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Università degli studi di Padova
Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali
Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica
Tesi di Laurea
PROVE SPERIMENTALI CON LA VERSIONE
AGGIORNATA DEL CROGIOLO A LEVITAZIONE
MAGNETICA DEL DTG
Relatore: Ch.mo Prof. Giuseppe Chitarin
Laureando: Meneghetti Federico
Anno Accademico 2014/2015
Sommario
INTRODUZIONE ...................................................................................................................... III
CAPITOLO 1: Nozioni di Elettromagnetismo
1.1 Introduzione ........................................................................................................... 5
1.2 Campo Elettrico ...................................................................................................... 5
1.3 Campo Magnetico .................................................................................................. 6
1.4 Equazioni di Maxwell ............................................................................................. 8
1.5 Correnti Parassite o di Foucault ............................................................................. 9
1.6 Spessore di Penetrazione ..................................................................................... 11
1.7 Effetto Stirring ...................................................................................................... 13
CAPITOLO 2: Descrizione Funzionamento
2.1 Funzionamento Teorico e Pratico ........................................................................ 15
2.2 La Frequenza del Campo Magnetico .................................................................... 17
CAPITOLO 3: Impianto del Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali
3.1 Descrizione dell’Impianto .................................................................................... 19
3.2 Il Crogiolo ............................................................................................................. 19
3.3 Induttore e Alimentatore ..................................................................................... 20
3.4 Circuito Idraulico .................................................................................................. 22
3.5 Circuito Elettrico................................................................................................... 23
3.6 Strumentazione Elettronica ................................................................................. 24
3.7 Camera a Vuoto.................................................................................................... 26
3.8 Pompa Edwards.................................................................................................... 27
CAPITOLO 4: Prove Sperimentali
4.1 Introduzione ......................................................................................................... 29
4.2 Primo Giorno di Prove (15-10-2015) .................................................................... 29
4.3 Analisi Depositi Primo Giorno di Prove ................................................................ 32
4.4 Secondo Giorno di Prove (22-10-2015)................................................................ 35
4.5 Analisi Depositi Secondo Giorno di Prove ............................................................ 39
CAPITOLO 5: Conclusioni ....................................................................................................... 41
BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................ 43
I
II
Introduzione
La tecnologia di fusione in levitazione magnetica (cold-crucible levitation melting) è nata con
l’obiettivo di ottenere leghe metalliche con un elevato grado di purezza.
La fusione del materiale avviene in sospensione, si impedisce in tal modo al metallo di
entrare in contatto con le pareti del crogiolo, evitando così che impurità presenti su
quest’ultimo penetrino nel materiale fuso. Accoppiando inoltre all’impianto una camera per
la messa in vuoto, è possibile purificare il materiale da eventuali gas intrappolati al suo
interno durante i processi di colata tradizionale.
Al DTG (Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali) l’idea di progettare e
costruire un crogiolo a levitazione magnetica è nata con lo scopo di avere uno strumento
flessibile per la sperimentazione di nuovo tecniche di processo su leghe metalliche leggere,
come il degassamento del materiale, la fusione in levitazione, la rimozione delle inclusione, il
rimescolamento elettromagnetico del metallo e la solidificazione in levitazione.
La presente tesi è articolata in 5 capitoli, nei quali verranno prima spiegati i principi
elettromagnetici di funzionamento del crogiolo, successivamente verrà descritto l’impianto
del dipartimento e gli ultimi aggiornamenti apportati, infine verranno descritte le più recenti
prove effettuate con il crogiolo, i risultati le relative conclusione.
L’attività sperimentale svolta per sviluppare questa tesi aveva due scopi principali: 1)
verificare il corretto funzionamento degli ultimi aggiornamenti apportati all’impianto (nuovo
materiale isolante per il sistema di raffreddamento e nuove controfinestre per la camera a
vuoto) 2) esplorare nuove possibilità di processo per l’impianto.
III
IV
Capitolo 1
NOZIONE DI ELETTROMAGNETISMO
1.1 Introduzione:
Con il termine elettromagnetismo si indica la particolare branca della fisica classica avente
come oggetto di studio i fenomeni elettrici e magnetici e la propagazione delle onde
elettromagnetiche.
L'interazione elettromagnetica è responsabile dell'interazione tra oggetti che possiedono
carica elettrica, che sono a loro volta "sorgenti" del campo elettromagnetico che ne
rappresenta l'interazione in ogni punto dello spazio. Tale campo si propaga nello spazio
sotto forma di radiazione elettromagnetica, un fenomeno ondulatorio che non richiede alcun
mezzo materiale per propagarsi e che nel vuoto viaggia alla velocità della luce.
L'elettrodinamica classica è la teoria dei campi elettromagnetici generati da un insieme di
cariche elettriche in moto e formulata secondo i principi della teoria della relatività.
La teoria dell'elettromagnetismo è stata sviluppata a partire dal XIX secolo e nasce
dall'osservazione di una correlazione tra i fenomeni dell'elettricità e del magnetismo, che
prima di allora erano stati scoperti e trattati separatamente.
Autore di questa sintesi è stato il fisico scozzese James Clerk Maxwell (1831-1879), che
attraverso alcune equazioni, scrisse in modo sintetico tutti i possibili fenomeni
elettromagnetici.
Mediante queste equazioni, egli dimostrò nel caso più generale, che un campo elettrico e un
campo magnetico non possono avere esistenze indipendenti e vanno unificate nell’unico
concetto di campo elettromagnetico.
1.2 Campo elettrico
Il campo elettrostatico è un campo di forze conservativo generato nello spazio dalla presenza
di cariche elettriche stazionarie. Il vettore campo elettrico E in un punto è definito come il
rapporto tra la forza elettrica generata dal campo su un oggetto carico e la carica dell'oggetto
stesso:
𝐹
𝑞→0 𝑞
𝐸 = lim
5
Una carica elettrica, o una distribuzione di cariche elettriche, genera attorno a se un campo
elettrico, nel senso che modifica le proprietà dello spazio circostante in modo che una
qualunque altra carica posta nelle vicinanze viene sollecitata da una forza di natura elettrica.
