1

1 Εισαγωγή

Στο παρόν κεφάλαιο θα γίνει περιγραφή της διάταξης ισχύος για την κατασκευή, της

συσκευής παραγωγής άμορφων ταχέως ψυχομένων μαγνητικών ταινιών (συσκευή ribbons

χάρη συντομίας) με την τεχνική του chill block melt spinning, που αποτελεί το πρώτο

κομμάτι της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Ο σχεδιασμός της συσκευής έγινε με βάση

τις συσκευές που ήδη χρησιμοποιούνται για την παραγωγή άμορφων μεταλλικών

κραμάτων, όπως αυτές αναφέρονται στη βιβλιογραφία.

Η συσκευή που κατασκευάστηκε αποτελείται από τρία βασικά υποσυστήματα. Από αυτά

κατασκευάστηκαν τα δυο: το σύστημα του τυμπάνου και σύστημα συγκράτησης του

χωνευτηρίου με το σύστημα παροχής αδρανούς αερίου. Το τρίτο υποσύστημα είναι η

επαγωγική κάμινος του Εργαστηρίου Μεταλλογνωσίας, με τη χρήση της οποίας γίνεται η

τήξη του κράματος. Βασικό μέλημα ήταν η κατασκευή στιβαρής, ανθεκτικής διάταξης, με

σχετικά απλή λειτουργία και ευέλικτο έλεγχο των παραμέτρων των πειραμάτων και την

τήρηση των αβεβαιοτήτων τους εντός των επιθυμητών ορίων, πάντα όμως στην κατεύθυνση

της ασφάλειας των ατόμων που θα χειριστούν τη συσκευή αυτή.

Σημαντικό ρόλο στο σχεδιασμό της συσκευής ήταν και πιθανή μελλοντική εξέλιξη της για

τη μελέτη της συνεχούς παραγωγής άμορφων μεταλλικών κραμάτων, που όπως

προαναφέρθηκε αποτελεί ένα από σημαντικά προβλήματα της βιομηχανίας. Η συσκευή

αυτή είναι εξελίξιμη και για άλλες εφαρμογές, όπως παραγωγή άμορφων μεταλλικών

συρμάτων, παραγωγή άμορφων μεταλλικών κραμάτων υπό κενό ή αδρανές αέριο κ.α.

Τέλος πρέπει να αναφερθεί, ότι η κατασκευή της συσκευής πραγματοποιήθηκε με το

μικρότερο δυνατό κόστος. Έγινε χρήση διατάξεων χαμηλού κόστους που κυκλοφορούν στο

εμπόριο και δόθηκε ιδιαίτερη σημασία στις απλές ίδιο-κατασκευές, που σε καμία

περίπτωση όμως δε μειώνουν την αξιοπιστία της λειτουργίας της.

Στην Εικόνα 1 φαίνεται γενική άποψη της συσκευής παραγωγής ribbons που

κατασκευάστηκε.

2

Εικόνα 1: Άποψη της συσκευής παραγωγής άμορφων μεταλλικών ταινιών. Διακρίνονται: (1) σύστημα τυμπάνου, (2α) Σύστημα στήριξης χωνευτηρίου, (2β) σύστημα αδρανούς αερίου, (3) γεννήτρια επαγωγικής θέρμανσης

1

2α

2β

3

3

2 Γεννήτρια Επαγωγικής Θέρμανσης

Η επαγωγική κάμινος χρησιμοποιείται σε δυο φάσεις της διαδικασίας παραγωγής

άμορφων μεταλλικών υλικών: τη φάση παραγωγής του μητρικού κράματος και τη φάση

τήξης του μητρικού κράματος για τη χύτευση του για παραγωγή άμορφων μεταλλικών

ταινιών. Κατά την πρώτη φάση αναμιγνύονται τα συστατικά του προεπιλεγμένου μητρικού

κράματος σε κατάλληλο χωνευτήριο από χαλαζία και τήκονται σε αδρανή ατμόσφαιρα,

μέχρι πλήρους ανάμιξης τους και το κράμα αφήνεται να στερεοποιηθεί. Κατά το δεύτερο

στάδιο το έτοιμο μητρικό κράμα επανατήκεται σε ειδικό χωνευτήριο, επίσης από χαλαζία,

υπό αδρανή ατμόσφαιρα και χυτεύεται προς ribbon.

Η χρήση της επαγωγικής καμίνου στην παραγωγή άμορφων μεταλλικών κραμάτων δεν

αποτελεί κανόνα. Κάμινοι ηλεκτρικής αντίστασης και ηλεκτρικού τόξου έχουν

χρησιμοποιηθεί τόσο για την παραγωγή του μητρικού κράματος, όσο και για την τήξη του

πριν την χύτευση. Η επιλογή για τη χρήση της επαγωγικής καμίνου του Εργαστηρίου

Μεταλλογνωσίας βασίστηκε και στα πλεονεκτήματα που εμφανίζει σε σχέση με την

πειραματική διαδικασία:

Υψηλή ταχύτητα θέρμανσης: η μεταφορά ισχύος στο υλικό μπορεί να φτάσει υπό

συνθήκες τα 10 kW/cm2. Στον Πίνακα 1 δίνονται ενδεικτικές τιμές μέγιστης ροής

θερμότητας από επιφάνεια. Με κατάλληλη προσαρμογή του πηνίου εξόδου (βλ.

επόμενη παράγραφο), το υλικό φτάνει στην τήξη σε ελάχιστο χρόνο (της τάξεως του

λεπτού), γεγονός που διευκολύνει τόσο την αποφυγή δευτερογενών προβλημάτων

κατά τη διαδικασία παραγωγής, όπως εξάχνωση ελαφρών στοιχείων. Συγχρόνως

επιτρέπει την παραγωγή κραμάτων πολύπλοκων συνθέσεων καθώς και χρήση

δύστηκτων κραματικών στοιχείων.

Πίνακας 1: Ενδεικτικές τιμές μέγιστης ροής θερμότητας από

επιφάνεια

Με μεταφορά 0,5 W/cm2

Με ακτινοβολία 8 W/cm2

Με αγωγή 20 W/cm2

Με φλόγα 1.000 W/cm2

Με επαγωγική θέρμανση 10.000 W/cm2

4

Ομοιογένεια κράματος: λόγω της ανάπτυξης δινορευμάτων, πραγματοποιείται

ταυτόχρονη ανάδευση του κράματος, με αποτέλεσμα την ομογενοποίηση του.

Εφόσον κατά την πειραματική διαδικασία ακολουθούνται δύο στάδια, γίνεται

αντιληπτό ότι το μητρικό κράμα υφίσταται επιπλέον ανάδευση κατά τη δεύτερη τήξη

του.

Καθαρότητα του κράματος: μειώνεται η πιθανότητα μόλυνσης του κράματος, π.χ.

από τη χρήση ηλεκτροδίων.

Οξείδωση: η ταχύτατη θέρμανση του υλικού, δεν επιτρέπει την ανάπτυξη οξειδίων

μεγάλου πάχους. Συγχρόνως η μορφολογία της καμίνου, επιτρέπει με σχετικά απλές

κατασκευές την ανάπτυξη αδρανούς ατμόσφαιρας ή και κενού, για την μεγαλύτερη

δυνατή απαλλαγή από την οξείδωση.

2.1 Γεννήτρια Επαγωγικής θέρμανσης Εργαστηρίου Μεταλλογνωσίας

Στην συσκευή παραγωγής άμορφων μεταλλικών κραμάτων χρησιμοποιήθηκε η επαγωγική

κάμινος που υπήρχε στο Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας από το 1976. Η κάμινος είναι

ελληνικής κατασκευής, της εταιρίας ΕΒΕΗ Κυπριώτης Α.Ε.. Πρόκειται για το μοντέλο

10.000 της εταιρίας, ισχύος 10 kW, 450 kHz. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά της γεννήτριας

(Εικόνα 2), όπως αυτά δίνονται από τον κατασκευαστή, φαίνονται στον Πίνακα 2 που

ακολουθεί.

Εικόνα 2: Πίνακας τεχνικών χαρακτηριστικών της «Γεννήτριας επαγωγικής Θερμάνσεως» του Εργαστηρίου Μεταλλογνωσίας

5

Πίνακας 2: Τεχνικά χαρακτηριστικά επαγωγικής καμίνου

Τάση 380 V Φάσεις 3

Ένταση 23 A Συντ. ισχύος 0,9

Είσοδος

Ισχύς 15 kVA Συχνότητα 50 Ηz

Ισχύς 10 kW max

Συχνότητα 450 kHz

Έξοδος

Αντίσταση 2 Ohm

Παροχή ύδατος 4 lt./min Ψύξη

Πίεση ύδατος 3 at

2.2 Συντήρηση

Η προσπάθεια συντήρησης της επαγωγικής γεννήτριας ξεκίνησε ύστερα από τις πρώτες

αποτυχημένες απόπειρες να τεθεί σε λειτουργία. Η χρήση επαγωγικής καμίνου είναι

καθοριστική για την πειραματική διαδικασία, ενώ το κόστος αγοράς μιας νέας γεννήτριας ή

ακόμα και συντήρησης από την εταιρία παραγωγής ξεπερνούν τον προϋπολογισμό της

παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στο σημείο αυτό αναφέρουμε ότι λόγω παλαιάς

τεχνολογίας κατασκευής η γεννήτρια λειτουργεί με λυχνία (οι σύγχρονες επαγωγικές

γεννήτριες στηρίζονται σε ημιαγώγιμα υλικά π.χ. τρανζίστορ ισχύος). Η συντήρηση της

γεννήτριας ξεκίνησε χωρίς να είναι γνωστό εάν η λυχνία λειτουργεί, διότι ο έλεγχος της

κατάστασης της θα μπορούσε να γίνει γνωστός μόνο ύστερα από την ολοκλήρωση της

διαδικασίας συντήρησης.

Η πρώτη επέμβαση στη γεννήτρια ήταν ο καθαρισμός των ηλεκτρικών μερών της, πριν

επιχειρηθεί οποιαδήποτε άλλη επέμβαση. Αφαιρέθηκαν τα επιμέρους εξαρτήματα και

καθαρίστηκαν σχολαστικά με πεπιεσμένο αέρα και απεσταγμένο νερό πριν την

επανατοποθέτηση τους. Το κύκλωμα ψύξης αντικαταστάθηκε με σωλήνες υψηλής πίεσης

και συνδέθηκε με την κεντρική παροχή νερού και την αποχέτευση. Το σύστημα νερού

αφέθηκε σε λειτουργία με προσθήκη διαλυτικών, για την απομάκρυνση συσσωρευμένων

αλάτων. Επισκευάστηκε το σύστημα αερισμού και αντικαταστάθηκαν τα φίλτρα αέρα.

Το παλιό πηνίο θέρμανσης αντικαταστάθηκε από πηνίο όμοιας γεωμετρίας,

κατασκευασμένο από σωλήνα χαλκού διαμέτρου 5mm, με 5 σπείρες, μήκος 45mm και

διάμετρο 35mm.

Κατά τη μελέτη των κυκλωμάτων της γεννήτριας διαπιστώθηκε ότι αυτή ήταν

συνδεδεμένη με εξωτερικό τροφοδοτικό ισχύος και μάλιστα, οι φάσεις ήταν συνδεδεμένες

6

1. Γεννήτρια

2. Πηνίο επαγωγής

3. Αντικείμενο προς θέρμανση

4. Θερμαινόμενη περιοχή

αντίστροφα, βραχυκυκλώνοντας τη γεννήτρια. Η γεννήτρια αποσυνδέθηκε από το

τροφοδοτικό, ώστε να λειτουργεί αυτόνομα. Προστέθηκε το σύστημα τροφοδοσίας τάσης

της γεννήτριας και αντικαταστάθηκαν τμήματα, όπως ασφάλειες, πυκνωτές και διακόπτες

που είχαν καταστραφεί με την πάροδο του χρόνου. Μετά την προσεκτική συντήρηση η

γεννήτρια τέθηκε επιτυχώς σε λειτουργία. Η λυχνία αφέθηκε σε λειτουργία εν κενώ για

χρονικό διάστημα 20 λεπτών στη μέγιστη δυνατή τάση του πλέγματός της.

Μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας συντήρησης πραγματοποιήθηκαν οι πρώτες

δοκιμές τήξης μετάλλου. Παρ’ ότι η γεννήτρια λειτούργησε κανονικά οι απόπειρες τήξης

χάλυβα ήταν μερικώς επιτυχείς, αφού τα μέταλλα έφτασαν γρήγορα σε ερυθροπύρωση

αλλά ετήκοντο τελικά με δυσκολία, γεγονός που υποδεικνύει ότι η γεννήτρια δε

λειτουργούσε στην πλήρη ισχύ που θα μπορούσε να αποδώσει.

2.3 Αρχή λειτουργίας

Όταν μέσα σε πηνίο που διαρρέεται από εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής τάσης τοποθετηθεί

μεταλλικό αντικείμενο, παρατηρείται ταχεία θέρμανση του. Αυτό συμβαίνει, γιατί μέσα στο

μέταλλο αναπτύσσονται λόγω επαγωγής ισχυρά ηλεκτρικά ρεύματα, γνωστά σαν ρεύματα

Foucault ή δινορρεύματα. Η θέρμανση και ο ρυθμός θέρμανσης του αντικειμένου εξαρτάται

από την ένταση και τη συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος που διαρρέει το πηνίο

θέρμανσης.

Σχήμα 1: Σχηματική απεικόνιση της αρχής λειτουργίας γεννήτριας επαγωγικών ρευμάτων

4

7

Τα ρεύματα αυτά αναπτύσσονται μέσα στο υλικό σε παράλληλα επίπεδα σε τρόπο ώστε να

δημιουργείται μαγνητικό πεδίο που τείνει να αναιρέσει το αρχικά εφαρμοζόμενο πεδίο, σε

ένα όγκο που ορίζεται προσεγγιστικά από το ύψος του πηνίου και ένα βάθος που αρχίζει

από την εξωτερική επιφάνεια του αντικειμένου προς τήξη. Το βάθος στο οποίο

αναπτύσσονται τα ρεύματα αυτά (γνωστό και σαν skin depth) εξαρτάται από τη συχνότητα

του ρεύματος, το οποίο διαρρέει το πηνίο καθώς και το είδος του υλικού (ειδική αντίσταση

ρ και μαγνητική διαπερατότητα μ) και δίνεται από τη σχέση:

fμρ

α=δ (1)

όπου α σταθερά, ρ η ειδική αντίσταση του υλικού, μ η μαγνητική διαπερατότητα και f η

συχνότητα διέγερσης. Στο Σχήμα 2 που παρουσιάζεται η μεταβολή του βάθους συναρτήσει

της συχνότητας και του είδους του υλικού.

Το σύστημα λειτουργεί σαν μετασχηματιστής με πρωτεύον το πηνίο επαγωγής και

δευτερεύον το αντικείμενο, το οποίο θεωρείται μοναδική βραχυκυκλωμένη σπείρα. Η

σχέση μετασχηματιστή είναι:

Σχήμα 2: Διάγραμμα του βάθους διείσδυσης των δεινορευμάτων συναρτήσει της συχνότητας για διάφορα υλικά.

8

12

12 I

NN

I ⋅= (2)

όπου Ι1,2 η ένταση του ρεύματος που διαρρέει πρωτεύον και δευτερεύον αντίστοιχα και Ν1,2

οι σπείρες του πρωτεύοντος και δευτερεύοντος αντίστοιχα. Επομένως για το σύστημα πηνίο

θέρμανσης-αντικείμενο η ένταση των δινορρευμάτων θα είναι:

ππδ = INI (3)

όπου Ιδ η ένταση των δινορρευμάτων που αναπτύσσονται στο υλικό, Ιπ η ένταση του

ρεύματος που διαρρέει το πηνίο (ενεργές τιμές) και Νπ οι σπείρες του πηνίου θέρμανσης

(το σώμα θεωρείται βραχυκυκλωμένη σπείρα).

Η ισχύς που θα καταναλωθεί, θεωρώντας κατά προσέγγιση ομοιόμορφη πυκνότητα

έντασης δινορευμάτων, θα είναι:

skin2 RIW ⋅= δ (4)

όπου Rskin η αντίσταση του τμήματος του αντικειμένου στο βάθος διείσδυσης. Η ισχύς αυτή

μετατρέπεται εξολοκλήρου σε θερμότητα. Εάν η θερμότητα προσφέρεται στο αντικείμενο

για χρονικό διάστημα t, τότε η συνολική ενέργεια η οποία θα μεταφερθεί σε αυτό θα είναι:

tW240Q ⋅⋅= . (5)

και επομένως η θερμοκρασία του αντικειμένου θα φτάσει στους

mc

QT⋅

= (6)

όπου m η μάζα του τμήματος του υλικού μέχρι βάθος διείσδυσης και c η ειδική θερμότητα

αυτού.

9

2.4 Κύκλωμα παραγωγής ρεύματος υψηλής έντασης

Τη λειτουργία της γεννήτριας καθορίζουν τρία αλληλοεξαρτώμενα κυκλώματα: το βασικό

κύκλωμα λειτουργίας το κύκλωμα πόλωσης της λυχνίας (κύκλωμα ανόδου) και το κύκλωμα

εξόδου. Τα τρία κυκλώματα με τα επιμέρους στοιχεία τους φαίνονται στο Σχήμα 3. Tο

κύκλωμα εξόδου εκτός από το πηνίο L2, συμπληρώνεται από το εξωτερικό πηνίο

θέρμανσης της συσκευής το οποίο στηρίζεται σε αγώγιμες χάλκινες πλάκες σχήματος

τραπεζίου και αποτελούν πυκνωτή. Στην Εικόνα 3 φαίνεται το εξωτερικό πηνίο θέρμανσης.

Μέσω των κυκλωμάτων αυτών δημιουργείται παλμικό ρεύμα υψηλής έντασης, το οποίο

διαρρέει το πηνίο θέρμανσης της γεννήτριας. Η μελέτη των κυκλωμάτων λειτουργίας

ενδιαφέρει ιδιαίτερα ώστε να επιτευχθεί η μεγαλύτερη δυνατή απόδοση της γεννήτριας.

Εικόνα 3: Άποψη του πηνίου θέρμανσης της γεννήτριας επαγωγικών ρευμάτων. Διακρίνεται επίσης το χάλκινο τύμπανο και το σύστημα στήριξης του χωνευτηρίου

10

Βασικό κύκλωμα λειτουργίας

Στα άκρα του κυκλώματος του Σχήματος 3 εφαρμόζεται συνεχής υψηλή τάση πλάτους έως

6000Volt. Εφαρμόζοντας το δεύτερο νόμο του Kirchoff στο βασικό κύκλωμα λειτουργίας

λαμβάνουμε το σύστημα διαφορικών εξισώσεων:

( ) ( ) ( )∫∫ ++= dttIC1dttI

C1

dttdILV 1

1081RFC0 (7)

( ) ( ) ( )dt

tdILLdttI

C1 2

21110

+=∫ (8)

( ) ( ) ( )tItItI 21 =+ (9)

όπου V0=6kV η τάση που εφαρμόζεται στο κύκλωμα, LRFC1,L1,L3 οι συντελεστές

αυτεπαγωγής των πηνίων RFC1, L1 και L3 αντίστοιχα, Ι(t) τo ρεύμα που διαρρέει τον κλάδο

RFC1, I1(t) τo ρεύμα που διαρρέει τον κλάδο C8, I2(t) τo ρεύμα που διαρρέει τον κλάδο

L1,L3.

Η λύση του συστήματος των διαφορικών εξισώσεων (7)-(9) είναι ένα νέο σύστημα

εξισώσεων το οποίο περιγράφει τις τάσεις στα άκρα των στοιχείων του βασικού

κυκλώματος:

( ) 0ae1VV at08C >−= − (10)

( ) 0aeVtV at1L1

>−= − (11)

( ) 0aeVtV at2L2

>−= − (12)

021 VVV =+ (13)

11

ΒΑΣΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ

+6000 V

R1

RFC1

V1

L1

ΚΥΚΛΩΜΑ ΑΝΟΔΟΥ

C8

C9

C10

L2

R2

C1

C2

AB

C7

R3

RFC2

C3

AM2

C4

3a1

L3

L4

2d3

C6

ΚΥΚΛΩΜΑ

ΕΞΟΔΟΥ

Σχήμα 3: Ηλεκτρολογικό σχέδιο, κυκλωμάτων λειτουργίας της γεννήτριας. Διακρίνονται τα κυκλώματα: Βασικό Κύκλωμα, Κύκλωμα Ανόδου και Κύκλωμα Εξόδου.

Υπόμνημα συμβόλων:

Ci: πυκνωτής 3α1: διακόπτης

Li: πηνίο RFCi: πηνίο

Ri: αντίσταση ΑΜ2: αμπερομετρο

V1: λυχνία 2d3: ασφάλεια

12

όπου Vc8, VL1, VL3 οι τάσεις στα άκρα του πυκνωτή C8 και των πηνίων L1 και L3 αντίστοιχα

και V1, V2 οι στιγμιαίες τάσεις στα άκρα των πηνίων L1 και L3 τη στιγμή που εφαρμόζεται η

V0 στο κύκλωμα. Η λειτουργία του κυκλώματος αποτυπώνεται στο Σχήμα 4.

Όπως φαίνεται και από τις εξισώσεις (10)-(12), όταν στο κύκλωμα εφαρμοστεί η τάση V0,

αρχίζει η φόρτιση του πυκνωτή C8, εκθετικά με το χρόνο, όπως δείχνεται στο Σχήμα 4α.

Την ίδια χρονική στιγμή στα άκρα των πηνίων L1 και L3 αναπτύσσεται στιγμιαία τάση η

οποία φθίνει εκθετικά με το χρόνο, με τον ίδιο ρυθμό που αυξάνεται η τάση στα άκρα του

πυκνωτή C8 όπως δείχνεται στο Σχήμα 4(β,γ). Η φόρτιση του πυκνωτή C8 τείνει να

συνεχιστεί μέχρι η τάση στα άκρα του να φτάσει την τιμή V0 και μηδενιστεί η τάση στα

άκρα των πηνίων.

Όμως όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 τα πηνία L1 και L3 είναι συζευγμένα με τα πηνία L4 και

L2 αντίστοιχα των κυκλωμάτων ανόδου και εξόδου αντίστοιχα. Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα

που διαρρέει τα πηνία αυτά, επάγει τάση στα πηνία L4 και L2. Η τάση αύτη θα φθίνει

εκθετικά με το χρόνο με τον ίδιο ρυθμό όπως δείχνεται στο Σχήμα 4(δ,ε), γεγονός που

προκαλεί ενεργοποίηση του κυκλώματος ανόδου όπως θα δούμε στη συνέχεια.

13

VC8

VL1

VL3

VL4

Iα

VL2

Vload

tυστέρησης λυχνίας

(α)

(β)

(γ)

(δ)

(ε)

(στ)

Σχήμα 4: Τάση συναρτήσει του χρόνου στα επιμέρους κυκλώματα της γεννήτριας επαγωγικής θέρμανσης: (α) Πυκνωτής C8, (β) Πηνίο L1 βασικού κυκλώματος , (γ)Πηνίο L3 βασικού κυκλώματος, (δ) Πηνίο L4κυκλώματος ανόδου, (ε) Ρεύμα ανόδου Ια, (στ) Πηνίο L2 κυκλώματος ανόδου, (ζ) Πηνίο θέρμανσης Lload

(ζ)

14

Λειτουργία κυκλώματος ανόδου

Η λειτουργία του κυκλώματος ανόδου χαρακτηρίζεται από τη λυχνία V1 που φαίνεται

στην Εικόνα 4, η οποία λειτουργεί σαν δίοδος ρεύματος. Η λυχνία λειτουργεί ως εξής: με

την εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης στο νήμα της, πραγματοποιείται θερμιονική εκπομπή

ηλεκτρονίων, τα οποία κινούνται άτακτα στο χώρο της λυχνίας. Όταν στο πλέγμα της

λυχνίας εφαρμοστεί ηλεκτρική τάση, τα ηλεκτρόνια αυτά επιταχύνονται προς το πλέγμα,

δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα όταν η πόλωση είναι ορθή και επιβραδύνονται προς το

πλέγμα όταν η πόλωση είναι ανάστροφη. Λόγω της κατασκευής της λυχνίας η κίνηση των

ηλεκτρονίων (δηλαδή ηλ. ρεύμα), μπορεί να γίνει μόνο προς μία κατεύθυνση, επομένως η

λυχνία λειτουργεί σαν δίοδος.

