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

торой подъемная сила настолько уменьшается, что ме­ талл касается индуктора.

'В ряде исследований рассмотрены некоторые част­ ные ©опросы удерживания и стабилизации капли метал­ ла при ЛВС. В исследовании [41] на примере индукто­ ров, описанных в работах [17, с. 607; 47], проанализиро­ вана стабильность парения .металла по вертикальной и горизонтальной осям. Математическому описанию сил, появляющихся при ПВС для образцов различной фор­ мы, посвящены работы [42, 43].

Таким образом, условия удержания жидкого метал­ ла в многовитковом индукторе аналогичны условиям, наблюдаемым в двухвитковом. Однако 'существенным различием этих индукторов является вращение образца около вертикальной оси в много®инковом индукторе [14]. Это объясняется появлением вращающего момен­ та за счет горизонтальных сил, образующихся вследст­ вие аксиальной асимметрии индукционной 'катушки. Теория вращения образца при ПВС в одяовитковоім ин­ дукторе наиболее полно разработана в работе [18]. Яв­ ление вращения использовано для создания ультрацент­ рифуг со скоростью вращения до 600 000 оборотов в се­ кунду.

г Проблема удерживания твердого и жидкого метал­ ла при ЛВС ів настоящее время в основном решена. В случае двухвиткового индуктора А. А. Фогелем полу­ чены эмпирические зависимости подъемной силы от частоты поля, его конфигурации и подводимой к метал­ лу 'мощности. Для жидкого металла зафиксированы бо­ лее жесткие органичения, объясняемые формообразова­ нием. Для много®иткового индуктора разобраны два случая конических катушек и показаны также влияние частоты ноля, формы индуктора и конфигурации поля. Объяснено влияние горизонтальных сил на устойчи­ вость капли жидкого металла.

ПОЛУЧЕНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПЛАВА

Наряду с удерживанием жидкого металла большое значение имеет получение и регулирование его темпера­ туры. Для двухвитковых индукторов теоретические ос­ новы и технологические конструкции, обеспечивающие необходимый нагрев образцов, представлены в работах

[22, р, 249, £79; 27, 29,31].

30

Справедливость функциональной зависимости (16), связывающей электромагнитную подъемную силу с мощ­ ностью, поглощаемой металлом при нагреве, доказана экспериментально. В установившемся режиме в вакууме передаваемая в металл мощность равна излучаемой.

•Для большинства металлов хорошо известна температур­ ная зависимость мощности Ps, излучаемой с единицы поверхности (рис. )19) [22, с. 249]. Эту мощность обыч-

Рас. і!9. Зависимость удельной мощности шлученмя от температуры для тугоплавки* металлов

но определяют обратным пересчетом. Из уравнения (46) следует, что обеспечение передачи заданной мощности Ps зависит от следующих факторов: массы металла, по­ верхности образца, частоты поля и коэффициента А. Массу металла, находящегося во взвешенном состоя­ нии, для индуктора типа II молено определить, зная за­ висимость, связывающую минимальную частоту элект-

31

рамагаитного поля, способнаго удержать жидкий ме­ талл ’во .взвешенном состоянии, с высотой столба метал­ ла и его физическими свойствами [см. формулу (21)]. Высоту столба металла замеряли визуально, и она ока­ залась равной 1,8 ом. Результаты расчетов представле­ ны в табл. 3 [34].

шара диаметром 12,7 мм. Наиболее благоприятно положе­

ние, когда — = 2 , но до определенного предела (лункОі

32

тирная кривая). Зависимость коэффициента А от раз­ мера шара, а соответственно, и от его массынезначи­ тельна (рис. 2-1) [27]. Например, в работе [27] показа­ но, что при изменении массы ниобия от 9,5 до 17,5 г три нагреве в индукторе типа II пределы изменения А были незначительными (0,4—0,7). Оказалось так­ же, что коэффициент А мало зависит от агрегат-

А

ного состояния металла. Наиболее подробно исследован индуктор типа I. Перепишем уравнение (16) в следую­ щем виде:

зависимость установившейся температуры от объема об­ разца [37].