La legge di Coulomb afferma che una carica puntiforme Q posta in un generico punto r’,
genera un campo elettrico, in un punto r, definito dalla seguente espressione:
𝐸(𝑟) =
𝑄 𝑟 − 𝑟′
4𝜋𝜀 ‖𝑟 − 𝑟′‖3
Dove ε è la costante dielettrica caratteristica del materiale in cui si propaga il campo (ε 0 per
il vuoto).
Per rappresentare il campo si utilizzano
delle linee curve, che partono dalle cariche
positive e finiscono sulle cariche negative,
tali che il vettore campo elettrico sia
sempre tangente a queste linee che
vengono dette linee di forza del campo
elettrico.
1.3 Campo magnetico
Il campo magnetico è un campo vettoriale solenoidale generato nello spazio dal moto di una
carica elettrica o da un campo elettrico variabile nel tempo. Il campo magnetico agisce su
oggetti carichi in moto attraverso una forza, detta forza di Lorentz, data da:
𝐹 = 𝑞𝑣̅ × 𝐵̅
dove × indica il prodotto vettoriale, q è la carica elettrica dell'oggetto, 𝒗 è la velocità della
carica e B il vettore campo magnetico.
La forza di Lorentz, quindi, è perpendicolare al campo e alla velocità della carica, e il suo
verso è dato dalla vite destrorsa. In altre parole, una particella che si muove in un campo
6
magnetico con velocità perpendicolare al campo, segue una traiettoria circolare perché la
forza di Lorentz che agisce su di essa è sempre perpendicolare alla sua velocità.
Si consideri un filo percorso da corrente,
questo
semplice
passaggio
di
cariche
elettriche nel corpo produce nello spazio
circostante
un
campo
magnetico.
Immaginando di posizionare nella zona
circostante al filo una bussola, l’ago si
posiziona tangente alle linee di campo.
Nel campo magnetico, la forza magnetica o
forza
di
Lorentz
è
direttamente
proporzionale alla carica elettrica
La legge di Biot-Savart fornisce un'espressione per il campo magnetico prodotto da un filo
rettilineo indefinito, percorso da corrente stazionaria I, in un punto P dello spazio.
Supponendo di essere nel vuoto, il modulo di B è inversamente proporzionale alla distanza
dal filo r secondo l'espressione vettoriale:
𝐵(𝑟) =
𝜇0 𝐼 ̅ × 𝑟̅
2𝜋 |𝑟|
Nei materiali il campo magnetico è dato dalla stessa relazione, avendo cura di sostituire a μ0
(permeabilità magnetica del vuoto) μ = μrμ0 dove μr è una costante adimensionale che
dipende dalle caratteristiche del materiale. Questa costante, chiamata permeabilità magnetica
relativa del mezzo, può essere sia positiva molto maggiore dell'unità (materiali
ferromagnetici), sia leggermente superiore all'unità (materiali paramagnetici) o leggermente
inferiore (materiali diamagnetici).
7
1.4 Equazioni di Maxwell
Le Equazioni di Maxwell sono un sistema di equazioni che, insieme alla forza di Lorentz,
costituiscono le leggi fondamentali che governano l'interazione elettromagnetica. Esse
esprimono l'evoluzione temporale e i vincoli a cui è soggetto il campo elettromagnetico in
relazione alle distribuzioni di carica e corrente elettrica da cui è generato.
Le quattro equazioni mostrano come i campi elettrici dinamici, cioè variabili nel tempo,
sono in grado di generare campi magnetici e viceversa.
Le equazioni di Maxwell raggruppano ed estendono le leggi dell'elettromagnetismo note
fino alla metà del XIX secolo:
Teorema di Gauss per il campo elettrico: Il teorema afferma che il flusso del campo
elettrico attraverso una superficie chiusa dipende solo dalle cariche interne alla
superficie (ρ = densità di carica)
𝜌
∇ ∙ 𝐸 = ⁄𝜀0
Tale relazioni correla l’intensità del campo elettrico e la carica che lo genera e
sottintende l’esistenza di monopoli elettrici.
Teorema di Gauss per il campo magnetico: Anche per il campo magnetico esiste una
legge analoga a quella formulata per il campo elettrico: afferma che il flusso
magnetico attraverso una superficie gaussiana è sempre nullo. Non esistono cariche
magnetiche isolate (non esiste il monopolo magnetico)
∇∙𝐵 = 0
Legge di Faraday - Neumann: Anche conosciuta come legge dell'induzione
elettromagnetica, è una legge fisica che descrive appunto il fenomeno dell'induzione
elettromagnetica, che si verifica quando il flusso di un campo magnetico, variabile
nel tempo, attraverso una superficie delimitata da un circuito elettrico; la legge
impone che nel circuito si generi una forza elettromotrice indotta pari all'opposto
della variazione temporale del flusso
8
∇ × 𝐸 = − 𝜕𝐵⁄𝜕𝑡
Legge di Ampére - Maxwell: Tale legge individua come sorgenti del campo
magnetico le correnti di conduzione e le variazioni del campo elettrico
∇ × 𝐵 = 𝜇0 𝐽 + 𝜀0 𝜕𝐸⁄𝜕𝑡
N.B.: Queste equazioni sono state scritte in riferimento al vuoto, utilizzando perciò
le costanti μ0 e ε0 è possibile applicarle ad un qualsiasi mezzo materiale con le
relative costanti 𝜇 e 𝜀.
1.5 Correnti parassite o di Foucault
Il fenomeno fu scoperto dal fisico francese Jean Bernard Léon Foucault nel 1851.
Le correnti parassite o correnti di Foucault o correnti di eddy (dall'inglese eddy: vortice)
sono delle correnti indotte in masse metalliche conduttrici che si trovano immerse in un
campo magnetico variabile o che attraversano un campo magnetico costante o variabile.