Το επαγωγικό ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα ανόδου, δημιουργεί τάση στο πλέγμα της

λυχνίας V1, επιτρέποντας ηλεκτρόνια να περάσουν, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα

έντασης Ια (το ρεύμα ακολουθεί τη συμβατική φορά, δηλ. την αντίθετη της κίνησης των

ηλεκτρονίων), το οποίο τείνει να αποφορτίσει τον πυκνωτή C8, με χρονική υστέρηση tλ,

λόγω του χρόνου απόκρισης της λυχνίας στην τάση, όπως δείχνεται στο Σχήμα 4 (α,στ). Το

ρεύμα Ια θα φθίνει επίσης εκθετικά με το χρόνο.

Όταν η τάση στα άκρα του C8 μειωθεί αρκετά, μέχρι να υπερισχύσει η εξωτερικά

επιβαλλόμενη τάση V0, ο πυκνωτής αρχίζει να φορτίζεται ξανά. Τη φόρτιση του C8

Εικόνα 4 Άποψη της λυχνίας της γεννήτριας επαγωγικής θέρμανσης

15

ακολουθούν τα πηνία L1 και L3 στα άκρα των οποίων εμφανίζεται ξανά στιγμιαία τάση η

οποία φθίνει εκθετικά με το χρόνο και επάγει ρεύμα μέσω του πηνίου L4 στο κύκλωμα

ανόδου κ.ο.κ.

Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η μετατροπή του συνεχούς ρεύματος λόγω υψηλής

τάσης σε παλμικό υψηλής έντασης που επάγεται από το L1 στο κύκλωμα εξόδου μέσω του

πηνίου L2 το οποίο έχει μοναδική σπείρα, όπως δείχνεται στις Εικόνες 5 και 6. Έτσι

σύμφωνα με τον τύπο που περιγράφει τη σχέση ρεύματος μεταξύ πρωτεύοντος και

δευτερεύοντος κυκλώματος μετασχηματιστή:

2ό21ό INI Ι>>Ι⇒= δουεξδουεξ (14)

Βελτιστοποίηση κυκλώματος εξόδου

Το προς θέρμανση υλικό που τοποθετείται στο εξωτερικό πηνίο, παίζει το ρόλο του

πυρήνα, επηρεάζοντας τη λειτουργία του κυκλώματος σε σχέση με το συντονισμό. Τα

υλικά που χρησιμοποιούμε για την παραγωγή άμορφων μαγνητικών ταινιών έχουν

μαγνητική διαπερατότητα κοντά στην τιμή μ=10000, η οποία φθίνει με την αύξηση της

θερμοκρασίας, που σημαίνει ότι η συμπεριφορά του κυκλώματος εξόδου μεταβάλλεται

καθώς το υλικό θερμαίνεται. Η μεταβολή στη συμπεριφορά του κυκλώματος εξόδου

αντανακλάται στο βασικό κύκλωμα και στο κύκλωμα ανόδου. Οποιαδήποτε μεταβολή στην

τιμή του ρεύματος του κυκλώματος εξόδου επάγεται στο βασικό κύκλωμα μέσω του L1 και

κατά συνέπεια στο κύκλωμα ανόδου μέσω των L3 και L4.

Εικόνα 5: Άποψη του μετασχηματιστήεξόδου ρεύματος (L1 L2). Εξωτερικά διακρίνεται το σύστημα ψύξης με νερό.

Εικόνα 6: Λεπτομέρεια του πρωτεύοντοςτου τελικού μετασχηματιστή. Οι εξωτερικές σπείρες είναι το πηνίο L1 και ο εξωτερικός σωλήνας μιας σπείρας το πηνίο L2.

16

Για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας της γεννήτριας, δηλαδή τη μέγιστη δυνατή ισχύ

στην έξοδο, θα πρέπει το ρεύμα στο κύκλωμα εξόδου να είναι μέγιστο, δηλαδή να

λειτουργεί κοντά στο συντονισμό.

Ο συντονισμός μπορεί να επιτευχθεί με δυο τρόπους: αλλαγή του βασικού κυκλώματος

ώστε η συχνότητα λειτουργίας της γεννήτριας να συμπίπτει με τη συχνότητα συντονισμού

του κυκλώματος εξόδου, ή αντίστροφα την προσαρμογή των χαρακτηριστικών του πηνίου

θέρμανσης ώστε να συντονίζεται στη συχνότητα λειτουργίας της γεννήτριας.

H ένταση του ρεύματος στο κύκλωμα εξόδου θα είναι:

( )2

2

0ε

ωLωC1R

tsinVtI

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+

ω= (15)

όπου C η χωρητικότητα του πυκνωτή του κυκλώματος εξόδου και L του πηνίου θέρμανσης.

Για να λειτουργεί το κύκλωμα εξόδου στο συντονισμό θα πρέπει να ισχύει η συνθήκη

συντονισμού:

Cf4

1C

1LLC

1222ύ π

=ω

=⇔ω=ω συντονισμο (16)

Εικόνα 7: Άποψη του κυκλώματος εξόδου. Διακρίνονται οι παράλληλες πλάκες σχήματος τραπεζίου, και το πηνίο θέρμανσης

17

Ο πυκνωτής του κυκλώματος εξόδου είναι το ζεύγος παράλληλων αγώγιμων πλακών

τροφοδοσίας του πηνίου θέρμανσης, που δείχνεται στο Σχήμα 5.

Η χωρητικότητα πυκνωτή δίνεται από τη σχέση:

l

SC 0ε= (17)

όπου εο η διηλεκτρική σταθερά του κενού, S το εμβαδόν των πλακών του πυκνωτή, και l η

απόσταση μεταξύ των παράλληλων πλακών. Για τον πυκνωτή του κυκλώματος εξόδου, του

οποίου το σχήμα φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί ισχύει:

(16) pF82522SC21

00 ,=υ⋅

β+β

ε=ε=ll

Επομένως, σύμφωνα με τη σχέση (15), για να υπάρχει συντονισμός θα πρέπει το πηνίο

εξόδου να έχει συντελεστή αυτεπαγωγής:

=π

=ω

=υσυντονισμο Cf41

C1L 222

2,33mH

Το μητρικό κράμα παίζει το ρόλο του πυρήνα στο πηνίο θέρμανσης της γεννήτριας,

μεταβάλλοντας το συντελεστή αυτεπαγωγής του πηνίου:

0LL ⋅μ= (18)

β1=180mm

β2=52,8mm

υ=205mm

l=40mm

Σχήμα 5: Σχηματική απεικονίσει του πυκνωτή του κυκλώματος εξόδου

18

όπου L, Lo οι συντελεστές αυτεπαγωγής πηνίου με πυρήνα και στο κενό αντίστοιχα και μ η

μαγνητική διαπερατότητα του υλικού του πυρήνα. Επομένως για να έχουμε συντονισμό, το

κενό πηνίο εξόδου θα πρέπει να έχει συντελεστή αυτεπαγωγής:

≈μ

=LL0 233nH

Από το συντελεστή αυτεπαγωγής είναι δυνατόν να καθοριστεί η βέλτιστη γεωμετρία του

πηνίου θέρμανσης.

Στο σημείο αυτό σημειώνουμε ότι επιλέγουμε το πηνίο να έχει διάμετρο 25mm και ύψος

30mm, που αντιστοιχεί στον όγκο μητρικού κράματος που χρησιμοποιείται κάθε φορά, έτσι

ώστε το υλικό που χρησιμοποιούμε να καλύπτει όσο γίνεται μεγαλύτερο χώρο στο

εσωτερικό του πηνίου.

Ο συντελεστής αυτεπαγωγής πηνίου δίνεται από τη σχέση:

l

SNL 20μ=ο (19)

κενού, όπου Ν ο αριθμός των σπειρών του πηνίου, S το εμβαδόν της όπου

mH101,257 -60 ⋅=μ η μαγνητική διαπερατότητα του σπείρας, και l το μήκος του

πηνίου. Έτσι το πηνίο με τα προαπαιτούμενα γεωμετρικά χαρακτηριστικά θα πρέπει να έχει

3,3 σπείρες.

Ακολουθώντας τα βέλτιστα αυτά γεωμετρικά χαρακτηριστικά, κατασκευάστηκε πηνίο με

d=28mm, l=25mm και N=2,5, το οποίο έχει συντελεστή αυτεπαγωγής:

L’=193,4nH

τιμή πολύ κοντά σε αυτή του συντονισμού. Το προηγούμενο πηνίο των 5σπειρών, με

d=35mm, l=45mm έχει συντελεστή αυτεπαγωγής:

L=671,5 nH

Αυτά τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά επιλέχθηκαν σε τρόπο ώστε το αρχικό κύκλωμα

εξόδου να έχει ελαφρά επαγωγικό χαρακτήρα. Έτσι το κύκλωμα εξόδου διαρρέεται από

ρεύμα το οποίο έχει τιμή λίγο μικρότερη από το ρεύμα συντονισμού. Όσο θερμαίνεται το

υλικό, τόσο μειώνεται το μ και το κύκλωμα εξόδου τείνει στο συντονισμό. Περαιτέρω

αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί το κύκλωμα εξόδου στην τρίτη και τελευταία φάση, όπου

το κύκλωμα έχει χωρητικό χαρακτήρα. Η λειτουργία αυτή δείχνεται στο Σχήμα 6

Στο σημείο αυτό σημειώνεται ότι η διαδικασία και ικανότητα θέρμανσης και τήξης ενός

υλικού με την εν λόγω επαγωγική γεννήτρια, δεδομένης της ισχύος της καθορίζεται όπως

αποδείχτηκε από δυο βασικούς παράγοντες:

i. Την συχνότητα του ρεύματος εξόδου και

19

ii. Τα χαρακτηριστικά των παθητικών στοιχείων του κυκλώματος εξόδου.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε αποκλειστικά με τη ρύθμιση των

χαρακτηριστικών των παθητικών στοιχείων του κυκλώματος εξόδου.

Η συχνότητα του ρεύματος εξόδου καθορίζεται με βάση τις εξισώσεις κατάστασης του

κυκλώματος διέγερσης, από τις τιμές των πηνίων LRFC1 και C8. Η αλλαγή της συχνότητας

λειτουργίας επιτυγχάνεται με διείσδυση μαγνητικού πυρήνα στο LRFC1 ή προσθαφαίρεση

πυκνωτών C8 παράλληλα του C8.

Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι η παραλληλία n πυκνωτών με την σταδιακή πρόσθεση n

πυκνωτών C8 οδηγεί στην αύξηση της χωρητικότητας σε n·C8 με αποτέλεσμα η συχνότητα

διέγερσης να υποπολλαλασιαστεί περίπου κατά n (f/n).

Απόδοση λειτουργίας

Μετά την αντικατάσταση του πηνίου θέρμανσης, η γεννήτρια φαίνεται να λειτουργεί σε

μέγιστη ισχύ. Το προς θέρμανση υλικό τήκεται και δεν ερυθροπυρώνεται απλώς, όπως πριν

την εν λόγω εργασία.

