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

На рис. 8 изображена схема индуктора типа II и капли металла [28], где характеристическим размером яівляется радиус нижней части металла (г). Очевидно,

Рис. 8. Поперечный разрез ин­

ныft радиус ‘кривизны поверх­ ности .нижней части -металла)

Д, то действие поля ослабевает и может равняться ну­ лю, поэтому металл находится во взвешенном состоянии только при условии, что

20

*Наличие пленки на металле.

**При повышенном напряжении на индукторе.

которых металлы .находятся во взвешешіом состоя-нии, будучи как твердыми, так и жидкими [29]. Использо­ вание индуктора типа I при выбранной частоте и кон­ фигурации электромагнитного поля .выявило также не­ обходимость изучения взаимосвязи (напряжения, прило­ женного к индуктору, и поведения жидкого металла при ПВіС. Опытным путем зафиксировали опускание капли расплава при уменьшении напряжения. При достиже­ нии некоторого значения U .металл начинал вытекать из индуктора. Управление выпуском реализуется за счет увеличения области 'ослабленного поля с сохранением напряженности магнитной составляющей поля, необхо­ димой для удержания основной части металла, что может быть приравнено к удержанию твердого металла. Экс­ периментально [31] определено, что в индукторе типа I (см. рис. 27) существуют три зоны электромагнитного поля. В первой зоне твердый металл висит, а жидкий

21

сливается независимо от капиллярной постоянной в со­ ответствии с эмпирической формулой

Во второй зоне жидкий металл висит неустойчиво (чему соответствует С/гк); степень его устойчивости зави­ сит от объема металла и не зависит от .капиллярной по­ стоянной. В третьей зоне — область положения металла в индукторе при существовании зависимости от объема. Это иллюстрируется рис. 10, где представлена область

ИЯ6 и 2 к= У шах

устойчивого взвешенного 'состояния жидкого металла. Видно, что оптимальный объем металла составляет 1,5—3 ом3. На рис. И приведены значения коэффициен­ та А для индуктора типа I. Для объема 2—3 ом3 значе­ ния А находятся в пределах 0,3—0,6, что несколько ии-

22

же указанных ранее. На аналогичных зависимостях для индуктора типа II [32] было показано, что при дости­ жении напряжения на индукторе, ранного U2K, капля жидкого металла с капиллярной постоянной а<0,7б ом перемещается .полам и зазор между витками, а капля со значением а > 0,75 ом вытесняется выше верхнего вит­ ка. На рис. 12 [32] показана область устойчивого паре­ ния жидких Mo, Nb и AI между UUl и t/2K. Эта область зависит от физических свойств металла. Из представлен-

Р-нс. 12. Обла-спн -устойчивого -парения жидких тантала, циркония, мо­ либдена, ниобия _и_ алюминия в индукторе типа II, ограниченные пря­

мыми C/j к/ У Уж и к/ У у ж в зависимоста от объема металлов

наго следует, что іс уменьшением значения а -снижается диапазон допустимого изменения напряжения, обеспечи­ вающего устойчивое парение расплава, а также умень­ шается максимальный допустимый объем металла. Вза­ имодействие твердого сверхпроводника с магнитным полем катушек индуктора типа II при-гелиевыхтемпера­ турах подчиняется всем основным -закономерностям, опи­ санным выше, за исключением нагрева образца [33]. Таким образом, хотя условия удержания жидкого ме­ талла во взвешенном состоянии для двухвитковых индукторов выяснены не полностью, хорошо определе­ ны зависимости от частоты, напряжения на индукторе и от конфигурации поля.

Наряду с д-вухвитковыми индуктора-ми широкое рас­ пространение при ПВС получили многовитковые индук­ торы. В основном используют индукторы, аналогичные описанным ранее катушка-м типа III, причем прямые витки обычно -выполняют в виде конической корзины, а обратные — -в виде тороида. Экспериментальное оформ-

23

\

Рис. м. Зависимость функ­

тура. Тогда сила, 'возникающая между двумя кольцами с током, Fz= —Ir I2(dLlj2/dz), описывается формулой

24

корректирующая функция, [которая характеризует скинэффект, и х = г /Д.