Le correnti parassite sono causate dal movimento (o variazione) del campo magnetico che
attraversa un conduttore. Il moto relativo genera la circolazione di elettroni, cioè corrente,
nel conduttore. Questi elettroni muovendosi in vortici generano a loro volta un campo
magnetico che si oppone alla variazione del campo magnetico applicato. Il fenomeno si
accentua:
-
con l'aumentare del campo magnetico applicato (se sinusoidale con il quadrato
dell'ampiezza)
-
con l'aumentare della conducibilità del conduttore attraversato dal campo
magnetico
-
con l'aumentare della velocità relativa tra campo magnetico e conduttore
-
se il campo magnetico è variabile in modo periodico con l'aumentare della sua
frequenza (se sinusoidale con legge proporzionale al quadrato della frequenza)
Dato che queste correnti si oppongono alla variazione di campo magnetico che le ha
provocate, esse si manifestano soprattutto sulla superficie di qualunque oggetto conduttore
metallico (effetto pelle).
Le correnti parassite portano alla formazione di 2 effetti:
9
-
Termico: le correnti parassite generano perdite di energia riscaldando il
conduttore (Effetto Joule). Questo fenomeno in molte applicazioni risulta
negativo in quanto questa generazione di calore non ha nessun effetto utile, nel
caso del materiale nel crogiolo invece è proprio questo riscaldamento che porta a
fusione il materiale.
-
Meccanico: le correnti parassite come già detto generano un campo magnetico
che si oppone a quello creato dall’esterno. Queste correnti indotte, a loro volta
interagendo con il campo magnetico, producono una forza “di volume” che può
produrre la condizione di levitazione.
Tale forza, dovuta all’interazione tra il campo e le correnti indotte forza di Lorentz, può
essere valutata riscrivendo l’equazione F=JxB, tenendo conto della relazione di AmpereMaxwell:
𝐹̅ =
1
𝐵̅2
̅
̅
̅
̅
𝐵 ∙ ∇𝐵 + ∇
𝜇
2𝜇
Separando i due addendi si ottiene:
𝐹̅𝑟𝑜𝑡 =
1
̅𝐵̅
𝐵̅ ∙ ∇
𝜇
̅
𝐹̅𝑖𝑟𝑟𝑜𝑡 = ∇
𝐵̅2
2𝜇
La forza totale è formata dalla somma di due componenti: la forza rotazionale e la forza
irrotazionale.
𝐹 = 𝐹𝑟𝑜𝑡 + 𝐹𝑖𝑟𝑟𝑜𝑡
In particolare:
Frot : è la componente rotazionale, cioè una forza che dà luogo ad un effetto di
rimescolamento elettromagnetico all’interno del metallo fuso dovuto alla
distribuzione non uniforme delle forze di pressione superficiali;
Firrot : è la componente non rotazionale, cioè la forza che dà luogo ad una
componente repulsiva netta tra il crogiolo e il metallo fuso a causa delle correnti
indotte.
10
1.6 Spessore di penetrazione
L'effetto pelle (in inglese skin effect) è la tendenza di una corrente elettrica alternata a
distribuirsi dentro un conduttore in modo non uniforme: la sua densità è maggiore sulla
superficie ed inferiore all'interno. Questo comporta un aumento della resistenza elettrica del
conduttore, particolarmente alle alte frequenze. In altre parole, una parte del conduttore non
viene utilizzata: è come se non esistesse;
L’analisi dimostra che quando le dimensioni della sezione del conduttore sono molto più
grandi dello spessore effettivo della «pelle» di corrente, la densità di corrente J varia
esponenzialmente diminuendo dalla superficie verso l’interno secondo la relazione:
𝐽(𝑥) = 𝐽0 𝑒 −𝑥⁄𝛿
-
J0 è la densità di corrente alla superficie,
-
x la distanza dalla superficie
-
δ è la profondità di penetrazione o spessore di penetrazione, alla quale la densità
di corrente è uguale a J0/e.
La profondità di penetrazione dipende dal materiale che costituisce il conduttore e dalla
frequenza della corrente, ed è data dalla relazione:
2𝜌
𝜌
𝛿=√
→ 𝛿=√
𝜔𝜇
𝜔𝜇𝑟 𝜇0 𝑓𝜋
-
ρ è la resistività del conduttore
-
ω = 2πf è la frequenza angolare del campo magnetico e della corrente indotta
-
μ è la permeabilità magnetica assoluta del materiale
-
μr permeabilità magnetica relativa del materiale
-
μ0 permeabilità magnetica nel vuoto (𝜇 = 4𝜋10−7 𝐻/𝑚)
11
Lo “Spessore di penetrazione”, chiamato anche
“skin depth”, definisce quindi una sezione che
costituisce una sorta di “corteccia” del pezzo
nel quale si distribuiscono le correnti parassite
indotte.
Dal grafico sottostante viene proposto per alcuni materiali a diverse temperature
l’andamento dello spessore di penetrazione in funzione della frequenza:
Dal grafico è possibile osservare come all’interno dello “skin depth” il campo magnetico
decresce esponenzialmente, dalla superficie fino al suo interno per annullarsi.
12
1.7 L’effetto stirring
Il
funzionamento
crogiolo
ad
magnetica
del
induzione
si
basa
principalmente
sugli
effetti
dalle
prodotti
correnti parassite indotte
nella carica metallica.
Un
aspetto
importante
molto
che
caratterizza la tecnologia
di fusione a crogiolo
freddo è anche la capacità
di rimescolamento della
massa di metallo fuso dovuta alla formazione di vortice a regime turbolento. Questi vortici
sono causati solo dalla componente ROTAZIONALE della forza magnetica.