Ενδεικτική της κατάστασης λειτουργίας είναι και η μέτρηση του αμπερόμετρου που μετρά

το ρεύμα ανόδου. Ενώ σε προηγούμενες περιπτώσεις το ρεύμα ανόδου δεν ξεπερνούσε το

Σχήμα 6: Απόκριση Imax του κυκλώματος εξόδου της γεννήτριας επαγωγικών ρευμάτων. Η επαγωγή Lλειτ. αφορά το καινούργιο πηνίο και βρίσκεται πολύ κοντά στο συντονισμό, στην επαγωγική πλευρά του. Κατά τη θέρμανση του υλικού, η μαγνητική του διαπερατότητα μ μειώνεται με αποτέλεσμα τη μείωση της αυτεπαγωγής του κυκλώματος εξόδου, η οποία περνά από το συντονισμό και καταλήγει σε μια τιμή Lθερμ. στη χωρητική πλευρά της καμπύλης. Με Lαρχ συμβολίζεται η επαγωγή του αρχικού πηνίου.

20

1Α, μετά την αντικατάσταση του πηνίου άγγιξε το τέρμα της κλίμακας, δηλαδή τα 3Α, ενώ

υπήρξαν περιπτώσεις όπου τέθηκαν εκτός λειτουργίας οι ασφάλειες της γεννήτριας, λόγω

υπερφόρτωσης ρεύματος. Έτσι συνάγεται το συμπέρασμα ότι αυτή η λειτουργία της

γεννήτριας αγγίζει το βέλτιστο για τήξη ,μαγνητικών υλικών με μ<10000, χωρίς αυτό να

σημαίνει ότι δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τήξη και άλλων μετάλλων.

2.5 Χειρισμός της γεννήτριας

Το σύστημα χειρισμού και ελέγχου της γεννήτριας περιλαμβάνει τα χειριστήρια έναρξης

και παύσης λειτουργίας, χειριστήρια έντασης λειτουργίας, λυχνίες λειτουργίας,

προειδοποιητικές λυχνίες καθώς και όργανα μέτρησης έντασης ηλεκτρικού ρεύματος.

Αναλυτικότερα περιλαμβάνει:

Περιστροφικό διακόπτη έναρξης δυο θέσεων τύπου ON-OFF (ΕΝΤΟΣ-ΕΚΤΟΣ): Η

γεννήτρια τροφοδοτείται με ρεύμα, τίθενται σε λειτουργία τα συστήματα αερισμού

γεννήτριας και λυχνίας.

Περιστροφικό διακόπτη τεσσάρων θέσεων ρύθμισης πλέγματος

Περιστροφικό διακόπτη τεσσάρων θέσεων ρύθμισης έντασης

Διακόπτη πιέσεως: «ΝΗΜΑ ΕΝΤΟΣ-ΕΚΤΟΣ»

Τέσσερις λυχνίες λειτουργίας:

Λυχνία λειτουργίας δικτύου «ΔΙΚΤΥΟΝ»

Λυχνία λειτουργίας λυχνίας «ΛΥΧΝΙΑ»

Λυχνία «ΕΤΟΙΜΟΣ»

Λυχνία «ΘΕΡΜΑΝΣΗ»

Τέσσερις προειδοποιητικές λυχνίες:

Λυχνία συστήματος αερισμού λυχνίας «ΑΗΡ»: ανάβει όταν η παροχή αέρα,

είναι χαμηλότερη από την ελάχιστη απαιτούμενη

Λυχνία πίεσης νερού «ΠΙΕΣΙΣ»: ανάβει όταν η παροχή του νερού ψύξης

είναι χαμηλότερη από την απαιτούμενη

Λυχνία θερμοκρασίας νερού «ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ»: ανάβει όταν η

θερμοκρασία του νερού ψύξης υπερβεί προκαθορισμένη από θερμοστάτη

τιμή

Λυχνία υπερφόρτωσης δικτύου «ΥΠΕΡΦΟΡΤΩΣΗ»

Χρονοδιακόπτης

21

Διακόπτης πιέσεως επαναφοράς

Αμπερόμετρο μέτρησης έντασης ρεύματος πρωτεύοντος

Αμπερόμετρο μέτρησης έντασης ρεύματος πλέγματος

Ποδοστήριο

Ο σωστός χειρισμός της γεννήτριας έχει ιδιαίτερη σημασία για την εύρυθμη λειτουργία

της, αλλά και για την επιτυχή έκβαση των πειραματικών διαδικασιών. Τα βήματα που

ακολουθούνται κατά τη χρήση της γεννήτριας, όπως αυτά προέκυψαν από μελέτη των

σχεδίων λειτουργίας και την εμπειρία μας από τη λειτουργία της, είναι πολύ συγκεκριμένα

τόσο για τη λειτουργία της, όσο και για την ασφάλεια του ατόμου που τη χειρίζεται. Τα

βήματα αυτά αναπαριστώνται στο Διάγραμμα 1.

22

ΓΕΝΙΚΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΟΝ

ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ

ΕΝΤΟΣ-ΕΚΤΟΣ

ΛΥΧΝΙΑ «ΠΙΕΣΙΣ»

ΕΝΤΟΣ

ΟΝ

ΝΗΜΑ ΕΝΤΟΣ

ΛΥΧΝΙΑ «ΔΙΚΤΥΟΝ»

ΧΡΟΝΟΔΙΑΚΟΠΤΗΣ

ΛΥΧΝΙΑ «ΕΤΟΙΜΟΣ»

ΟΝ OFF

ΟΝ

ΠΑΡΟΧΗ

ΝΕΡΟΥ ΩΝ OFF

ΕΚΤΟΣ

OFF

OFF

ΕΚΤΟΣ

ΕΚΤΟΣ ΕΝΤΟΣ

ΟΝ OFF

ΠΟΔΟΣΤΗΡΙΟ ΕΝΤΟΣ ΕΚΤΟΣ

ΛΥΧΝΙΑ «ΘΕΡΜΑΝΣΙΣ»

ΟΝ OFF

OFF

ΡΥΘΜΙΣΗ

ΙΣΧΥΟΣ

ΡΥΘΜΙΣΗ

ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ

ΕΝΑΡΞΗ

Διάγραμμα 1: Λογικό διάγραμμα λειτουργίας επαγωγικής καμίνου

23

3 Σύστημα τυμπάνου

Το σύστημα κίνησης του μεταλλικού τυμπάνου χύτευσης, αποτελεί το δεύτερο μέρος της

συσκευής παραγωγής άμορφων μεταλλικών κραμάτων. Ο σχεδιασμός της είναι εξέλιξη των

συσκευών που περιγράφονται στη βιβλιογραφία, με βασικό στόχο την ελαχιστοποίηση των

αβεβαιοτήτων των παραμέτρων που επιδρούν στη διαδικασία παραγωγής των ταινιών.

Σημαντικό ρόλο στο σχεδιασμό έπαιξε η ευελιξία του συστήματος, η δυνατότητα εύκολης

συντήρησης η αντοχή και φυσικά η ασφάλεια.

Τα βασικά τμήματα του συστήματος τυμπάνου που παρουσιάζονται στο Σχήμα 7 είναι:

1. Τύμπανο από χαλκό, διαμέτρου 205mm

2. Άξονας , διαμέτρου 30mm

3. Διαιρούμενα έδρανα, υψηλών στροφών

4. Ηλεκτροκινητήρας

5. Μεταλλική βάση

Το σύστημα έχει τοποθετηθεί σε τέτοια θέση ώστε το κέντρο του πηνίου θέρμανσης της

γεννήτριας επαγωγικών ρευμάτων να βρίσκεται σε κατακόρυφη θέση και σε απόσταση 20-

30 mm από την κορυφή του τυμπάνου (βλ. Εικόνα 8).

Ο σχεδιασμός του συστήματος και η επιλογή των επιμέρους εξαρτημάτων έγινε με βάση

το χάλκινο τύμπανο, έτσι ώστε να πληρούνται οι προϋποθέσεις επιφανειακής ταχύτητας

περιστροφής και κραδασμών, που υποδεικνύει η βιβλιογραφία.

Σχήμα 7: Σύστημα τυμπάνου. Διακρίνονται: 1: τύμπανο, 2: άξονας, 3: έδρανα, 4: ηλεκτροκινητήρας, 5: βάση συστήματος

24

3.1 Κινητήρας

Αριθμός στροφών

Η επιλογή του κινητήρα έγινε με βάση την επιφανειακή ταχύτητα περιστροφής του

τυμπάνου, που θέλουμε να επιτύχουμε για να παράγουμε άμορφες μεταλλικές ταινίες,

λαμβάνοντας υπόψη το φορτίο του τυμπάνου. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία οι επιφανειακή

ταχύτητα περιστροφής του τυμπάνου, κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 20 και 40m/sec.

Η σχέση επιφανειακής ταχύτητας και αριθμού στροφών δίνεται από τη σχέση:

Rf2Ru o ⋅⋅π=⋅ω= (20)

όπου u η γραμμική ταχύτητα, ω η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής, f0 η συχνότητα

περιστροφής και R η ακτίνα του τυμπάνου. Η συχνότητα περιστροφής είναι συνάρτηση του

αριθμού στροφών:

50f

60ροφών(RPM)ςαριθμόςστΟνομαστικόf 0 ⋅= (21)

όπου f η συχνότητα διέγερσης του κινητήρα.

Στον πίνακα 2, παρουσιάζονται ενδεικτικές τιμές επιφανειακής ταχύτητας συναρτήσει του

αριθμού των στροφών

Εικόνα 8: Σχετική θέση τυμπάνου πηνίου θέρμανσης

25

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

0 1000 2000 3000 4000

Aριθμός στροφών (RPM)

Επιφανειακή ταχύτητα

(m/s

)

Πίνακας 2 Επιφανειακή ταχύτητα περιστροφής

συναρτήσει αριθμού στροφών

Αριθμός στροφών

(RPM)

Επιφανειακή ταχύτητα

(m/sec)

1900 20,8

2000 21,9

2300 25,2

2400 26,3

2600 28,5

2700 29,6

2900 31,8

3100 34,0

3300 36,2

3400 37,3

3500 38,4

3600 39,5

3700 40,6

3800 41,7

3900 42,8

Όπως είναι φανερό στο Σχήμα 8 η σχέση μεταξύ αριθμού στροφών και επιφανειακής

ταχύτητας είναι γραμμική:

Σχήμα 8. : Διάγραμμα της μεταβολής της επιφανειακής ταχύτητας περιστροφής συναρτήσει του αριθμού στροφών

26

Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι για να επιτευχθούν ταχύτητες στο επιθυμητό εύρος

(20-40 m/sec), πρέπει να επιλεγεί κινητήρας με ρύθμιση στροφών στο διάστημα 1900-3800

RPM.

Ροπή κινητήρα

Η ζητούμενη ροπή του κινητήρα υπολογίστηκε, με βάση την οριακή περίπτωση χάλκινου

τύμπανου, διαμέτρου 300mm και πλάτους 100mm, ο οποίος επιταχύνεται με 100 RPM ανά

δευτερόλεπτο. Οι συνθήκες αυτές είναι οι πλέον ακραίες και αφορούν στην παραγωγή

ταινιών μεγάλου πλάτους.

Η ροπή αδρανείας βάρους ενός συμπαγούς κυλινδρικού σώματος είναι:

42DL2

J )/(⋅γ⋅⋅π

= (22 )

όπου L το πλάτος του κυλίνδρου , D η ακτίνα και γ το ειδικό βάρος του υλικού του

κυλίνδρου. Με βάση την εξίσωση (22) υπολογίζεται ότι η ροπή αδρανείας χάλκινου

συμπαγούς τυμπάνου, με L=100mm, D= 300mm και γ=8.9 kp/dm2, θα είναι:

Jτυμπ=7070 kp.cm2

Στο σημείο αυτό σημειώνεται ότι κατά τον υπολογισμό της απαιτούμενης ροπής, δε

λαμβάνουμε υπόψη τις απώλειες λόγω τριβών. Μπορούμε επίσης χωρίς σημαντικό σφάλμα

στους υπολογισμούς, να θεωρήσουμε, ότι η ροπή αδρανείας του άξονα διαμέτρου 30mm

και μήκους 350mm, μπορεί να συμπεριληφθεί στην ροπή αδρανείας του τυμπάνου, καθώς

στον υπολογισμό το τελευταίο θεωρήθηκε συμπαγής κύλινδρος.

