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

ное давление, аналогичное гидростатическому давлению. В слое толщиной несколько более А давление быстро растет от нуля на поверхности до величины, характери­ зующейся выражением

(5)

о

В случае взвешенного состояния величина о го пред­ ставляет собой силу, направленную снизу вверх и урав­ новешивающую столб металла высотой /г и сечением в единицу площади. Условие равновесия выражается ‘фор­ мулой

(6)

где у — плотность іметалла;

g — ускорение силы тяжести.

Форімула (6) справедлива для чрезвычайно слабого поля над металлом, когда отсутствует дополнительное общее сжатие металла силами поля. Ниже будет пока­ зано, что такое обжатие практически не существует. Та­ ким образом, металл во взвешенном состоянии находит­ ся в «электромагнитном титле».

Представляет интерес качественное рассмотрение фи­ зических процессов, .происходящих при плавке металла во взвешенном состоянии. На рис. 1,6 представлено рас­

току в проводах. На поверхности расплавленного метал­ ла существуют особые участки 1—4, характеризующие­ ся отсутствием вихревых токов. Это объясняется ослаб­ лением магнитного поля в указанных местах. При ПВС в нижней части образца расплавленного металла обяза­ тельно существуют такие участки практически при лю­ бой конфигурации магнитного поля. Отсутствие вихре­ вых токов в подобных участках исключает появление электромагнитного давления, что должно приводить к вытеканию жидкого металла через эти места, но этого не происходит, так как существующие силы поверхност­ ного натяжения компенсируют ослабление силовой обо­ лочки вблизи точек 1—4. Следует отметить, что эти силы могут уравновесить лишь незначительную часть гидро­ статического давления металла и способствуют удержа­

10

бательной мощностью в цепи индуктора или, другими словами, предельной напряженности поля соответствует предельная высота металла /щ. Второе обусловлено на­ личием минимума .количества жидкого 'металла, .который еще .может находиться во взвешенном состоянии в кап­ леобразной форме, т. е. минимальная высота столба жидкости близка к глубине проникновения /ід= А. Ес­

находится во взвешенном состоянии, если значения вы­

нием частот 500—2500 кГц. Следует лишь отметить, что коэффициент поверхностного натяжения а и глубина проникновения Д зависят от температуры. С ростом тем­ пературы размер критического треугольника уменьша­ ется.

■Кроме рассмотренных .выше особенностей взаимо­ действия высокочастотного магнитного поля и жидкого металла при ЛВС, существует группа явлений, связан­

ле, не является специфическим свойством жидкого сос­

на значение тока, текущего через индуктор, что вызыва­ ет изменение силы, действующей на металл. Указанное иллюстрируется рис. 2,на котором представлена схема

я

12

установки, а также зависимость тока и выталкивающей силы от расстояния между центрами нижнего индуктора и шара три постоянном токе (кривая 1) и при посто­ янной э. д. с. (кривая 2) [17]. При варьировании поло­ жения .йеталлического шара изменяется выталкиваю­ щая сила, что является причиной появления автоколе­ баний, приводящих .к выталкиванию металла из потен­ циальной ямы электромагнитного ноля.

При проведении опытов с шарами из алюминия диа­ метрами 59, 70 и 97 мм, парящими в воздухе, воде и масле, обнаружены следующие особенности их поведе­ ния:

1) устойчивое равновесие относительно .конечных возмущений в іболее вязкой среде, чем воздух;

2)устойчивые незатухающие колебания с неболь­ шой амплитудой постоянной величины (шар диаметром 70 мм в воде);

3)нарастающие колебания с амплитудой, превыша­

ющей размеры индуктора (шары диаметрами 70 и 97 мм

ввоздухе);

4)быстро устанавливающееся устойчивое равнове­

сие (для всех трех типов шаров) ,в масле. Представленный характер явлений не зависит от зна­

чения тока в индукторе (10—30 А) и от степени обжа­ тия шаров магнитным полем.

Устойчивость металла обеспечивается, если центр кривизны поверхности расплава в его стабильном сос­ тоянии лежит вне объема расплава [21 с. 327] или, дру­ гими словами, если металл займет устойчивую остро­ конечную .конфигурацию. Однако это невозможно, так как в острых углах значение лапласовского давления искривленной поверхности жидкости достигло бы бес­ конечности. Наличие в электромагнитном ноле потенци­ альной ямы особой конфигурации, а также относитель­ но большого объема металла вызывает вытягивание нижней части сферы и капля металла приобретает фор­ му груши, висящей черенком вниз [23].

Характерной особенностью жидкого металла при ПВС является интенсивное перемешивание внутри кап­ ли1 [17, с. 607; 24]. Модельное исследование, осуществ­ ленное с жидким .натрием, помещенным в стеклянную

1 М и к е л ь с о и А. Э. Жидкие металлы под действием электро­ магнитных сил взвешивания. Автореф. канд. дис. Рита, 1961.

13

колбу, которая находилась ів. электромагнитном поле (рис. 3), показало существование турбулентного движе­ ния металла внутри колбы [17, с. 607]. При помощи тру­ бок Пито, а также методом фотографирования измери­ ли скорости движения расплава. На рис. 4 и 5 приведе­

рость движения металла возрастала. Устойчивость метал­ ла в значительной мере зависит от скорости его враще­ ния. Это наблюдается обычно при шаровидной форме

Риіс. 4. Вертикальная составляющая скорости движения жид­

кого натрия вдоль оси х при 1=20 А:

I — 50 Гд; 2 — 200 Гц

14

образца и объясняется возникновением компоненты вра­ щающего поля.