Ранее была показана взаимосвязь положения метал­ ла от напряжения на индукторе. На рис. 22 [31] пред­ ставлена экспериментально полученная зависимость тем­ пературы ниобия от напряжения, которая подтвержда-

ет вышесказанные теоретические предположения. Для частот 440, 220 и 70 кГц и объема металла V W = 1,6 и Ѵтах=3,4 юм3 по формуле (26) методам подбора [27] определяли возможные установившиеся температуры в индукторе типа I [31].

Рис. 22. Зависимость стабильной температу­ ры ниобия от напряже­ ния на »ндуікторе и от массы образна при ча­

стоте поля 440 «Гц:

/ — 16 г: 2 — 12 г; S — 8 г

34

Анализ табл. 4 показывает, что для тугоплавких ме­ таллов (Zr, Nb, Mo, Та, W) частота поля, способного удержать металл в жидком состоянии, ниже частоты, требуемой для получения заданной температуры. Поэ­ тому нагрев металла может быть осуществлен другим источником, например, электронным или световым лу­ чом, токами более высокой частоты и т. д. Эти туго­ плавкие металлы могут быть закристаллизованы во взвешенном состоянии [29]. Наоборот, для металлов

Na, Sn, Cd, Pb, Al, Аg, Au, Cu, Ni и Pt минимальная частота fmm всегда больше частоты, необходимой для перегрева металла над точкой плавления. Поэтому сни­ жение температуры может быть достигнуто за счет об­ дува металла инертным газом, уменьшением его массы и т. д.

Форма жидкого образца зависит от степени обжа­ тия іметалла электромагнитным полем, что во многом определяется конфигурацией индуктора. В индукторе типа I предельная высота столба жидкого металла при­ мерно в два раза меньше, чем в индукторе типа II [27]. Однако форма металла в виде бобового зерна в первом случае обеспечивает удержание во взвешенном состоя­ нии такого же объема металла, как и во втором случае, где металл имеет форму волчка. В индукторе типа III объем металла несколько меньше.

Известно [22, с. 279; 27, 49], что коэффициент А ха­ рактеризует степень неоднородности магнитного поля. Установлено, что чем больше неоднородность его, тем меньше величина коэффициента А, которая теоретически может стремиться к нулю, практически же не удается

•получить его меньше 0,2. Неоднородность поля у по­ верхности металла различна, поэтому значение А зави­ сит также от положения металла в индукторе и от раз­ мера и формы образца.

Рассматривая поведение металлического шара в но­ ле системы двухвиткового индуктора типа III, опреде­ лили функциональную зависимость коэффициента А от положения образца [22, с. 279; 27, 49]. На основе дан­ ных табл. 4 все исследованные металлы можно разде­ лить на три группы в соответствии с интервалом фикси­ руемой температуры.

1. Al, Fe, Со, Ni, Cu, Rh, Hf, Ir : Действ>Ал,‘

чем больше значение а, тем больше диапазон изменения температур, а максимальная температура соответствует оптимальному объему металла. На рис. 23 представле­ ны указанные зависимости для W, Та, Mo, Nb и Zr в вакууме и атмосфере гелия. Для /= 4 4 0 «Гц значения t определяли экспериментально, а для других частот пе­ ресчитывали по данным [27]. Из рис. 23 следует, что

Рис. 23. Зависимость изменения температуры тантала, молибдена, ниобия, циркония и вольфрама в индукторе типа II >в вакууме (о), в атмосфере гелия (б) при частотах .поля 440 (/). 220 (2) н 70 кГц

(3)от объема 'металла

взависимости от частоты устанавливается различная температура раоплава и в вакууме температура всегда выше.