Η αναγκαία ροπή για να περιστραφεί το τύμπανο, δίνεται από τη σχέση:

dtd

gJ

M ω⋅= τυμπ

κιν (23)

όπου: Jτυμπ η ροπή αδρανείας του τυμπάνου, g η επιτάχυνση της βαρύτητας και dtdω η

γωνιακή επιτάχυνση. Η ζητούμενη γωνιακή επιτάχυνση είναι:

2secrad510dtdf2

dtd ,=π=ω ,

όπου RPM100dtdf = ο ρυθμός επιτάχυνσης του τυμπάνου, εκφρασμένος σαν συχνότητα

περιστροφής.

Αντικαθιστώντας τα μεγέθη στη σχέση (23) προκύπτει η επιθυμητή ροπή του κινητήρα, που

είναι:

27

m217M ⋅Ν=κιν ,

Ισχύς κινητήρα

Από την παραπάνω μελέτη προέκυψε ότι ο κινητήρας που πληρεί τις προϋποθέσεις, που

τίθενται για την κατασκευή της συσκευής παραγωγής άμορφων ταινιών, θα πρέπει να έχει

ροπή m217M ⋅Ν=κιν , . Επιλέγουμε συχνότητα περιστροφής του κινητήρα στις 3000

RPM, τιμή που μας δίνει γραμμική ταχύτητα τυμπάνου μεγαλύτερη από 30m/sec, που είναι

η μέση τιμή του διαστήματος ταχυτήτων, που αντιστοιχεί σε παραγωγή άμορφων

μαγνητικών ταινιών σύμφωνα με τη βιβλιογραφία. Ο αριθμός των στροφών είναι ένα

μέγεθος το οποίο μπορεί να μεταβάλλεται σε συγκεκριμένο εύρος τιμών με χρήση ενός

ρυθμιστή συχνότητας λειτουργίας του κινητήρα.

Η σχέση που συνδέει τη ροπή κινητήρα με την ιπποδύναμη και τον αριθμό στροφών είναι:

κιν

κινκιν ω

Ρ=Μ (24)

όπου Μκιν η ροπή, Ρκιν η ισχύς και ωκιν η γωνιακή ταχύτητα του κινητήρα, αντίστοιχα. Από

τη σχέση (24) με αντικατάσταση προκύπτει ότι η απαιτούμενη ισχύς του κινητήρα είναι:

Ρκιν=2,9Ηp

Επομένως ένας κινητήρας 3Hp στις 3000 RPM καλύπτει τις πλήρως τις προϋποθέσεις

επιτάχυνσης και στροφών που θέτουμε.

Ο κινητήρας που χρησιμοποιήθηκε είναι της εταιρίας Βαλιάδης Α.Ε. ισχύος 3HP, 2900

rpm. Ο κινητήρας συνοδεύεται από ηλεκτρονικό ρυθμιστή συχνοτήτων λειτουργίας του

κινητήρα (inverter),του Οίκου LG, ισχύος 3HΡ. Mέσω του ρυθμιστή συχνοτήτων,

καθορίζεται ο αριθμός των στροφών στην έξοδο του κινητήρα (βλ. Εξισ. 21). Με χρήση του

συγκεκριμένου ρυθμιστή συχνοτήτων, το εύρος του αριθμού στροφών του κινητήρα μπορεί

να μεταβάλλεται από 500 έως 6500 RPM, δηλαδή από 5,5 έως 70m/sec, εύρος ταχυτήτων

σημαντικά μεγαλύτερο από αυτό που ορίζει η βιβλιογραφία. Το εύρος αυτό είναι πολύτιμο

για μελλοντικές εφαρμογές του συστήματος όπου με πολύ χαμηλές και με ακρίβεια

ελεγχόμενες στροφές επιτυγχάνουμε την παρασκευή ταινιών σκληρών μαγνητικών φάσεων

σπανίων γαιών, ενώ με ταχύτητες της τάξεως των 70m/s επιτυγχάνεται η κατασκευή λεπτών

υμενίων.

28

Ο ρυθμιστής συχνοτήτων που φαίνεται στην Εικόνα 9 αποδεικνύεται σημαντικό εργαλείο

για την μελέτη της παραγωγής άμορφων μεταλλικών υλικών καθώς επιτρέπει τον εύκολο

και γρήγορο παραμετρικό έλεγχο του ρυθμού απόψυξης της ταινίας, δεδομένων σταθερών

όλων των άλλων παραμέτρων. Επίσης, επιτρέπει πλήρη αξιοποίηση της ισχύος του

κινητήρα και δίνει τη δυνατότητα της μελέτης της επίδρασης της ταχύτητας περιστροφής

του τυμπάνου στη γεωμετρία και τις ιδιότητες των ταινιών.

3.2. Τύμπανο χαλκού

Το τύμπανο είναι ένας συμπαγής κυλινδρικός δίσκος από χαλκό, που φαίνεται στην

Εικόνα 10. Πρόκειται για τμήμα, που αφαιρέθηκε από μπιγιέτα χαλκού συνεχούς χύτευσης.

Προτιμήθηκε χαλκός λόγω της μεγάλης θερμικής αγωγιμότητας (391.1W/m·OK), ώστε να

εξασφαλιστεί ο μεγαλύτερος δυνατός ρυθμός απόψυξης του κράματος.

Το τύμπανο έχει διάμετρο 205mm και πλάτος 15mm. Ο όγκος αυτός του μετάλλου,

κρίθηκε ικανός για την ταχεία απαγωγή θερμότητας από το προσπίπτον κράμα., σε

ποσότητα ταινίας εργαστηριακής κλίμακας παραγωγής. Στο σημείο αυτό σημειώνεται ότι

κατά το σχεδιασμό της διάταξης, έχει προβλεφθεί μελλοντική αντικατάσταση του τυμπάνου

με άλλο διαμέτρου έως και 300mm διάμετρο και πλάτος έως και 100mm

Εικόνα 9: Ρυθμιστής στροφών του Οίκου LG. Η φωτεινή ένδειξη είναι η συχνότητα λειτουργίας του κινητήρα.

29

Η συνήθης πρακτική στο χώρο παραγωγής άμορφων μεταλλικών ταινιών, είναι η

απευθείας προσαρμογή του χάλκινου τυμπάνου στον κινητήρα. Στην συσκευή που

κατασκευάσαμε, επιλέξαμε να συνδέεται το τύμπανο με τον κινητήρα, μέσω άξονα ο οποίος

στηρίζεται σε έδρανα, εκατέρωθεν του τυμπάνου. Ο τρόπος αυτός στήριξης ελαχιστοποιεί

καμπτικές ροπές που αναπτύσσονται στην άτρακτο του κινητήρα και τους κραδασμούς που

αναπτύσσονται κατά την περιστροφή του τυμπάνου.

Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειωθεί ότι η συγκεκριμένη εργαστηριακή διάταξη συσκευής

παραγωγής άμορφων μεταλλικών ταινιών με τα δύο έδρανα, δεν υπάρχει σε κάποιο άλλο

εργαστήριο στη χώρα (αλλά και διεθνώς). Εικάζεται ότι η εταιρία VACUUMSCHMELZE

Gmbh, μια από τις μεγαλύτερες εταιρίες παραγωγής άμορφων υλικών στον κόσμο, έχει

κατασκευάσει αντίστοιχο βιομηχανικό σύστημα το οποίο όμως δεν έχει ποτέ επιδειχτεί ή

παρουσιαστεί.

Άξονας

Επιλέχθηκε άξονας μεγαλύτερης διαμέτρου από την απαιτούμενη έτσι ώστε να

εξασφαλιστεί η μεγαλύτερη δυνατή σταθερότητα και ακαμψία του συστήματος. Συγχρόνως

ο άξονας αυτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε περίπτωση αντικατάστασης του τυμπάνου

από μεγαλύτερο.

Εικόνα 10: Άποψη της σύνδεσης του τυμπάνου με τον άξονα

30

Στο Σχήμα 9 εικονίζεται σκίτσο του συστήματος του τυμπάνου και των φορτίων που

ασκούνται στον άξονα..

Χωρίς σημαντικό σφάλμα στους υπολογισμούς μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το μόνο

φορτίο που ασκείται στον άξονα (στη μέση του) είναι το βάρος του τυμπάνου (F, Σχήμα 9).

Η μάζα του άξονα προστίθεται στη μάζα του τυμπάνου, η οποία λαμβάνεται ίση με 10kg.

Το βάρος του τυμπάνου είναι λοιπόν ίσο με F=98N

Λόγω του βάρους F του τυμπάνου ασκείται στον άξονα καμπτική ροπή που δίνεται από

τον τύπο:

4LFM b ⋅= (25)

όπου F το φορτίο και L το μήκος του άξονα. Επομένως η καμπτική ροπή του άξονα της

συσκευής θα είναι:

mmN8575mmN4

35098M b ⋅⋅=⋅⋅=

Η ροπή αντίστασης Wb της διατομής του άξονα σε στέψη είναι:

32dW

3

b ⋅π= (26)

όπου d η διάμετρος του άξονα. Για τον άξονα 30mm η ροπή αντίστασης θα είναι:

333

b mm26513230

32dW =⋅π=⋅π=

Επομένως η καμπτική τάση που ασκείται στον άξονα είναι:

κινητήρας

έδρανα

άξονας

τύμπανο

Σχήμα 9: Σύστημα στήριξης – κίνησης τυμπάνου. Στον άξονα ασκούνται το βάρος F του τυμπάνου και η στρεπτική ροπή Μb.

31

b

bb W

M=σ (27)

Δηλαδή:

23

b

bb mmN233

mm2651mmN8575

WM /.=

⋅==σ

Εκτός από την καμπτική ροπή στον άξονα ασκείται και ροπή στρέψης λόγω του κινητήρα.

Η ροπή στρέψης για τον κινητήρα 3Hp και 2900 RPM, σύμφωνα με την Εξίσωση (24) της

προηγούμενης παραγράφου θα είναι ίση με:

mmN7409 ⋅=ωΡ

=Μκιν

κινκιν

Η ροπή αντίστασης του άξονα σε στρέψη θα είναι:

22

t

tt mmN41mmN

53027409

WM

/./ ===τ

Η ισοδύναμη τάση, σύμφωνα με το κριτήριο μέγιστου έργου παραμόρφωσης Von-Misses

είναι:

2t

2bv 3τ+σ=σ (26)

από όπου με αντικατάσταση προκύπτει ότι:

σν=4.04N/mm2

Η ισοδύναμη τάση θα πρέπει να είναι μικρότερη από την μέγιστη επιτρεπόμενη τάση, η

οποία προκύπτει από το όριο αντοχής του υλικού με χρήση συντελεστών ασφαλείας. Έτσι:

( )Bή CS ⋅σ=σ αντοχεπ (27)

όπου S συντελεστής ασφαλείας (λαμβάνεται S=2) και CB ο συντελεστής ασφαλείας

λειτουργίας (λαμβάνεται CB=1). Η σαντοχή προκύπτει από πίνακες με την προσαύξηση

συντελεστών ασφαλείας:

kbs0bwbAKNή Bb β⋅⋅σ=σ=σαντοχ / (28)

όπου b0 συντελεστής μεγέθους (λαμβάνεται b0=0,91), bs συντελεστής τραχύτητας

(λαμβάνεται bs=0,80), βkb συντελεστής ευαισθησίας έναντι εγκοπών (λαμβάνεται βkb=1,8)

και σbw η αντοχή του άξονα, η τιμή της οποίας λαμβάνεται από πίνακες (σbw=220 Ν/mm2).