Недостаточно выяснено явление качания парящего расплава, которое, возможно, связано с выделением га­ зов из жидкого металла.

Необходимо также учитывать изменение формы ме­ талла, что обычно связано с объемными электромагнит­ ными силами; течение жидкости, вызванное конвекцией; изменение поверхностного натяжения; магнитогидродинамическую неустойчивость и неравномерность нагрева расплава. Эти вопросы будут 'подробно рассмотрены в последующих разделах.

УДЕРЖИВАНИЕ ТВЕРДОГО И ЖИДКОГО МЕТАЛЛА

Основной проблемой ПВО является разработка тео­ рии и практики удерживания жидкого металла в элект­ ромагнитном тигле.

Существенные преимущества ПВО по сравнению с другими способами плавки металлов привели к широко­ му использованию этого метода без достаточного теоре­ тического обоснования. Лишь в последние годы была

15

разработана теоретическая основа метода. Исторически сложилось так, что развитие ПВС .происходило по .пути использования двухвитковых и многовитковых индукто­ ров. Это существенно отразилось на развитии теории. Основной .причиной использования индукторов двух ви­ дов являются различные мощности высокочастотных 'ге­ нераторов, применяемых для ЛВС. Двухвитковые ин­ дукторы требуют повышенной .мощности (25— 100 .кВт), тогда .как .многовитковые способны работать при более низкой (8—'15 кВт).,

металлического образца существует вполне определен­ ный диапазон частот, при котором металл теоретически может быть взвешен в электромагнитном поле. Выбор

16

конкретного значения частоты определяется требуемой температурой образца. Кроме этого, необходимо также учитывать конфигурацию поля, чтобы определить ха­ рактер зависимости подъемной силы от его параметров.

Влияние конфигурации поля видно на примере прос­ тейшего индуктора в виде одиночного витка [7]. Верти­ кальная и горизонтальная составляющие напряженности

Чем меньше Нх/Нѵ, тем большая напряженность по­ ля необходима для удержания образца и тем большая мощность будет передаваться в него. На ряс. 7 показа-

Рис. 7. -Магнитное поле системы из двух проводов с противоположно на- .

ны результаты опытов [7] по определению зависимости мощности, передаваемой в образец, отнесенной к его массе от U2 на индукторе. Очевидно, что при удалении металла от плоскости витков значение HJHy будет сна­

металл, находящийся во взвешенном состоянии, не име­ ет боковой устойчивости. Полученный вывод подтверж­

давления и массы, равенства в особых точках гидроста­ тических и лапласовых сил и равенства, связывающего_______

скин-эффект, круговую частоту и т. д.) и пшове^фрьі Ер№Ц.чцул

ід :у л .;-.;г-л г р

ты по моделированию парения жидкого алюминия на расплавленном натрии. В вытянутом двухвитковом ин­ дукторе с .параллельным, обратным .витком устойчиво удерживали группу капель, которые не сливались вслед­ ствие существования между ними сил отталкивания, что, очевидно, объясняется взаимодействием токов противо­ положного -направления, текущих по торцам капель. Ра­ нее приведенная формула (12) справедлива лишь для идеализированного однородного поля. Для случая взве­ шенного состояния, когда поле неоднородно и металл перемещается в нем, попадая в зоны различной'Конфигу­ рации, в выражение (12) вводят коэффициент А, харак­ теризующий конфигурацию поля, и тогда уравнение (12) приобретает вид:

F=iV-iwAPs-

Справедливость его проверили экспериментально [22, с. 249], приняв, что для использованного индуктора зна­ чение коэффициента А = const. Калориметрически опре­ деляли мощность, подводимую к медным, молибдено­ вым и ниобиевым шарикам диаметром 15 мм при раз­ личных частотах поля с применением одного и того же двухвиткового индуктора с боковыми параллельными витками (тип I). Эту мощность сравнивали с расчетной [21, с. 327]. Полученные результаты приведены в табл.'І [22, с. 249].

Как следует из табл. 1, разница между Роке И Ррасч не превышает 23%, что доказывает достаточную надеж-

Таблица 1

Значение Ртс (числитель) и Ррасч (знаменатель)

для металлических шариков массой 16 г при нагреве во взвешенном состоянии

Мощность* при частоте поля, кГц,

18

ность формулы (12), в которой значения коэффициента А определяются экспериментально для каждого типа индукторов. Укажем, что для индуктора типа I с двумя боковыми параллельными витками значения А изменя­ ются от 0,7 до 0,9, тогда как для двухвитковото индук­ тора с параллельным включением витков (типа II) эти значения изменяются от 0,4 до 0,7. Для д.вухвиткового индуктора с последовательным включением витков (тип III) значения коэффициента А находятся в интервале

0,2—0,7.

Кроме описанных выше зависимостей подъемной си­ лы от частоты и напряженности магнитного поля, а так­ же от его конфигурации существуют специфические условия ограничения выбора частоты поля для удержа­ ния жидкого металла, для которого характерно измене­ ние формы. Ранее было отмечено, что металл во взве­ шенном состоянии располагается в потенциальной яме, в которой обязательно существует хотя бы одна особая

ослабленного поля давление столба жидкого металла

верхней частей металла [27]. Из формулы Лапласа сле­ дует, что разность гидростатических давлений равна:

расплава много больше соответствующего значения для нижней части и, приняв форму нижней части цилиндри­ ческой, получили

19