L’effetto irrotazionale provoca, infatti, un fenomeno di rimescolamento del metallo fuso
chiamato stirring elettromagnetico, tale fenomeno è accentuato dalla distribuzione
disomogenea delle correnti indotte. Un buon effetto di rimescolamento permette di:
-
Migliorare l’omogeneità della composizione della massa fondente e di
conseguenza la qualità del getto finale;
-
Ridurre le inclusioni non metalliche che tendono a spostarsi verso la superficie;
-
Ridurre la porosità del metallo e quindi di migliorare l’uniformità e le
caratteristiche;
I movimenti che si creano all’interno del metallo dovuti alle correnti indotte, sono
direttamente proporzionali allo spessore di parete, introduciamo il parametro Rω, che viene
detto parametro di schermatura, il quale rappresenta l’opposizione prodotta dal materiale alla
penetrazione della corrente.
2
𝑅𝜔 = 𝜇𝜎𝜔𝐿2 ≈ 𝐿 ⁄𝛿
13
Si possono distinguere sostanzialmente 2 casi:
-
Rω>1 la distribuzione delle
correnti è ben distribuita,
l’effetto
efficace,
stirring
lo
è
meno
spessore
di
penetrazione è elevato.
Tipica situazione se lavoro a
basse frequenze
-
Rω>>1
lo
spessore
di
penetrazione è ridotto, l’effetto
stirring è più efficace.
Tipica situazione se lavoro a
alte frequenze
14
Capitolo 2
DESCRIZIONE FUNZIONAMENTO
2.1 Funzionamento teorico e pratico
La tecnica di fusione a crogiolo freddo (CCLM) sfrutta gli effetti delle correnti di Foucault
per portare in levitazione e a fusione il campione. Prima di posizionare il provino all’interno
del crogiolo, si applica sulle pareti della tazza e nel bicchiere sottostante il crogiolo una
soluzione a base di nitruro di boro con la funzione di distaccante, posizionato il campione si
accende l’alimentazione.
La corrente alternata che circola nella spira produce all’interno del campione delle correnti
parassite che, come spiegato prima, producono due effetti: scaldano il materiale per effetto
joule e, interagendo con il campo magnetico creato dalla spira, pongono in levitazione il
materiale confinandolo.
La particolarità di questa tecnologia di fusione è che il crogiolo non ha più la funzione di
contenere il metallo attraverso un vero e proprio contatto fisico, ora ha il compito di
distribuire opportunamente le linee di campo per confinare in levitazione il metallo.
Una grande potenzialità di questa tecnologia è quella di poter solidificare il metallo in
levitazione evitando
Questo processo però risulta molto difficile da realizzare nella pratica in quanto diminuendo
la potenza per poter iniziare il processo di solidificazione si riduce in modo proporzionale
15
l’effetto di levitazione legato alle correnti indotte, rischiando il contatto tra campione e
crogiolo, rendendo possibile una contaminazione.
A causa del gran numero di parametri coinvolti, sia del dispositivo (come la frequenza,
l’intensità di corrente, l’intensità del campo elettromagnetico, ecc.) che del materiale (ad
esempio temperatura, velocità, pressione, conducibilità elettrica, viscosità ecc.), risulta
difficile controllare in maniera precisa la posizione del campione. Bisogna considerare
inoltre che durante il singolo processo alcuni parametri possono variare, ad esempio, molto
semplicemente, la viscosità del materiale
Per aiutare la stabilizzazione del materiale all'interno del crogiolo, si è ipotizzato di
modificare gli avvolgimenti della spira aggiungendone due sulla sommità della tazza, in cui
la corrente, scorrendo nel verso opposto, annulla il campo magnetico in cima al crogiolo.
Con questa particolare configurazione si vuole migliorare la stabilità del metallo durante il
processo, permettendo inoltre, diminuendo progressivamente la potenza, di solidificare il
metallo in levitazione.
Il vantaggio di usare questo tipo di tecnologia garantisce un utilizzo più duraturo del
crogiolo e soprattutto l’assenza di contaminazioni nel metallo dovute, ad esempio, al
contatto con materiali ceramici che vengono normalmente impiegati nelle fusioni
tradizionali.
Un altro vantaggio nell’uso di questa tecnica sta nel poter ottenere per effetto
dell’interazione tra il campo prodotto dalle correnti indotte ed il campo inducente, un forte
rimescolamento interno del fuso senza che sia necessario introdurre altri dispositivi fisici,
ottenendo così una elevata qualità finale del getto sia in termini di raffinazione che di
uniformità.
I vantaggi dell’utilizzo di questa tecnologia sono i seguenti:
-
Alto grado di purezza: grazie ad un forte rimescolamento (stirring
elettromagnetico) e all’assenza di contatto del metallo con elementi
dell’impianto, si ottiene un getto finale di elevata qualità;
-
Raggiungimento di elevati punti di fusione;
-
Assenza di degrado dell’impianto: l’assenza di contatto con elementi
dell’impianto;
-
Nessun materiale nocivo coinvolto nel processo;
-
Sistema di vuoto: con l’implementazione di un sistema di vuoto all’impianto
viene migliorata ulteriormente la qualità del getto finale;
-
Regolazione accurata dei parametri di processo;
16
Affinché sia possibile la levitazione del metallo solido, il campo magnetico dev’essere
sufficientemente intenso da opporsi alla forza di gravità, l’equilibrio viene raggiunto quando
il peso del materiale viene bilanciato dalla distribuzione della pressione magnetica.
Quando la fusione è avvenuta, i meccanismi che regolano il processo sono differenti, la
levitazione dipende dalla distribuzione della pressione magnetica sulla superficie, la quale
deve bilanciare la pressione idrostatica del fuso. L’instabilità del processo si manifesta come
un gocciolamento nella parte sottostante la tazza. In corrispondenza del foro inferiore della
tazza non vi è, per motivi costruttivi, campo magnetico; quindi ciò che impedisce al metallo
fuso di non gocciolare è solamente la tensione superficiale.
2.2 La frequenza del campo magnetico
La frequenza del campo magnetico è di fondamentale importanza perché da essa dipendono
le correnti parassite, gli effetti di riscaldamento, gli effetti di levitazione, e quelli di stirring.
Di conseguenza per ogni processo di fusione abbiamo bisogno della frequenza ottimale per
riuscire a garantire la fusione con questa sistema.