Επομένως από τη (28) προκύπτει: 2

ή mmN89 /=σαντοχ

32

Συνεπώς από την (27):

σεπ=44,5 Ν/mm2<<4,04 Ν/mm2

Είναι φανερό ότι η ισοδύναμη τάση λόγω του φορτίου του τυμπάνου είναι πολύ μικρότερη

από την επιτρεπόμενη τάση. Επομένως ο άξονας διαμέτρου30mm αντέχει την καταπόνηση.

Ακολουθώντας την αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή θεωρώντας σαν μέγιστη ισοδύναμη

τάση την σεπ μέσω των σχέσεων (26) και (25) προκύπτει ότι ο άξονας αντέχει καμπτική

τάση:

σb= 44,43N/mm2

ή φορτίο F= 1346 N που αντιστοιχεί σε μάζα 137kg ή χάλκινο κύλινδρο διαμέτρου 300mm

και πλάτους 200mm.

Στο Σχήμα 10, εικονίζεται το σκαρίφημα του άξονα. Οι εσοχές είναι τα σημεία έδρασης

στα έδρανα στήριξης ενώ συγχρόνως «κλειδώνουν» τον άξονα, εμποδίζοντας την κατά

μήκος του άξονα κίνηση. Στην άκρη του άξονα υπάρχει «κόπλερ» για τη μετάδοση της

κίνησης από τον κινητήρα. Η μορφή του κόπλερ είναι τέτοια ώστε να εφαρμόζει ακριβώς

στην άτρακτο του κινητήρα χωρίς δυνατότητα μικροκινήσεων. Ενδιάμεσα των δυο

υποδοχών, βρίσκεται πακτωμένος κυκλικός δίσκος με έξι περιμετρικές υποδοχές για βίδες

πάνω στον οποίο βιδώνεται το χάλκινο τύμπανο.

Επειδή ο χαλκός είναι μαλακό μέταλλο και τα φορτία που αναπτύσσονται κατά την

περιστροφή είναι μεγάλα, το τύμπανο στερεώθηκε έμμεσα πάνω στον άξονα, για

μεγαλύτερη σταθερότητα και ασφάλεια. Στο μέσο του κυκλικού δίσκου ανοίχτηκε οπή

35mm, και τοποθετήθηκε σε αυτή κύλινδρος (πυρήνας) ανοξείδωτου χάλυβα (βλ. Σχήμα

Σχήμα 10: Σκαρίφημα του άξονα της κατασκευής, διακρίνονται (1) το κόπλερ, (2) ο δακτύλιος σύνδεσης του τυμπάνου, (3) οι εσοχές προσαρμογής των εδράνων

33

11) χωρίς δυνατότητα σχετικής κίνησης ως προς το τύμπανο, αφού εκατέρωθεν του

τυμπάνου έχει κατασκευαστεί χείλος που το πακτώνει με τον πυρήνα. Ο πυρήνας αυτός

αποτελεί την υποδοχή του άξονα της συσκευής.

Το ένα χείλος του πυρήνα είναι μεγαλύτερο σε διάμετρο και μήκος, έτσι ώστε να φέρει

υποδοχές για να στερεώνεται με βίδες Allen στον δίσκο που είναι πακτωμένος στον άξονα.

Οι βίδες είναι έξι και είναι κατανεμημένες περιμετρικά, έτσι ώστε να μη δημιουργούνται

άλλες ροπές κατά την περιστροφή του τυμπάνου.

Έδρανα

Τα έδρανα στήριξης είναι κουζινέτα σε φωλιά. Η επιλογή τους έγινε έτσι ώστε να είναι

εύκολη η αφαίρεση του άξονα σε περίπτωση αντικατάστασης του, να είναι εύκολη η

συντήρηση του συστήματος και να είναι δυνατές οποιεσδήποτε μελλοντικές μετατροπές. Τα

έδρανα αυτά είναι ειδικά για εφαρμογές υψηλών στροφών και μεγάλων φορτίων.

Τα έδρανα είναι υπερυψωμένα ώστε να χωράει τύμπανο μέγιστης διαμέτρου 300mm,

χωρίς να αναπτύσσονται φαινόμενα στροβιλισμού του αέρα λόγω της κίνησης στο

κατώτατο σημείο του τυμπάνου. Τέτοια φαινόμενα στροβιλισμού είναι ανεπιθύμητα καθώς

Σχήμα 11: Τομή της στήριξης του τυμπάνου. Διακρίνονται: (1) ο πυρήνας, (2) ο κυκλικός δίσκος, (3) ο άξονας.

34

μπορεί να επηρεάσουν τη μορφολογία του εξερχόμενου κυλινδρικού του τήγματος.

Συγχρόνως η στήριξη τους και η σχετική τους θέση, θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε να μη

προκαλούν ή μεταδίδουν κραδασμούς στον άξονα άρα και στο τύμπανο επηρεάζοντας την

πειραματική διαδικασία. Θα πρέπει να είναι απόλυτα ευθυγραμμισμένα και η στήριξή τους

στη βάση πολύ σταθερή.

Η στήριξη των εδράνων έγινε με τη βοήθεια σιδηροδοκών σχήματος Π, τα οποία

συγκολλήθηκαν σχηματίζοντας ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο. Πάνω στην κατασκευή αυτή

βιδώνεται σταθερά το έδρανο με βίδες 8mm. Με τη σειρά του, το κάθε παραλληλεπίπεδο

συγκολλήθηκε πάνω σε δυο χαλύβδινες ράβδους που παίζουν το ρόλο των πέδιλων

στήριξης. Οι ράβδοι αυτοί φέρουν υποδοχές για βίδες 10mm, ώστε να πακτωθεί το έδρανο

μαζί με τη βάση του πάνω στη μεταλλική βάση του συστήματος (βλ. Σχήμα 12).

Ο προσανατολισμός των βάσεων των εδράνων είναι τέτοιος ώστε ο άξονας του τυμπάνου

να είναι κάθετος στον άξονα συμμετρίας των βάσεων των εδράνων. Ο προσανατολισμός

αυτός επιτρέπει μεγαλύτερη αντοχή στα φορτία που αναπτύσσονται από την περιστροφή

του τυμπάνου.

3.3. Στήριξη συστήματος

Ο κινητήρας και τα έδρανα έχουν πακτωθεί πάνω σε φύλλο χάλυβα, διαστάσεων

1000mm300× και πάχους 20mm. Εκτός από τα στοιχεία του συστήματος του τυμπάνου

Σχήμα 12: Δυο όψεις εδράνου. Διακρίνονται η βάση στήριξης (1) κατασκευασμένη από σίδερο διατομής Π, η πάκτωση του εδράνου στη βάση του (2) και η πάκτωση του πέδιλου της βάσης, στην βάση του συστήματος.

35

στη βάση αυτή στερεώνεται και το σύστημα στήριξης του χωνευτηρίου, όπως φαίνεται στο

Σχήμα 13. Φέρει οπές με σπείρωμα έτσι ώστε οι βίδες που συγκρατούν τα κομμάτια να μη

χρειάζονται παξιμάδια στην κάτω πλευρά της βάσης, επιτρέποντας στη βάση να ακουμπά

σε όλο το μήκος της.

Η μεταλλική βάση προσφέρει στο σύστημα ακαμψία και σταθερότητα, και λόγω του

σημαντικού της βάρους (≈50kg, ενώ το συνολικό βάρος του συστήματος υπολογίζεται γύρω

στα 100kg) αντισταθμίζει τις ροπές που αναπτύσσονται λόγω του κινητήρα και της

περιστροφής του τυμπάνου, χαμηλώνοντας το κέντρο βάρους της κατασκευής. Τέλος, λόγω

της ύπαρξης της βάσης αυτής, το σύστημα είναι ανεξάρτητο των υπολοίπων τμημάτων,

όντας ικανό να μεταφερθεί και να προσαρμοστεί στις ανάγκες κάποιας άλλης διάταξης.

Σχήμα 13: Κάτοψη της βάσης του συστήματος του τυμπάνου. Διακρίνονται τα επιμέρους στοιχεία του συστήματος

Σχήμα 14: Λεπτομέρεια στη σύνδεση του συστήματος του τυμπάνου με τη βάση. Διακρίνονται τα φύλλά του αντικραδασμικού λάστιχο τοποθετημένα συμμετρικά

36

Το σύστημα του τυμπάνου έχει τοποθετηθεί πάνω σε τραπεζοειδή μεταλλική βάση όπως

φαίνεται στο Σχήμα 14. Η βάση αυτή έχει κατασκευαστεί από σιδεροδοκούς διατομής

σχήματος Γ 50mm μήκους πλευράς 5mm και πάχους 3mm. Το ύψος της βάσης

μεταβάλλεται με την βοήθεια τεσσάρων κοχλιών διαμέτρου 20mm, που παίζουν το ρόλο

των ποδιών της βάσης και βοηθούν συγχρόνως στην οριζοντίωση του συστήματος του

τυμπάνου.

Μεταξύ της βάσης της συσκευής και της βάσης του συστήματος του τυμπάνου

τοποθετήθηκαν 3 κομμάτια αντικραδασμικού λάστιχου που χρησιμοποιείται σε

βιομηχανικές εφαρμογές. Τα κομμάτια του λάστιχου (400×250mm) τοποθετήθηκαν κατά το

πλάτος της βάσης, σε ίσες μεταξύ τους αποστάσεις. Δεν τοποθετήθηκε ολόκληρο φύλλο

αντικραδασμικού που να καλύπτει ολόκληρη τη βάση, γιατί έτσι η βάση του τυμπάνου

εφαρμόζει καλύτερα. Ταυτόχρονα μικρότερη επιφάνεια επαφής, σημαίνει και μικρότερη

επιφάνεια μεταφοράς κραδασμών.

Το σύστημα του τυμπάνου δεν στερεώθηκε με βίδες πάνω στη βάση, διότι λόγω του

μεγάλου βάρους της βάσης του, του χαμηλού του κέντρου βάρους, των μεγάλων τριβών του

με την τραχεία επιφάνεια του αντικραδασμικού υλικού δεν έχει δυνατότητα κίνησης, ενώ η

απουσία μηχανικής σύνδεσης μειώνει τη μεταφορά κραδασμών από το έδαφος, Οι πρώτες

δοκιμές λειτουργίας της συσκευής ήταν ιδιαίτερα ενθαρρυντικές για τη συνέχεια των

πειραμάτων. Το σύστημα φαίνεται σταθερό ακόμα και στα όρια λειτουργίας του κινητήρα

(6500RPM).

37

4 Χωνευτήρια – Αδρανής ατμόσφαιρα

4.1 Χωνευτήρια

Τα χωνευτήρια που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή άμορφων μεταλλικών ταινιών είναι

από χαλαζιακό γυαλί (εμπορική ονομασία fused quartz glass). Το υλικό αυτό έχει

θερμοκρασία μαλάκυνσης 16838 C, ενώ η θερμοκρασία τήξης των τριμερών κραμάτων Fe-

Si-B κυμαίνεται από τους 1300 8C έως τους 1400 8C στην ευτηκτική αναλογία .

Προτιμώνται τα χωνευτήρια από χαλαζιακό γυαλί, διότι εξασφαλίζουν την καθαρότητα

του κράματος, σε αντίθεση π.χ. με τα χωνευτήρια από άνθρακα, τα οποία μπορεί να το

μολύνουν. Το υλικό κατασκευής του χωνευτηρίου, επιτρέπει σχετικά εύκολη, διαμόρφωση

του ακροφυσίου. Πίνακας των φυσικών ιδιοτήτων του χαλαζιακού γυαλιού υπάρχει στο

Παράρτημα.

