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

ре, и верхнего — только для нагрева с регулированием тока и частоты.

Отметим, что «а основе описанного выше полуэмпирического метода выбора установившейся температуры металла основными средствами для осуществления это­

Ar, N2, Не, Н2 и их смесями позволяет изменять темпе­ ратуру железа от 1300 до 2300°С. Дополнительное регу­ лирование осуществляют изменением тока от 70 до 140 А (рис. 25) [40].

В заключение можно констатировать, что при ПВС можно достигать необходимую температуру металла, а также можно ее регулировать. Для двухвиткового ин­ дуктора это осуществляют главным образом изменени­ ем параметров электромагнитного поля, что не всегда удобно. Для многовитковых индукторов достижение и регулирование температуры производят либо первым путем, либо выбором формы катушки, что не предстаів"- ляет значительных трудностей. В обоих случаях исполь­ зуют газовые смеси.

40

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО НАГРЕВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕОБХОДИМОЙ УСТАНОВИВШЕЙСЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Для получения заданной стабильной температуры можно использовать двухчастотный нагрев, охлаждаю­ щие газовые смеси, а также другие источники нагрева (электронный луч, световой луч ксеноновой лампы ■сверхвысокого давления, лазерный луч, электромагнит­ ный луч с частотой, соответствующей сантиметровому или миллиметровому диапазону длин волн).

■Как видно из таібл. 4, существуют тугоплавкие ме­ таллы (группа 3), которые в условиях эксперимента [31] парили в индукторе, но не были расплавлены. По­

венный метод нагрева находит применение еще и вслед­ ствие очень низкого к. п. д. индукционного нагрева, что

160 кВт в количестве 28 г

виндукторе типа II (табл.

8). На рис. 26 представле­

ны экспериментально оп­ ределенные температуры металла в зависимости от их массы (10—28 г) и на­ пряжения (40—90 В) на индукторе. Очевидно, что увеличение массы об­

разца не .может привести к значительному росту

ром. При этом усложняется охлаждение индуктора во-

41

дой и значительно возрастает напряжение (до 300 В). Стрелкой на рис. 26 показан рост температуры метал­ ла после натрѳва его электронным лучом (~3700О|С). Излучаемая мощность возрастает до 3,4 кВт, т. е. до­ полнительно передается 1,7 кВт, что «составляет 68% от о«бщей «мощности электроннолучевой установки (2,5 кВт).

Аналогичные результаты получены при плавке нио­

Тем«пература металла составляла 2100°С, что в пересче­ те на «поглощаемую мощность составляет 0,5 кВт, или 2% «мощности, потребляемой генератором. Электронным лучом металл был нагрет до «плавления ~2415°С, а мощность при этом составляла «1,2 кВт. Поверхность металла излучала ~ И «кВт. Значит электронный луч до­ полнительно передал не «менее 0,5 кВт, или 40% мощно­ сти, потребляемой электроннолучевой установ«кой.

«Плавку ниобия без дополнительного «нагрева осуще­ ствляют в индукторе того же типа, используя генератор мощно'стыо 60 кВт, частотой 440 кГц и напряжением на индукторе 160 В. Таким образом, описанный выше «на­ грев позволяет снизить мощность генератора с 60—55 до 25 кВт и напряжение с 160— 180 до 30 В.

Дополнительный нагрев применяют также в особых специфических случаях, например, «при плавке кремтшя. Известно, что у чистого кремния чрезвычайно большое электросопротивле«ние, поэтому нр«и обычных частотах («по'рядка сотен килогерц) и «мощности (десятки кило­ ватт) он «не может находиться во взвешенном состоянии. С ростом температуры электросопротивление его пада­ ет, особенно резко при температуре плавления, и по­ этому для плавления «кремния во взвешенном состоянии его необходимо нагреть в печи «сопротивления или элек­ тронным лучом. Если частота поля тори .плавке крем­ ния составляет около 200 «кГц, образец должен быть на­ грет до 1000°С, а при частотах 70—80 «кГц— до 1400°С.

Двух'частотньтй нагрев исследован менее подробно1. Опыты проводили на «воздухе «с алюминием. Индуктор ■для удерживания металла «был подключен к маши«ніно«му генератору с частотой 8 кГц. а индуктор для нагрева — от лампового генератора с f= 4 4 0 кГц. Испытали «пять

1 С и д о р о в а Т. А. Получение заданной установившейся тем­ пературы «металла, удерживаемого электромагнитным полем. Автореф. канд. дне. Ленинград, 1967.

42

различных двухвитковых индукторов, создающих двух­ частотное поле. Наиболее рациональными оказались: ин­ дуктор типа I (удерживание) — одиночный виток, по­ мещенный над основным (нагрев); индуктор типа II— одиночный виток, помещенный между витками основно­ го; индуктор типа III — одиночный виток, помещенный над основным индуктором. Таким образом, хотя 'допол­ нительный нагрев и дает ряд преимуществ, в настоящее время при ПВС его используют редко вследствие кон­ структивных сложностей.

