné a budou se tak navzájem doplňovat. Disertační práce je rozdělena do deseti kapitol. První kapitola se zaměřuje na vysvětlení motivace ke zpracování tématu a na definování cílů práce. Druhá část stručně popisuje konvenčně používané metody pro určování hustoty a teploty likvidu materiálů. Následuje kapitola 3 zabývající se indukčním tavení ve studeném kelímku a jednotlivými fázemi celého procesu tavení. V této kapitole je proveden i přibližný výpočet množství startovacího materiálu potřebného pro úspěšnou startovací fázi plánovaných experimentů. Navrhované metody pro měření vlastností taveniny a použité přístroje jsou popsány ve 4. kapitole. Kapitoly 5 a 6 se věnují návrhu experimentů - první z nich se zabývá stanovením výkonu dodávaného do taveniny potřebného pro dosažení požadovaných parametrů, a druhá pak matematickým modelem respektujícím elektromagnetické pole. Výstupem z matematického modelu je geometrie indukčního systému zabezpečující dosažení výkonu stanoveného v předchozím kroku. Dále je proveden popis uskutečněných experimentů v kapitole 7. V kapitole 8 jsou uvedeny výsledky chemických analýz vzorků získaných během experimentů. Následuje kapitola 9 obsahující vyhodnocení určovaných veličin z experimentů. Na závěr jsou shrnuty výsledky práce, a naznačen směr budoucího výzkumu. Navržené metody se ukázaly být použitelné pro stanovování požadovaných parametrů s dostatečnou přesností. Rovněž byla identifikována možná vylepšení metody měření hustoty, která by vedla ke snížení nejistoty měření a zvýšila jeho přesnost.

Abstract:

The presented thesis is devoted to designing methods for measuring the properties of materials at temperatures higher than 2000 °C and their verification. These are methods for determining liquidus temperature and density. Confirmation of the proposed methods compares the measured and reference data reported in the literature using different mixtures containing Al2O3 and ZrO2. Furthermore, the heat flux from the melt of a mixture of ZrO2 and Fe2O3 to the calorimeter is determined. The dependence of the skull layer thickness on the temperature during induction melting of oxides in a cold crucible is studied. The thesis also contains a design of experiments necessary for their successful realization. The motivation for choosing this issue is the need to know the properties and behavior of materials at high temperatures to increase the reliability of the equipment and the progress of technology. However, the conventionally used methods have disadvantages, so it is advisable to look for other ways that will have different weaknesses and will thus complement each other. The thesis is divided into ten chapters. The first chapter focuses on explaining the motivation to work on the topic and defining the objectives of the work. The second part briefly describes the conventionally used methods for determining the density and liquidus temperature of materials. Chapter 3 deals with induction melting in the cold crucible and individual phases of the whole melting process. This chapter shows an approximate calculation of the amount of starting material needed for the successful starting phase of the planned experiments. The description of the proposed methods for measuring the melt properties and the characterization of the used equipment are mentioned in chapter 4. Chapters 5 and 6 are devoted to the design of experiments - the first of them deals with determining the power supplied to the melt needed to achieve the required parameters and the second one with a mathematical model respecting the electromagnetic field. The result of the mathematical model is the geometry of the induction system, ensuring the achievement of the power obtained from the calculation in the previous step. Chapter 7 gives a description of the experiments. Chapter 8 presents the results of chemical analyzes of samples obtained during experiments. The ninth part contains an evaluation of the determined quantities from the experiments. Finally, the results of the work are summarized, and the direction of future research is indicated. The proposed methods have proven to be applicable for determining the required parameters with sufficient accuracy. Possible improvements to the density measurement method were also identified, which would reduce the measurement uncertainty and increase its accuracy.

Keywords

Indukční tavení, studený kelímek, matematické modelování, hustota, teplota likvidu, tepelný tok, skull vrstva, Al2O3, ZrO2, Fe2O3.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 8. 2021

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Prof. Ing. Jiří Kožený, CSc.

University of West Bohemia

Faculty of Electrical Engineering

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Electrical Power Engineering