книги из ГПНТБ / Глебовский В.Г. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии

В. Г. ГЛЕБОВСКИЙ . В. Т. БУРЦЕВ

а

ПЛАВКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ВО ВЗВЕШЕННОМ СОСТОЯНИИ

і д

УДК. 669.18.154,9:538.3

Изложены теоретические и экспериментальные данные по при­ менению плавки металлов ңо взвешенном состоянии при различных физико-химических исследованиях. Кратко рассмотрена теория пове­ дения жидкого металла в высокочастотном электромагнитном поле. Даны рекомендации по выбору принципиальных схем установок и электрического оборудования для проведения плавки во взвешенном состоянии. Описано применение этого метода для приготовления чи­ стых по примесям образцов из металлов и .оплавов, очистки их, по­ лучения металлических пленок, определения некоторых физических характеристик жидких расплавов, исследования взаимодействия га­ зов с металлом, изучения распределения элементов в сложных си­ стемах металл—шлак—газ и т. д. Предназначается для широкого круга инженеров и научных работников, занимающихся изучением высокотемпературного поведения металлов. Может быть полезна сту­ дентам и аспирантам металлургических и химико-технологических институтов. Ил. 79. Табл. 25. Список лит.: 159 назв.

ВАДИМ ГЕОРГИЕВИЧ ГЛЕБОВСКИЙ, ВАЛЕНТИН ТРОФИМОВИЧ БУРЦЕВ

ПЛАВКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ВО ВЗВЕШЕННОМ с о с т о я н и и

Редактор издательства Е. К. Полторацкая Художественный редактор Д. В. Орлов Технический редактор Н. В. Сидорова Корректоры Н. И. Шефтель, Л. Ф. Орлова Обложка художника Е. Т. Яковлева

© Издательство «Металлургия», 1974

ОГЛАВЛЕНИЕ

I* Зак. 556

В В Е Д Е Н И Е

Создание .новых неорганических ,материалов, в част­ ности 'металлических, требует совершенствования суще­ ствующих и развития новых 'методов их получения. Но­ вейшие способы плавки (вакуумные дуговая, индукци­ онная и электроннолучевая, электрошлаковая, зонная, плазменная, лазерная и др.) металлов и сплавов способ­ ствуют дальнейшему развитию современного 'материа­ ловедения, обладая при этом известными ограничениями. Нет универсального метода плавки, который полно­ стью удовлетворял 'бы самым разнообразным требова­ ниям ученых и инженеров, занятых указанной пробле­ мой. Поэтому приходится использовать сочетания изве­ стных методов плавки (дуплексы: вакуумная дуговая —

вая— вакуумная дуговая н т . д.). [1]. В этой связи представляет значительный интерес использование но­ вых методов плавки, например, во взвешенном состо­ янии или в индукционных плавильных печах с холодным тиглем [2]. Следует отметить, что, несмотря на .ряд безусловных преимуществ, индукционная плавка с хо­ лодным тиглем пока еще не может быть широко приме­ нена вследствие несовершенных энергетических условий натрева шихты и значительных тепловых потерь.

Плавка ©о взвешенном состоянии в электромагнит­ ном поле (ЛВС), которую также называют плавкой в электромагнитном тигле, бестигельной, левитационной и

70-х годах появились работы [6— 15], свидетельствующие

1 Пат. (Германия) № 422004, 1923.

4

о применении ПВС металлов и сплавов как в лабора­ торном, так и в полупромышленном 'масштабах.

Основное преимущество, которое привлекло к себе внимание исследователей, состояло ® отсутствии контак­ та жидкого металла с огнеупорной футеровкой, что обе­ спечивало ликвидацию одного из сланных источников за­ грязнения металла такой вредной примесью, как, на­ пример, кислород. Это особенно важно для плавки ту­ гоплавких и высокореакционных металлов (Si, Ge, Nb, Zr, Hf, Mo, W, Ti и T. д .). По сравнению с .другими ме­

тодами плавки, которые также обеспечивали отсутствие контакта жидкого металла с тиглем (вакуумная дуго­ вая, электроннолучевая, плазменная и др.) ПВС имеет ряд существенных преимуществ.

1.Регулируемое время пребывания капли металла в жидком состоянии.

2.Контролируемые газовая атмосфера и шлаковая

фаза.

3.Управляемая температура металла (от темпера­ тур плавления до кипения).

4.Возможность использования дополнительного ис­ точника нагрева (электронный, лазерный луч или плаз­

ма).

5. Энергичное перемешивание металла силами элект­ ромагнитного поля.

6.Возможность введения легирующих присадок в жидкую каплю.

7.Благоприятное соотношение между поверхностью капли и ее объемом для прохождения гетерогенных ре­ акций.

8.Достижение чрезвычайно высоких скоростей крис­ таллизации вплоть до ІО5— 106°С/с.

При дальнейшем развитии метода ПВС будут, оче­ видно, обнаружены другие преимущества этого перспек­ тивного способа.

К существенным недостаткам метода следует отнести малую массу металла, не превышающую нескольких де­ сятков грамм. По всей вероятности, 'благодаря интен­ сивному развитию современного высокочастотного электропенераторостроения эта трудность со временем бу­ дет преодолена и объем жидкого металла при ПВС-бу­ дет значительно увеличен.

■Существенным недостатком метода ПВС является и отсутствие научно обоснованных 'методик расчета ис­

5

Г л а в а 1

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАВКИ ВО ВЗВЕШЕННОМ СОСТОЯНИИ

ЖИДКИЙ МЕТАЛЛ, ПАРЯЩИЙ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

должна быть чрезвычайно большой, например, для под­ вешивания медного шарика диаметром '1 -ом в вакууме следует создавать напряженность в несколько сот ты­ сяч эрстед, а диаметр потенциальной ямы должен быть равным примерно 2 ом. Одновременное выполнение обо­ их условий практически трудно осуществимо, поэтому целесообразно использовать высокочастотное электро­ магнитное поле.

Взаимодействие высокочастотного магнитного поля с -металлом приводит к возникновению в последнем вих­ ревых токов, -которые вытесняют -поле из занимаемого металлом пространства или, иными словами, поле внут­ ри металла ослабляется вихревыми токами. Вследствие этого в переменном -магнитном поле неферромашитный проводник ведет себя подобно диамагнетику в постоян­ ном. Благодаря силовому взаимодействию вихревых то­ ков и поля металл выталкивается из зоны с большей плотностью поля в область с меньшей плотностью, т. е. в потенциальную яму. Если указанные силы достаточно велики, то металл может быть поднят вверх несмотря на действие сил тяжести и удержан в пространстве во взвешенном состоянии.

На рис. Іа -представлена простейшая схема поля -ин­ дукторной системы, состоящей из трех .параллельных проводо-в [16]. -По верхним проводам текут токи одного направления, поэтому в области (между ними ноле сла­ бее, чем вокруг .каждого. Особенно сильное поле созда­ ется вблизи -нижнего -провода, по -которому течет ток об­ ратного направления.

7

Взаимодействие гармонического -поля С вихревыми

токами может быть выражено формулой

ности; Во— амплитуда индукции у самой поверх­

ности.

Тогда среднее значение объемной плотности сил на расстоянии X от поверхности равно

где Н0— амплитуда напряженности поля на поверхно­ сти металла;

А= V1|1Lш-’

ш— круговая частота;

р— удельное электросопротивление металла.

Из формулы (4) следует, что объемная плотность сил ßx имеет наибольшее значение у поверхности и убы­ вает по глубине поверхностного слоя. Таким образам, объемные силы создают внутри металла электрбмапнит-

9