I possibili problemi con frequenza non opportunamente settate sono:
-
Con una frequenza troppo bassa si hanno insufficienti risultati di riscaldamento e
di levitazione;
-
Con frequenze troppo elevate si ha un forte effetto STIRRING;
-
Con frequenze pari a zeri non si hanno nessun effetto indotto, quindi non ho
correnti indotte nella carica;
Esiste
dunque
frequenza
del
un
valore
campo
della
magnetico
ottimale per garantire una corretta
levitazione e contemporaneamente un
accettabile effetto di rimescolamento.
17
18
Capitolo 3
IMPIANTO DEL DIPARTIMENTO di Tecnica e Gestione dei Sistemi
Industriali
3.1 Descrizione dell’impianto:
L’impianto del dipartimento è composto in breve da:
-
Crogiolo in rame raffreddato ad acqua;
-
Circuito elettrico (spira conduttrice, gruppo condensatori, alimentatore, …);
-
Circuito di raffreddamento (scambiatore a piastre, serbatoio acqua, pompa, …);
-
Sistema di vuoto (camera a vuoto, pompa da vuoto)
-
Strumenti di misura e di controllo;
3.2 Il Crogiolo:
Con questo tipo di tecnologia il crogiolo mantiene la sua tipica funzione ovvero, quella di
contenere il metallo durante il processo di fusione, la differenza è che tradizionalmente il
metallo è in contatto con il crogiolo stesso, in
questo caso invece non vi è alcun tipo di
contatto fisico, il contenimento del materiale
avviene in maniera più complessa: il crogiolo
ha la funzione di ridistribuire le linee di campo.
La tazza del crogiolo è realizzata in rame,
suddivisa
in
dieci
spicchi
raffreddati
autonomamente, la spira conduttrice induce
correnti anche all’interno della tazza, queste
distribuiscono al meglio il campo magnetico
generato dalla spira. Se il crogiolo fosse
costituito da un unico pezzo di rame il campo magnetico, generato dalla spira, produrrebbe
correnti indotte solamente nella tazza, schermando così l’interno del crogiolo.
La suddivisione in settori del crogiolo è dunque necessaria per evitare l’effetto schermo del
crogiolo, in questo modo le correnti indotte nei singoli settori sono di entità ridotta e il
campo magnetico viene direzionato all’interno del crogiolo.
La forma del crogiolo e la distribuzione dei conduttori attorno ad esso giocano un ruolo
fondamentale nel controllo della levitazione.
Una configurazione ottima, per risolvere la problematica di un’insufficiente pressione
magnetica alla base della tazza, è quella di una crogiolo dalla forma conica (fig. sopra), con
19
tale configurazione infatti è possibile concentrare gran parte delle forze alla base della
struttura, così da garantire la levitazione.
Se invece utilizzassimo
un crogiolo dal fondo
semisferico, le forze di
levitazione
sarebbero
insufficienti (fig.dx) e
non garantirebbero una
corretta sospensione.
3.3 Induttore e Alimentatore
Gli avvolgimenti dell’impianto sono 14, realizzati in rame e rivestiti con del materiale
isolante chiamato kapton per evitare il contatto, 12 sono avvolti attorno al crogiolo e servono
a creare il campo magnetico, i 2 rimanenti sono posizionati al di sopra della tazza e servono
a stabilizzare il materiale in levitazione.
20
La parte di alimentazione è composta da un inverter, ossia un dispositivo che serve per
generare la tensione a media frequenza (MF)compresa tra 5 e 25 kHz, il quale viene
collegato ad un induttore e ad un trasformatore. Il convertitore MF è formato da:
-
Convertitore AC/DC a ponte di Graetz;
-
Inverte DC/AC che alimenta il circuito ad alta frequenza e la relativa scheda di
comando.
La frequenza di alimentazione è “agganciata” a quella del circuito risonante per
ottimizzare le prestazione del convertitore.
Infine è presente un circuito RC di soppressione delle sovratensioni ed
un’induttanza che assieme all’induttanza dell’avvolgimento del crogiolo ed al
gruppo di condensatori costituisce il circuito risonante.
SEZIONE M.F.
Potenza nominale
20
kW
Tensione nominale M.F.
400
V
Frequenza nominale M.F.
4 ÷ 25
kHz
Campo di regolazione della potenza
5 ÷ 100
%
Rendimento conversione
0,9
VALORI ALIMENTAZIONE
Potenza apparente nominale
36
kVA
Tensione nominale (±10%)
3x400
V
Frequenza (±1%)
50
Hz
Corrente nominale
52
A
Potere d’interruzione
70
kA
Fattore di potenza (a pieno carico)
0,9
21
3.4 Circuito idraulico
Per il corretto funzionamento del sistema è necessario evitare che le spire in cui passa la
corrente e il crogiolo raggiungano temperature che ne causino un danneggiamento. Risulta
dunque evidente la necessità di accoppiare al sistema un impianto di raffreddamento, che
mantenga entro un range di sicurezza le temperature della spira e del crogiolo.
Il raffreddamento della spira è importante, oltre che per mantenere l’impianto in condizioni
di sicurezza, anche per migliorarne le prestazioni, con una corretta asportazione di calore
infatti è possibile lavorare con potenze molte elevate, fino a 30kW.
L’impianto di raffreddamento è composta da due circuiti:
-
Il primo è un circuito chiuso in cui circola l’acqua che raffredda l’intero sistema
(alimentatore, spira e crogiolo), l’accumulo dell’acqua avviene in un serbatoio da
50l.
-
Il secondo invece è collegato alla rete idrica e, tramite uno scambiatore a piastre,
raffredda l’acqua del primo circuito.
CIRCUITO DI RAFFREDDAMENTO
Portata minima di acqua
1.3
m3/h
Pressione min./max. di acqua
3/6
Bar
Min./max. Temperatura acqua
20/30
ᵒC
Massima conducibilità elettrica acqua
200
S/cm
pH
6-8
Come si può vedere dallo schema d’impianto qui sotto l’acqua, messa in circolo da una
pompa centrifuga, viene prima utilizzata per raffreddare l’intero alimentatore poi separata ed
inviata autonomamente alla spira e al crogiolo, viene infine raccolta e raffreddata nello
scambiatore a piastre.