Χρησιμοποιούνται δυο τύποι χωνευτηρίων:

με κλειστό πυθμένα, για την κατασκευή των μητρικών κραμάτων, και

με ακροφύσιο, για τη χύτευση των κραμάτων προς άμορφες ταινίες. Η διάμετρος και το

σχήμα της οπής στον πυθμένα των χωνευτηρίων καθορίζει το πλάτος της ταινίας

Η διάμετρος του χωνευτηρίου θα πρέπει να είναι περίπου ίση με την εσωτερική διάμετρο

του πηνίου θέρμανσης της επαγωγικής γεννήτριας, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται μέγιστη

μεταφορά ισχύος στο κράμα. Αυτό ισχύει διότι, η τιμή του συντελεστή αυτεπαγωγής του

πηνίου θέρμανσης της επαγωγικής γεννήτριας εξαρτάται από το υλικό που περιέχεται στο

πηνίο.

Στην περίπτωση που η διάμετρος του χωνευτηρίου είναι μικρότερη από αυτή του πηνίου

θέρμανσης, τότε ο συντελεστής αυτεπαγωγής του πηνίου θα είναι ίσος με το άθροισμα του

συντελεστή αυτεπαγωγής του κράματος και του συντελεστή αυτεπαγωγής του αέρα.

Εφόσον η διάμετρος του ακροφυσίου είναι ίση περίπου με τη διάμετρο του πηνίου, τότε το

κράμα καλύπτει κατά προσέγγιση όλο το χώρο του πηνίου, άρα ο συντελεστής

αυτεπαγωγής του πηνίου είναι περίπου ο συντελεστής αυτεπαγωγής του κράματος. Οι δυο

τύποι των χωνευτηρίων φαίνονται στο Σχήμα 15.

Τα χωνευτήρια από χαλαζιακό γυαλί θρυμματίζονται μετά από την παρασκευή μητρικού

κράματος ή τη χύτευση. Αυτό συμβαίνει γιατί ο συντελεστής θερμικής διαστολής του

χαλαζιακού γυαλιού (5,5·10-7cm/cm·8C), είναι περίπου 30 περίπου φορές μικρότερος από

το συντελεστή θερμικής διαστολής του σιδήρου ( γύρω στο 15·10-6cm/cm·8C). Έτσι κατά

τη

38

θέρμανση και ψύξη λόγω διαστολής και συστολής και με τη συνδρομή της απότομης

αύξησης της πίεσης του αργού, μέσα στο χωνευτήριο αναπτύσσονται μηχανικές τάσεις που

ραγίζουν αρχικά και στη συνέχεια θρυμματίζουν το χωνευτήριο. Το πρόβλημα

αντιμετωπίστηκε με χρήση χωνευτηρίων με παχύτερα τοιχώματα (διπλάσιο πάχος) και

μικρότερη ποσότητα μητρικού κράματος. Διάφορα είδη χωνευτηρίων δείχνονται στις

Εικόνες 11 και 12.

4.2 Αδρανής ατμόσφαιρα

Κατά την παρασκευή και τήξη του μητρικού κράματος, χρειάζεται να δημιουργηθεί στο

χώρο του χωνευτηρίου, αδρανής ατμόσφαιρα, έτσι ώστε να προστατεύεται το κράμα από

την οξείδωση, ή και την ανάφλεξη αν το μητρικό κράμα εμπλουτιστεί με στοιχεία, όπως τα

Σχήμα 15: Σκίτσο σε τομή της μορφής των κλειστών χωνευτηρίων (Α) και των χωνευτηρίων με ακροφύσιο (Β)

Εικόνα 11: Χωνευτήριο χαλαζία

Εικόνα 12: Σπασμένα χωνευτήρια χαλαζία

39

Nd,Sm για παραγωγή σκληρών μαγνητικών υλικών. Τα στοιχεία αυτά κατά τη θέρμανσή

τους, αναφλέγονται ταχύτατα στον ατμοσφαιρικό αέρα.

Η αδρανής ατμόσφαιρα στο χώρο του χωνευτηρίου δημιουργείται με παροχή αργού. Το

αργό έχει διπλό ρόλο στη διαδικασία παραγωγής ταινιών. Αφενός δημιουργεί την

απαραίτητη για την προστασία του κράματος, αδρανή ατμόσφαιρα μέσα στο χωνευτήριο,

και αφετέρου, δίνει την απαραίτητη ώθηση στο τήγμα για να εκτοξευθεί με ταχύτητα στην

επιφάνεια του τυμπάνου.

Το κύκλωμα αδρανούς ατμόσφαιρας, της συσκευής ταινιών αποτελείται από φιάλη αργού,

σύστημα ρύθμισης πίεσης και στόμιο προσαρμογής του χωνευτηρίου στο κύκλωμα Η

φιάλη συνοδεύεται από 2 μανόμετρα, ένα στα 300 bar και ένα στα 2 bar, που μετρούν την

πίεση του αερίου μέσα στη φιάλη και την πίεση του κυκλώματος αντίστοιχα.

Το σύστημα ρύθμισης πίεσης αποτελείται από δυο κλάδους που ξεκινούν από την παροχή

της φιάλης και καταλήγουν στην έξοδο προς το χωνευτήριο (Σχήμα 16). Ο ένας κλάδος

αφορά τη χαμηλή πίεση (αδρανής ατμόσφαιρα) και ο άλλος την υψηλή πίεση (χύτευση).

Το σύστημα ρύθμισης της πίεσης του αργού έχει κατασκευαστεί από σωλήνες χαλκού

διαμέτρου 16mm, ώστε να εκτονώνεται το αργό και η ροή του προς το χωνευτήριο να είναι

κατά το δυνατό στρωτή.

Ο κλάδος της χαμηλής πίεσης (αριστερά στο Σχήμα 16) συνδέεται με περιστροφική βάνα.

Ο κλάδος της υψηλής πίεσης συνδέεται με ηλεκτρική βάνα (ON-OFF) Το σύστημα

Σχήμα 16: Σκίτσο του συστήματος παροχής αργού. Αριστερά και δεξιά διακρίνονται οι κλάδοι χαμηλής και υψηλής πίεσης αντίστοιχα

Εικόνα 12: Ηλεκτρικός διακόπτης παροχής υψηλής πίεσης που ενεργοποιείται με την κίνηση του μοχλού

40

πίεση εκτόξευσης τήγματος

πίεση αδρανούς

ατμόσφαιρας

Ηλεκτρική

βάνα

ΟΝ

OFF

Φιάλη

αργού

ΟΝ

περιστροφική

βαλβίδα

ΟΝ

κύκλωμα κλειστό ΟFF

κύκλωμα

ΟFF

Εκτόξευση

τήγματος

Αδρανής

ατμόσφαιρα

Ρύθμιση

βαλβίδας

φιάλης

Ρύθμιση

περιστροφικής

βαλβίδας

συμπληρώνεται από μανόμετρο 2 bar. Η ηλεκτρική βάνα συνδέεται με ένα ηλεκτρικό

διακόπτη που βρίσκεται στην κεφαλή της βάσης του χωνευτηρίου (βλ. Εικόνα. 12). Το

συνολικό σύστημα παροχής φαίνεται στην Εικόνα 14.

Η λειτουργία του συστήματος φαίνεται στο Διάγραμμα 2. Οι πιέσεις αδρανούς

ατμόσφαιρας και εκτόξευσης τήγματος έχουν προεπιλεγεί, σύμφωνα με την προηγούμενη

πειραματική εμπειρία.

Διάγραμμα 2. : Λογικό διάγραμμα ροής, λειτουργίας κυκλώματος αργού, της συσκευής παραγωγής άμορφων

41

(α) (β)

Το μανόμετρα της φιάλης και του συστήματος ρύθμισης πίεσης δείχνουν την πίεση του

κυκλώματος. To σύστημα ρύθμισης της πίεσης συνδέεται με τη φιάλη αργού και το

χωνευτήριο, με ελαστικούς σωλήνες 14mm.

Οι τιμές της πίεσης είναι πολύ δύσκολο να προκαθοριστούν, καθώς εξαρτώνται κάθε φορά

από το μέγεθος του χωνευτηρίου, τη διάμετρο της οπής και την ποσότητα του κράματος.

Όπως θα δούμε από το πειραματικό μέρος οι τιμές αυτές είναι της τάξης του ΔΡ≈1-1.5 bar

Σημειώνεται ότι, ο υπολογισμός της επιθυμητής πίεσης, μπορεί να γίνει χονδρικά μέσω

του νόμου Bernoulli, όπως έχει υπολογιστεί από τον Liebermann. Από την εξίσωση του

νόμου νόμου Bernoulli με κατάλληλες απλοποιήσεις προκύπτει ότι:

dP2v2

j = (29 )

όπου vj η ταχύτητα εκτόξευσης της στήλης του τήγματος, P η εφαρμοζόμενη πίεση και d η

πυκνότητα του κράματος.

Επομένως για να επιτύχουμε ταχύτητες εκτόξευσης τήγματος 20m/sec (η ταχύτητα

εκτόξευσης λαμβάνεται ίση με την επιφανειακή ταχύτητα περιστροφής του τυμπάνου, στη

Εικόνα 14 : Απόψεις του συστήματος ρύθμισης πίεσης, της συσκευής παραγωγής άμορφων μεταλλικών ταινιών. Διακρίνονται (1) η περιστροφική βαλβίδα ρύθμισης της πίεσης αδρανούς ατμόσφαιρας και (2) η ηλεκτρική βαλβίδα πίεσης εκτόξευσης.

2

1

42

περίπτωση όπου η διάμετρος του τήγματος είναι ίση με τη διάμετρο της στήλης του

τήγματος), η πίεση που θα πρέπει να εφαρμοστεί στο χωνευτήριο είναι:

( ) bar8mN108mkg102sm202

dvP 25332

2j =⋅=⋅⋅=⋅

=

(η πυκνότητα του κράματος λαμβάνεται ίση με 4g/cm3).

Από τη βιβλιογραφία γνωρίζουμε όμως, ότι οι πιέσεις που χρησιμοποιούνται συνήθως

είναι λίγο μεγαλύτερες από 1bar. Επομένως η εξίσωση του νόμου Bernoulli δεν δίνει

ασφαλείς πληροφορίες για την πίεση εκτόξευσης, παρά μόνο τάξη μεγέθους. Ο

προσδιορισμός των κατάλληλων πιέσεων, επιτυγχάνεται τελικά μόνο με την πειραματικές

μετρήσεις.

Ύστερα από δοκιμές παρατηρήθηκε ότι για ποσότητες κράματος της τάξεως των 8-10g, η

πιέση είναι της τάξης του ΔΡ≈0.2 bar είναι αρκετή για να επιτευχθεί αδρανής ατμόσφαιρα,

ενώ πιέσεις της τάξεως του ΔΡ≈1.2-1.3 bar επιβάλλουν ικανοποιητική ταχύτητα εκτόξευσης

στο τήγμα.

Το βασικό πλεονέκτημα του κυκλώματος είναι ο συγχρονισμός της καθόδου του

χωνευτηρίου με την απότομη αύξηση της πίεσης του αερίου.

Σχήμα 17: Σκίτσο της ροής του αργού στο χωνευτήριο με χρήση τριών ομόκεντρων σωλήνων

Εικόνα 15: Χωνευτήριο, συνδεδεμένο με το κύκλωμα αργού, πάνω στο βραχίονα στήριξης.

43

Το χωνευτήριο συνδέεται με το σύστημα αργού μέσω τριών ομόκεντρων σωλήνων. Ο

εξωτερικός σωλήνας είναι ελαστικός διαμέτρου 18mm και συνδέει το σωλήνα παροχής

αργού (μεσαίος σωλήνας 14mm) με το χωνευτήριο (βλ. Σχήμα 17 και εικόνα 15). Στον

εξωτερικό αυτό σωλήνα έχουν δημιουργηθεί οπές, που παίζουν το ρόλο βαλβίδας διαφυγής.

Από εκεί απομακρύνεται ο ατμοσφαιρικός αέρας και η περίσσεια του αργού. Ο τρίτος

σωλήνας συνδέεται εσωτερικά του σωλήνα παροχής και σκοπό έχει την παροχή του αργού

κατά το δυνατόν χαμηλότερα μέσα στο χωνευτήριο, έτσι ώστε να εξασφαλιστεί κατά το

δυνατόν η απομάκρυνση του ατμοσφαιρικού αέρα.