Перспективным является получение стабильной тем­ пературы раоплава с использованием двух полей: удер­ живающего и нагревающего [37]. Результаты табл. 4 показывают, что для .металлов группы 1 исключено применение двухчаетотного нагрева, та« как удержива­ ющее поле перегревает эти металлы гораздо выше ^плДля металлов групп 2 и 3 двухчастотный нагрев прак­ тически .возможен.

Для многовиткового индуктора типа III (ом. рис. 13), полагая, что электромагнитное ноле однородно и

36

образец имеет шарообразную форму, вывели следую­ щее уравнение для мощности, передаваемой в металл

[34]:

корректирующая функция, которая характеризует скинэффект.

Зависимость мощности от частоты « размера пробы три х^> 10 описывается более упрощенной формулой

На рис. 14 показана зависимость корректирующей фун­

кции от значения х — [34]. Видно, что Р меньше

зависит от частоты f, чем F. Значит, при термическом равновесии шарообразная проба металла достигает ус­ тановившейся температуры независимо от собственного диаметра, так как для шара Р и 5 пропорциональны г2. Экспериментально это подтверждено на .медных ци­ линдрах разных размеров.

Чрезвычайно важна взаимосвязь .между значениями F и Р. Получение заданной температуры металла дости­ гается либо изменением частоты генератора, либо вы­ бором формы катушки индуктора. Изменение тока в ин­ дукторе не может привести к прямому изменению соот­

и попадает в область с меньшей напряженностью маг­ нитного поля и большим градиентом его. Это означает возможность регулирования температуры лишь в огра­ ниченных пределах. Соотношение Р/F можно получить, если разделить (27) на (23).

Поскольку величина F определяется массой, металла, то рост мощности и, следовательно, температуры зави­

37

сит от F(cc)/G(x). На >рис. 14 представлено это соотно-

р

шение в зависимости от х. При х < 3 отношение—= const.

Рис. 24. Зависимость .мощности (/) и подъемной -силы (2) от рас­ стоянии по оси г для индукторов Л я 25 (см. ряс. 17)

жением пробы .в индукторе по оси z. Таким образом, поглощаемая мощность и температура образца при f = = oon st однозначно зависят от положения пробы в ин­ дукторе. С помощью последнего выражения графически определили относительное изменение мощности Рта

оdH°

~Нг —— для двух ранее описанных индукторов (рис. dz

17, Л и Б). Полученные результаты представлены на рис.

24 [38]. Ход кривых свидетельствует, что для индуктора

Ав интервале расстояний а—бтемпература металла силь­ но зависит от положения пробы, в то время как подъ­

наоборот, и Р и F постоянны при значительно большем удалении от нижнего витка, чем а■—б. Такая форма ин­

38

дуктора очень радио« альна, 'поскольку температура про­ бы ,не зависит от изменения тока и его положения в .ин­ дукторе. Однако щ таком индукторе металл висит не­ устойчиво.

Получение высокой температуры металла при ПВС не имеет принципиальных трудностей. Практически это осуществляют выбором многовишового индуктора, ко­ ническая часть которого раскрыта под малым углом а и поле которого обладает малым градиентом напряжен­ ности. Для получения необходимой величины подъемной силы нужен достаточно большой ток, за счет которого будет осуществляться нагрев металла. В связи с тем, что мощность пропорционально растет с частотой, а подъемная сила значительно меньше зависит от «ее, то для получения более высокой температуры увеличивают частоту поля. В каждом случае частоту поля необходи­

Низкая температура расплава может быть получена при такой частоте и диаметре шарового образца, когда

способами. Первый заключается в подборе такой • фор­ мы индуктора, который обладает сильной зависимостью как отношения PjF, так и F от положения пробы внут­ ри индуктора. Для этого пригоден индуктор, у которого существует возможно большая область линейного уменьшения напряженности поля вдоль оси индуктора. В этом случае Р также зависит линейно от положения пробы. Если увеличить ток, то проба поднимается в верхнюю часть индуктора и ее температура снижается. Второй способ основан на раздельном действии двух индукторов: нижнего — для удержания металла во взвешенном состоянии при наиболее низкой температу­

39