Из уравнения (23) выведены некоторые частичные зависимости, объясняющие условия удержания взвешен­ ного іметалла при выбранной температуре, а также свя­ зывающие электромагнитную подъемную силу с часто­ той поля и током индуктора, размером и формой образ­ ца, а также с конструкцией катушки.

[Влияние частоты и физических свойств жидкого ме­ талла иллюстрируется данными рис. 14, на котором изображены две различные области изменения коррек­

второй области, так как при достаточно высокой частоте значение F не зависит от частоты, удельного сопротив­ ления и температуры металла. Подъемная сила для ша­ рового образца пропорциональна значению г3, поэтому отношение F/V, где V — объем шара, при различных диаметрах пробы постоянно, или, другими словами, для одного и того же металла образцы различного диаметра находятся во взвешенном состоянии в одном и том же месте индуктора. Этот вывод подтверждается данными,

одновитковоім индукторе с радиусом 24 мм. При форме пробы, отличной от шара, сила F в основном зависит от наибольшего размера образца. На рис. 16 [34] пред­ ставлены результаты измерений подъемной силы в ана­ логичном индукторе для шаров, цилиндрического и кап-

25

леобразного образцов из меди. Разброс данных по срав­ нению с теоретическими значениями не превышает 20% • Значения корректирующей функции G(х) располагаются в области I, если значения Д имеют тот же 'по­ рядок, что и г. В связи с этим относительные изменения массы образца находятся .в сильной зависимости от час­ тоты поля, размера пробы, а также удельного сопротив­ ления, что свидетельствует о малой пригодности этих условий (область /) для удержания жидкого металла.

Форма индуктора и конфигурация поля играют су­ щественную роль в создании силы F, направленной вер­ тикально вдоль оси катушки индуктора. Обычно напря­ женность магнитного поля определяют графическим ме­ тодом [45], а зависимость от тока и формы катушки оп­ ределяют с учетом аддитивного влияния каждого витка.

работе [46] .изучали подобные характеристики индукто­ ра, показанного на рис. 13, и вывели эмпирическое пра­ вило, что подъемная сила пропорциональна квадрату числа витков индуктора и связана с диаметром наимень­ шего витка индуктора выражением Fd?’6= const. Влия-

26

ние конструкции индуктора типа III на его параметры

нальной, так как она обеспечивает получение .меньшего интервала изменения F при значительных изменениях расстояния г. В индукторе Б металл висит более неус­ тойчиво.

Ранее было показано существование горизонтальных сил в поле, характеризующих .стабильность положения капли при ЛВС. Графически, методом .построения линий

27

Рис. 17. Зависимость характеристик поля и лодъемноіі силы от расстояния * для двух индукторов Л и Б:

28

магнитного потока Ф, определяют влияние этих горизон­ тальных сил -на положение капли .металла. Поскольку общая магнитная индукция катушки не аддитивна со­ ответствующим значениям .витков, то обычно исследует­ ся векторная диаграмма всего индуктора. В полях ин­ дуктора, являющегося телом .вращения, .вектор магнит­ ной .индукции В .параллелен ср — направлению .вращения

определяют матнитный ноток индуктора. На .рис. 18 представлены указанные зависимости для индукторов, изображенных ранее (рис. 17). Цифра у кривых харак­ теризует магнитный поток [см. уравнение (25)] в отно­ сительных единицах, что позволяет оценить .наиряжен-

Рсостояние поfr,см

насть -маігнит-ного 'іюля, а также .местные лондэрмоторные силы. Видно, что в катушке индуктора А вследст­ вие более резкого .изменения маиннтного потока, гори­ зонтальные стабилизирующие силы гораздо более зна­ чительны, чем в катушке Б. Это приводит к тому, что в последнем случае образцы меньшей массы вследствие колебаний в индукторе выбрасываются в область, в ко­

29