4.3 Σύστημα στήριξης χωνευτηρίου

Ο βραχίονας κατασκευάστηκε, για να στηρίζει το χωνευτήριο σε σταθερό σημείο, έτσι

ώστε όλο το μητρικό κράμα να βρίσκεται μέσα στο πηνίο θέρμανσης της γεννήτριας και να

κρατά το χωνευτήριο σε σταθερή απόσταση από το χάλκινο τύμπανο κατά τη χύτευση των

ταινιών.

Η τεχνική που χρησιμοποιείται για τη χύτευση του μητρικού υλικού είναι η εξής:

το χωνευτήριο βρίσκεται μέσα στο πηνίο θέρμανσης της επαγωγικής καμίνου, όπου

τήκεται το μητρικό κράμα σε αδρανή ατμόσφαιρα αργού.

για να πραγματοποιηθεί η χύτευση, το χωνευτήριο κινείται χειροκίνητα, κατακόρυφα

προς τα κάτω, σε προκαθορισμένη από το τύμπανο απόσταση. Η κίνηση του

χωνευτηρίου ενεργοποιεί το κύκλωμα διαφορικής πίεσης του αργού με αποτέλεσμα την

εκτόξευση του υλικού.

Η κατασκευή στήθηκε γύρω από μια βάση δραπάνου χειρός. Η βάση αυτή έχει

δυνατότητα προσαρμογής της θέσης της κεφαλής και στις τρεις διαστάσεις ενώ έχει

ανεξάρτητα και τη δυνατότητα μικρής κατακόρυφης κίνησης της κεφαλής, με δυνατότητα

προεπιλογής της μετατόπισης της.

44

Στο Σχήμα 18 φαίνεται σκαρίφημα της βάσης δραπάνου (βραχίονα). Η κεφαλή έχει

δυνατότητα κατακόρυφης κίνησης κατά μήκος του ποδιού (2) και στο οριζόντιο επίπεδο

γύρω από το πόδι. Το κάτω μέρος της κεφαλής έχει δυνατότητα προκαθορισμένου μήκους,

προεπιλεγμένης κίνησης με το κατέβασμα του μοχλού (3).

Για να στερεωθεί ο βραχίονας πάνω στη βάση του συστήματος του τυμπάνου,

κατασκευάστηκε μια μικρή πλατφόρμα από φύλλο χάλυβα πάχους 0,5mm, που

τοποθετήθηκε πάνω από το ακριανό έδρανο (Σχήμα 19). Η κεφαλή του βραχίονα

περιστράφηκε 1808 από την αρχική της θέση και η βάση της τρυπήθηκε για να πακτωθεί με

βίδες 10mm πάνω στην πλατφόρμα. Στην Εικόνα 16 , φαίνεται η πλατφόρμα, όπως

τοποθετήθηκε πάνω από το έδρανο. Η πλατφόρμα πακτώθηκε πάνω στη βάση του

συστήματος του τυμπάνου με τέσσερις βίδες 10mm. Στις επιφάνειες επαφής πλατφόρμας –

βάσης συστήματος τυμπάνου, τοποθετήθηκαν λεπτά φύλλα φελλού για να απορροφώνται οι

κραδασμοί της συσκευής.

Τέλος, όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο της περιγραφής του κυκλώματος αργού,

πάνω στην κεφαλή του βραχίονα στήριξης του χωνευτηρίου έχει τοποθετηθεί ηλεκτρικός

διακόπτης που ενεργοποιεί την ηλεκτρική βαλβίδα του κυκλώματος.

Σχήμα 18: Σκίτσο της διάταξης στήριξης του χωνευτηρίου(βραχίονα) με χρήση βάσης δραπάνου. Διακρίνονται (1) η κεφαλή, (2) το πόδι, (3) ο μοχλός κατακόρυφης κίνησης της κεφαλής (4) η βάση , (5) υποδοχή της ατράκτου δραπάνου(στην περίπτωσή μας του χωνευτηρίου).

45

Η κατασκευή αυτή είναι αρκετά εργονομική. Έχει δυνατότητα ρύθμισης της θέσης του

χωνευτηρίου μέσα στο πηνίο θέρμανσης καθώς και εύκολης ρύθμισης της θέσης του

χωνευτηρίου σε σχέση με το χάλκινο τύμπανο. Πλεονέκτημα είναι η ευκολία χειρισμού

κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας με χρήση ενός απλού μοχλού (Εικόνα 17).

Αξίζει τέλος να σημειωθεί το ιδιαίτερα χαμηλό κόστος κατασκευής της. Μειονέκτημα της

Εικόνα 17: Άποψη χειρισμού του συστήματος στήριξης του χωνευτηρίου. Διακρίνεται το χωνευτήριο μέσα στο πηνίο. Τα βέλη δείχνουν την κατακόρυφη κίνηση του μοχλού και του χωνευτηρίου.

Σχήμα 19: Σκίτσο της πλατφόρμας στήριξης του συστήματος στήριξης του χωνευτηρίου

Εικόνα 16: Άποψη του βραχίονα στήριξης του χωνευτηρίου και της πλατφόρμας

46

είναι η χειροκίνητη λειτουργία και η αβεβαιότητα μετατοπίσεων, που οφείλεται στην

αβεβαιότητα κίνησης της βάσης του δραπάνου.

5. Παραγωγή άμορφων μεταλλικών ταινιών

5.1 Παραγωγή μητρικού κράματος

Η παραγωγή του μητρικού κράματος είναι ξεχωριστή διαδικασία από την διαδικασία

παραγωγής των ταινιών. Τα βήματα που ακολουθούνται για την παραγωγή μητρικού

κράματος είναι τα εξής:

Επιλογή της ποιοτικής και ποσοτικής σύστασης του κράματος. Τα κραματικά στοιχεία

ζυγίζονται και τοποθετούνται σε κλειστό χωνευτήριο.

Το χωνευτήριο με τα κραματικά στοιχεία προσαρμόζεται στο σύστημα αδρανούς

αερίου, του οποίου η παροχή έχει προεπιλεγεί. Πριν την θέρμανση και τήξη παρέχεται το

αδρανές αέριο για περίπου 15’ για να απομακρυνθεί από το χωνευτήριο το μεγαλύτερο

μέρος του ατμοσφαιρικού αέρα.

Ενεργοποιείται η γεννήτρια και το κράμα θερμαίνεται έχοντας σαν εμπειρικό κριτήριο

τον χρωματισμό και την ρευστότητά του.

Το κράμα αφήνεται να κρυώσει σε αδρανή ατμόσφαιρα για να αποφευχθεί οξείδωσή του

από τον ατμοσφαιρικό αέρα.

5.2 Παραγωγή ταινιών

Η διαδικασία παραγωγής άμορφων μεταλλικών ταινιών, είναι αντίστοιχη με αυτή που

περιγράφεται στη βιβλιογραφία. Τα βασικά βήματα της διαδικασίας, είναι τα εξής:

Επιλέγονται οι παράμετροι του πειράματος: ταχύτητα περιστροφής τυμπάνου, πίεση

εκτόξευσης τήγματος, διάμετρος ακροφυσίου, μήκος κατακόρυφης κίνησης

χωνευτηρίου.

Το μητρικό κράμα τοποθετείται σε χωνευτήριο με ακροφύσιο.

Το χωνευτήριο προσαρμόζεται στο κύκλωμα αδρανούς αερίου και αφήνεται σε χαμηλή

πίεση αργού ώστε να απομακρυνθεί ο μεγαλύτερος όγκος του ατμοσφαιρικού αέρα

Τίθεται σε λειτουργία η γεννήτρια και το κράμα αφήνεται να τηχθεί. Συγχρόνως το

τύμπανο τίθεται σε περιστροφή.

47

Όταν το κράμα τηχθεί έχοντας και εδώ σαν εμπειρικό κριτήριο τον χρωματισμό και την

ρευστότητά του, το χωνευτήριο χαμηλώνει με τη βοήθεια του συστήματος στήριξης.

Ταυτόχρονα ανοίγει η ηλεκτρική βάνα που επιτρέπει σε μεγαλύτερη ποσότητα αργού να

σπρώξει το τήγμα μέσα από το χωνευτήριο.

Το τήγμα προσκρούει πάνω στην κινούμενη επιφάνεια του περιστρεφόμενου τυμπάνου

και εφόσον πληρούνται οι παράμετροι παρασκευής σχηματίζει συνεχή ταινία.

6. Κόστος κατασκευής

Το κόστος κατασκευής της συσκευής παραγωγής άμορφων μαγνητικών υλικών ήταν

σημαντικός παράγοντας στο σχεδιασμό της. Η προσπάθεια εξαρχής, ήταν η χρήση κατά το

δυνατόν απλών κατασκευών και αντικειμένων και ολοκλήρωση της κατασκευής με το

μικρότερο δυνατό κόστος και τη μεγαλύτερη δυνατή αξιοπιστία.

Η γεννήτρια επαγωγικών ρευμάτων συντηρήθηκε με μηδενικό κόστος από το Εργαστήριο.

Το βασικό κόστος κατασκευής της συσκευής ήταν η αγορά του κινητήρα και της φιάλης

αργού και η κατασκευή του συστήματος του τυμπάνου. Τα περιφερειακά συστήματα,

δηλαδή το κύκλωμα αργού και στήριξης του χωνευτηρίου, κατασκευάστηκαν εξ’

ολοκλήρου στο εργαστήριο, με ελάχιστο συνολικό κόστος. Το συνολικό κόστος

κατασκευής της συσκευής έφτασε συνολικά λιγότερο από το ένα έκτο της τιμής αγοράς

μιας γεννήτριας επαγωγικών ρευμάτων.

7. Εξελιξιμότητα της συσκευής

Η συσκευή που κατασκευάστηκε, αποτελεί ένα ολοκληρωμένο σύστημα παραγωγής

άμορφων μεταλλικών ταινιών. Το σύστημα σχεδιάστηκε για παραγωγή σε εργαστηριακή

κλίμακα, με προοπτικές παρασκευής διαφόρων ειδών μεταλλικών ταινιών.

Βασική πρόθεση είναι η τροποποίηση της λειτουργίας της γεννήτριας επαγωγικών

ρευμάτων, παρέμβαση δηλαδή στα παθητικά στοιχεία που ελέγχουν τη συχνότητα

λειτουργίας της, σε τρόπο ώστε να λειτουργεί σε πλήρη ισχύ, καθ’ όλη τη διάρκεια

θέρμανσης με μαγνητικών μεταλλικών κραμάτων.

Μια βασική έλλειψη της συσκευής είναι σύστημα απευθείας μέτρησης και καταγραφής

της θερμοκρασίας του κράματος μέσα στο χωνευτήριο, η οποία μπορεί να γίνει με

θερμοστοιχεία ή οπτικό πυρόμετρο για μεγαλύτερη ακρίβεια. Η μέτρηση της θερμοκρασίας

θα βοηθήσει στην παραμετροποίηση του σχηματισμού άμορφης ταινίας συναρτήσει της

48

θερμοκρασίας του τήγματος και του χρόνου παραμονής του τήγματος στην προεπιλεγμένη

θερμοκρασία.

Πολύ σημαντική για μελλοντικές εφαρμογές είναι η ανάπτυξη συστήματος ελεγχόμενης

ατμόσφαιρας στο περιβάλλον της χύτευσης. Η ελεγχόμενη ατμόσφαιρα μπορεί να

επιτευχθεί με κατασκευή που θα καλύπτει το σύστημα του τυμπάνου, αλλά και με

απλούστερες μεθόδους, όπως π.χ. κουρτίνα αργού.

Μια μελλοντική διάταξη επίσης είναι το υποσύστημα συλλογής ταινιών. Η συνήθης

πρακτική που εφαρμόζεται είναι η χρήση κοινού δοχείου, πλαστικού ή γυάλινου σωλήνα

στη γωνία εκτόξευσης του ribbon και η συλλογή του σε μεταλλικό περιστρεφόμενο

τύμπανο.