È stato inoltre apportato un aggiornamento al sistema di raffreddamento, per evitare che del
metallo fuso danneggi i tubi di raffreddamento attorno al crogiolo, sono stati avvolti con del
materiale plastico isolante.
22
Il controllo dell’intero impianto avviene attraverso delle termocoppie che misurano la
temperatura dell’acqua in ogni punto del circuito. Tutti i dati vengono campionati e raccolti
da apparecchiature apposite, con lo scopo sia di esaminare il processo, sia di mantenerlo
sotto controllo per motivi di sicurezza.
3.5 Circuito elettrico
Nella figura qui sotto è riportato lo schema dell’impianto elettrico. Il circuito può essere
semplificato in un circuito RLC alimentata da un generatore di tensione in serie con
un’induttanza. Sulla sinistra della figura si può vedere uno schema a blocchi convertitore
IFC, che viene collegato al carico tramite un trasformatore di isolamento 1:1. Il carico
dell’alimentatore è il circuito risonante RLC, in cui l’avvolgimento del crogiolo è
contemporaneamente l’induttanza e la resistenza a cui è collegato il parallelo il gruppo di
condensatori.
La capacità totale del gruppo di condensatori dev’essere tale da ottimizzare la frequenza di
esercizio dell’impianto. Nell’impianto utilizzato durante le nostre prove, per far lavorare il
circuito alla frequenza di 15,7 kHz alla potenza massima di 20kW, si inseriscono tre
condensatori: uno da 21μF e due da3μF.
23
Sul ramo del circuito della spira è presente una sonda Rogowski utilizzata per la misura
della corrente. L’alimentatore fornisce direttamente le misure di potenza, frequenza e
tensione d’esercizio.
3.6 Strumentazione elettronica
Per controllare l’intero processo di fusione è necessario monitorare un gran numero di
parametri: le temperature, la pressione, le tensioni, le correnti, le frequenza e potenza. Gli
strumenti utilizzati sono:
Sistemi di misura interni al convertitore IFC: forniscono una lettura di tensione,
corrente, frequenza e potenza;
-
Sonda Rogowski: Nonostante la sua estrema semplicità costruttiva garantisce
misure ‘pulite’ di correnti sinusoidali anche a frequenze elevate.
Essa è formata da un conduttore avvolto su un nucleo toroidale dielettrico
formando una bobina circolare, il cavo viene poi fatto ripassare internamente alla
bobina.
Il funzionamento della sonda si basa sulla legge di Ampere: sull’avvolgimento
della bobina viene indotta una tensione causata dalla variazione di corrente sulla
spira del crogiolo, questo tipo di sonda è particolarmente adatta per la
misurazione della corrente alternata sinusoidale.
24
La lettura della tensione di Rogowski permette di calcolare poi la corrente tramite
la formula:
𝐼=
𝑉𝑟𝑜𝑔
𝑓∙𝑘
Dove k è il coefficiente di Rogowski (che dipende dalla geometria e dal numero
di spire) e che nel nostro caso vale 2,3*10-6.
È il nucleo dielettrico a garantire la linearità di misure. L’immunità da
interferenza elettromagnetiche dipende molta dalla regolarità della distribuzione
delle spire attorno al nucleo e potrebbe essere migliorata usando una schermatura
esterna.
-
Oscilloscopio a 4 canali 200MHz LeCroy LT224: Misura e rappresenta
graficamente l’andamento della differenza di potenziale tra ciascuno dei canali
d’ingresso e un unico riferimento di terra. Viene usato per misurare la tensione e
la corrente dell’avvolgimento induttore, attraverso apposite sonde.
-
Unità di acquisizione dati Agilent HP34970A: Raccoglie i dati proveniente dalle
sonde e dalla termocoppie e permette, tramite un software di interfaccia, di
inviarli ad un computer per essere monitorati e registrati.
-
Sonda per misura differenziale di tensione: La misura di tensione
dell’avvolgimento viene effettuata con una sonda per misure differenziale di
tensione; il fatto che l’avvolgimento non abbia alcun punto collegato a terra e la
tensione elevata a cui è sottoposto impedisce il collegamento diretto con
l’oscilloscopio. Entrambi i problemi vengono risolti usando differenziale
collegata ai capi dell’induttore. Questa sonda misura la differenza di potenziale
fra i 2 punti del circuito e restituisce in uscita una differenza di potenziale
proporzionale a quella misurata, con riferimento al potenziale di terra.
-
Vacuometro ADIXEN
La corrente dell’avvolgimento induttore viene misurata mediante la sonda Rogowski e
l’oscilloscopio.
Per attenuare i disturbi sulla corrente si utilizza un filtro RC che deve essere calibrato a
seconda del range di frequenza. Per le frequenze utilizzate viene impiegata una resistenza da
100ohm assieme ad un condensatore da 5,6 nF. L’uscita della sonda così filtrata costituisce
uno degli ingressi dell’oscilloscopio.
25
3.7 Camera a vuoto
La camera in acciaio inox è stata realizzata utilizzando flange standard KF e ISO-KF e in
particolare sono presenti:
-
2 flange DN 320 ISO-KF fondo e coperchio della camera;
-
5 flange DN 100 ISO-KF laterali dotate di finestre in vetro per la tenuta del
vuoto, 4 poste attorno alla camera e 1 sulla sommità, all’occorrenza ad una delle
flange laterali si può collegare una pompa turbomolecolare per il vuoto spinto.
-
4 flange DN 50-KF applicate al fondo della camera provviste di flange cieche in
acciaio inox sulle quali vengono realizzati i passanti per i tubi di raffreddamento,
i conduttori di alimentazione, il condotto di misura del vacuometro e il tubo di
connessione alla pompa a vuoto.
La camera a vuoto e provvista di due passanti a tenuta di vuoto per collegare i circuiti esterni
a quelli interni:
-
Passante elettrico ed idraulico 10mm Ø per l’alimentazione della spira.
-
Passante idraulico 10mm Ø per il raffreddamento della tazza in rame posta
all’interno dell’avvolgimento.
Un aggiornamento importante, che è stato apportato alla camera, è l’utilizzo di
controfinestre per evitare che, come in alcune prove effettuate negli anni passati, il metallo
fuso, raggiungendo la pressione di tensione vapore alla temperatura di fusione, condensi
sulle finestre rendendole poi inutilizzabili
I piedini di supporto sono realizzati con una barra filettata inox M12 di lunghezza 200mm.
26
3.8 Pompa EDWARDS
La pompa rotativa da vuoto è una EDWARDS E2M12
Massima Portata 50Hz
14,3 m3/h
Velocità motore elettrico 50Hz
1450 rpm
Vuoto finale senza gas-zavorra (pressione parziale)
2,5*10-4 mBar
Senza gas zavorra (pressione totale)
1*10-3 mBar
Senza riempimento con gas-zavorra (pressione parziale)
3*10-2 mBar
Pressione massima del vapor d’acqua in ingresso
15 mBar
Massima portata di pompaggio vapor d’acqua
0,18 kg/h
Massima pressione d’uscita consentita
0,5 bar relativi
1,5 bar assoluti
27
28
Capitolo 4
PROVE SPERIMENTALI
4.1 Introduzione
Le prove sperimentali condotte in laboratorio non avevano lo scopo di ottenere campioni di
metallo puri. Sono state effettuate per verificare il corretto funzionamento del sistema a
fronte degli aggiornamenti apportati e ricercare nuovi campi di applicazione del sistema.
4.2 Primo giorno di prove (15-10-2015)
Prova 1 (in aria)
La prima prova è stata condotta usando il crogiolo in aria con un campione di Al-Si, lega già
provata in un precedente esperimento; lo scopo della prova era quella di verificare se, dopo
il montaggio, il sistema lavorava correttamente.
Durante la prova è stato inserito all’interno del crogiolo un truciolo proveniente dalla
lavorazione di un pezzo di derivazione aeronautica composto da leghe di Al e Ti per
osservare se il crogiolo era in grado di portarlo a fusione.
f: 15,7 kHz
Pmax: 19,8 kW
E
stato
corretto
verificato
il
funzionamento
dell’impianto.
Dopo essere stato portato
in levitazione, il pezzo ha
iniziato a fondersi, la
potenza dell’impianto è
stata portata alla massima
erogabile ed il pezzo si è
fuso
completamente
(inglobando il truciolo),
si è tuttavia notata la
29
tendenza del materiale a gocciolare, segno che la tensione superficiale del materiale non è
sufficiente da garantire una levitazione stabile.
Prova 2 (in vuoto)
La seconda prova è stata condotta in camera a vuoto con lo stesso campione utilizzato per la
prova precedente, solidificato.
Per velocizzare il processo di degassamento della camera e di conseguenza la messa in
vuoto, la spira è stata accesa ad un livello di potenza minimo (4kW).
Dopo aver raggiunto un valore di vuoto accettabile per la prova (P= 1,6 * 10-2 mBar) la
potenza della spira è stata alzata fino alla levitazione e completa fusione del pezzo.
f: 15,7 kHz
Pmax: 20kW
Trovandosi in condizioni di assenza d'aria, e quindi di un mezzo in grado di asportare calore,
il campione è arrivato a fusione in un tempo inferiore rispetto alla prova precedente
(assumendo inoltre una colorazione molto accesa).
È stata dunque abbassata gradualmente la potenza di alimentazione, riducendo così la
pressione
stato
magnetica
permesso
è
al
materiale di gocciolare
nel bicchiere sottostante
il crogiolo dove si è
successivamente
solidificato e raffreddato.
Terminata la prova la
camera è stata portata
manualmente
alla
pressione atmosferica e
successivamente
smontata.
30
Si è notato subito la presenza di depositi (color nero) su tutte le superfici raffreddate, quindi
sulla spira e sulle pareti del crogiolo, data la loro posizione è stato chiaro che provenivano
dal campione. Considerando che, un fenomeno del genere non si era mai verificato in
precedenza anche con campioni identici a quello utilizzato, si è ritenuto opportuno
analizzare al SEM tali depositi.
31
4.3 Analisi depositi primo giorno di prove
Nelle seguenti immagini è possibile vedere le foto dei depositi al Microscopio Elettronico a
Scansione (SEM) evidenziati prima per differenza di morfologia e poi peso atomico.
Successivamente ne è stata analizzata la composizione.
1
32
2
33
3
I depositi sono stati analizzati e fotografati in differenti punti per una maggiore sicurezza dei
risultati. Fondamentalmente i depositi sono ossidi di Titanio, Silicio e Alluminio; con ogni
probabilità il truciolo inserito nel metallo fuso durante la prima prova ha compromesso la prova
successiva.
34
4.4 Secondo giorno di prove (22-10-2015)
Prova 1
Dopo i risultati dell’analisi al SEM dei depositi, si è deciso di effettuare una prova in camera a
vuoto con un provino di Al-puro.
Inserito il campione nella tazza del crogiolo si è provveduto a montare la camera e a creare il vuoto,
dopo 10 minuti di funzionamento la pompa da vuoto porta la pressione interna ad 1,6 * 10-1 mBar.
La spira, accesa in precedenza al minimo per facilitare il degassamento, viene portata alla massima
potenza, il campione levita e fonde in maniera corretta.
Tensione
Potenza
Frequenza
Tensione M.F.
Tensione
rogowski
Corrente
[kW]
[Hz]
[V]
induttanza [V]
[V]
Induttanza [A]
3,9
14911
86
83
7,48
218,11
15,5
15469
177
174
15,18
426,66
19,6
15628
200
196,5
16,97
472,12
Il metallo fuso, in levitazione,
assume una forma inizialmente
allungata,
tende
poi
ad
avvolgersi in una configurazione
più
compatta
(forma
più
comune). Una volta raggiunta
questa condizione di equilibrio si
abbassa lentamente la potenza, a
5 kW il metallo è colato per più
di
metà,
viene
poi
spenta
l’alimentazione per far colare il
restante.
35
Aperta la camera si osserva, oltre ad una piccola quantità di metallo solidificato attorno al foro
inferiore del crogiolo, la presenza di due segni di neri sulle pareti della tazza: con ogni probabilità il
metallo fuso, a causa della forma
iniziale che aveva assunto, è
entrato in contatto con il crogiolo
depositando del materiale su di
esso. Non sono
stati
riscontrati
altri
effetti
collaterali sul sistema, risulta
chiaro
che
gli
inconveniente
rilevati durante il primo giorno di
prove sono stati causati da una
combinazione tra il provino di AlSi e il truciolo inserito durante i
test.
36
Prova 2
Verificato il corretto funzionamento dell’intero sistema e chiarite le cause dei problemi riscontrati
durante le prove, è stato deciso di sperimentare il funzionamento del sistema per processare i
trucioli di Ti-Al di derivazione aeronautica. L’azienda che ha fornito i trucioli era interessata al
riciclo degli scarti di lavorazione.
Tensione
Potenza
Frequenza
Tensione M.F.
Tensione
rogowski
Corrente
[kW]
[Hz]
[V]
induttanza [V]
[V]
Induttanza [A]
4,2
14624
86,7
7,46
221,79
19,3
15447
197,5
16,66
468,92
Riempito la tazza del crogiolo con i trucioli (foto), la camera stagna è stata montata e si è
provveduto a creare il vuoto, raggiunta la pressione di 1,4 * 10-1 mBar si è accesa la spira.
Accesa la spira non si nota nulla di rilevante fino al raggiungimento dei 17 kW, quando iniziano a
vedersi dei cortocircuiti tra i trucioli che fondono localmente il materiale; aumentando la potenza i
cortocircuiti si fanno più numerosi e stazionari.
Arrivati
alla
massima
potenza non si nota alcuna
levitazione
ne
fusione
apprezzabile,
il
materiale
fonde unicamente nei punti i
cui
avvengono
cortocircuiti;
alcun
dopo
non
risultato
aver
potenza
al
i
dando
evidente,
mantenuto
la
massimo
per
qualche minuto, la prova
viene interrotta; portata la
pressione
al
pari
con
l’atmosfera la camera viene
aperta.
37
Come si poteva osservare
anche
dall’esterno
della
camera, il truciolo non si è
fuso se non, in maniera
parziale, nei punti in cui
c’era
un
passaggio
di
corrente.
Inoltre sull’intera tazza del
crogiolo si possono vedere
residui scuri che in alcuni
punti hanno assunto una
colorazione blu, i depositi
hanno
intaccato
l’intera
camera posandosi oltre che sulla spira anche sui tubi del raffreddamento e sulle controfinestre.
Tali depositi sono stati
analizzati in laboratorio.
38
4.5 Analisi depositi secondo giorno di prove
I depositi sono stati analizzati come in precedenza.
I depositi si sono rivelati essere a base di olii, con ogni probabilità i trucioli, lavorati alle macchine
utensili, erano, per quanto poco, ancora sporchi di olii usati durante la lavorazione.
39
All’interno dei depositi sono stati poi analizzati alcuni frammenti di materiale.
I frammenti all’interno dei residui erano, come si può vedere, a base di zinco e alluminio.
Con ogni probabilità lo Zinco ha raggiunto le condizioni di tensione vapore e si è condensato su
tutte le superfici raffreddate: controfinestre, interno camera e tubi dell’impianto di raffreddamento.
40
Capitolo 5
CONCLUSIONI
La tesi si proponeva di verificare il corretto funzionamento degli aggiornamenti apportati al
sistema, a fronte di problematiche riscontrate durante prove svolte negli anni passati e
esplorare nuove possibilità di applicazione del Crogiolo a Levitazione Magnetica.
Il primo aggiornamento apportato al sistema è stato quale di rivestire i tubi dell’impianto di
raffreddamento attorno al crogiolo con un del materiale plastico isolante; Si voleva in questo
modo proteggere i tubi da possibili gocce di metallo fuso che durante il processo potevano
finire sui tubi di raffreddamento, intaccandoli. Durante le prove non si è mai fortunatamente
verificata una problematica del genere, è stato possibile tuttavia verificare la compatibilità
del materiale in ambiente di vuoto, il materiale infatti non presenta problematiche di
degassamento.
Il secondo aggiornamento apportato era l’utilizzo di controfinestre per salvaguardare
l’integrità delle finestre della camera a vuoto. In passato si è sperimentato l’utilizzo del
crogiolo a levitazione per processare il magnesio, a causa dell’estrema reattività del
magnesio in ambienti ricchi di ossigeno, è stato necessario, per motivi di sicurezza, lavorare
in ambiente di vuoto. Come nel caso dello zinco nell’ultima prova effettuata in questa tesi, il
magnesio è evaporato intaccando l’intera camera e le finestre, che è stato poi necessario
sostituire. Le controfinestre sono state introdotte come elemento ‘sacrificale’ dell’impianto,
per evitare che le finestre della camera, con lo scopo di mantenere il vuoto, venissero
intaccate da depositi. Nell’ultima prova effettuata è risultato evidente come l’introduzione di
questo aggiornamento sia stato necessario e, proprio grazie all’utilizzo delle controfinestre,
si è preservata l’integrità delle finestre della camera.
L’ultima prova effettuata ha infine evidenziato che la tecnologia CCLM non è adatta al
riciclo di trucioli di leghe metalliche leggere. Considerato il ridotto spessore dei trucioli
metallici, la spira con ogni probabilità non è stata in grado di generare correnti indotte
sufficientemente intense da garantire una levitazione e una fusione.
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42
Bibliografia
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