'Сведения, изложенные в .гл. I, о поведении металла при ПВС о развитием .метода будут пополняться, одна­ ко и сейчас их достаточно для обоснованного выбора технологииеокого оборудоваіния.

Г л а в а 2

ПАРАМЕТРЫ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПВС

ВЫБОР ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

В СССР выпускаются высокочастотные ламповые ге­ нераторы мощностью от 0,25 до 400 кВт и с частотой от 66 кГц до 2375 МГц [26, с. 5]. Ламповые генераторы делятся на две категории:

1)для индукционного нагрева проводящих материа­ лов в электромагнитном поле индуктора;

2)для нагрева диэлектрических материалов в элек­ трическом поле рабочего конденсатора.

Вэтом разделе будут рассмотрены характеристики генераторов первой категории, которые выпускаются или намечены к выпуску отечественной промышленностью. Установки типа ВЧИ-63/0,44 ЗП представляют новую серию приборов при частоте 440 кГц мощностью 10, 25

и63 кВт (табл. 5) [26, с. 5]. Условно по мощности все названные генераторы можно разделить на три группы:

•первая — мощностью 10— 13, вторая 25—63 и третья 1О0 кВт и выше. Генераторы первой группы типа ЛЗ-ІЗ и ВЧИ-10/0,44-ПТ имеют одноконтурную схему и снаб­ жены неуправляемым выпрямителем, .собранным на ше­ сти тиратронах по трехфазной двухполупериодной схеме. Генераторы второй и третьей .групп собраны .по двухкоя-

43

Т а б л и ц а 5

Характеристика высокочастотных ламповых генераторов для индукционного нагрева и плавления

(перемещением 'короткозамкнутой катушки индуктивно­ сти анодного контура. Выпрямитель этих генераторов управляется и питается стабилизированным напряжени­ ем. Выпрямитель собран на семи тиратронах по трех­ фазной полупериодной системе с нулевым вентилем. Подробное описание схем ламповых генераторов и пара­ метров систем колебательных контуров приведено в специальной литературе [26, с. 23, 33, 44, 53]. Там же представлено общее рассмотрение влияния нагреваемого материала на параметры индукторов и осуществлено определение оптимальных размеров катушек шадуктив-

44

ностіі На высоких частотах. Для двухвитковых индукто­ ров разработаны две 'методики экспериментального под- 'бора высокочастотных генераторов. Первая методика состоит о определении частоты .генератора при условии, ■что известны коэффициент А индуктора и мощность, ко­ торую необходимо подвести к заданному объему металла для нагрева его до определенной температуры. Вторая методика состоит в том, что, задаваясь часто­ той поля, определяют тип индуктора (коэффициент А) и массу металла. Однако следует учесть, что при работе с двухвиткоівьш индуктором в полях различной частоты с изменением f и у изменяется напряжение на индукто­ ре. Это выражается в следующем виде:

U'=U'VW$-

определить зависимость между температурой металла и коэффициентом А. Использовали генератор іс частотой 260 кГц и двухвиткоівый индуктор с неизвестным значе­ нием коэффициента А. Масса шарового образца 12,9 г, нагрев проводили в вакууме. Зная t и определив Ps, рассчитывали значения А по формуле (26). Результаты приведены в табл. 6 [27].

Из табл. 6 следует, что расчетные температуры всег­ да >1900°С. Необходимую температуру можно получить следующим образом. Во-первых, изменить частоту поля, например, уменьшить. При частоте 70 кГц по формуле (16) нужная мощность может быть обеспечена при А — ='0,5, т. е. в том же самом индукторе (см. табл. 6). Вовторых, сохранив частоту постоянной, подобрать индук­ тор с другим значением А. Для частоты 260 кГц Л = =0,95, что соответствует индуктору типа I. В-третьих, изменить f и А. При частоте 440 кГц А = 1,25, но ввидѵ

дет получена при массе образца ~ 3 г.

45

По первой методике осуществляют подбор 'генерато­ ра и для плавки іво взвешенном состоянии. В качестве ■примера приведем аналогичный расчет для жидких 'мо­

температуру, находим, что интервал изменения А со­ ставляет 0,4—0,5. Для молибдена и никеля принимаем объем, равный 1,1 см3. Рассчитаем / и А, обеспечиваю­ щие получение температуры, 'близкой к температуре плавления. Результаты приведены в табл. 7 [27].

Уже отмечалось, что для индуктора типа II значе­ ния А изменяются от 0,4 до 0,7, поэтому для молибдена пригодны частоты 260 и 440 кГц, а для никеля 8— 70 кГц. По формуле (21) определяем /ты. которые ока­ зались равными для молибдена 40 кГц и .никеля 50 кГц. Следовательно, окончательно выбираем для /мо=260-^- -Н40 кГц и /N1=70 кГц.

Аналогично были рассчитаны частоты, обеспечиваю­ щие условия удержания различных металлов, достиже­ ния температур, близких к температурам плавления, а также необходимые мощности с учетом выпускаемых промышленностью высокочастотных генераторов. Были выбраны индукторы типов I и II с напряжением на их вводах, полученным пересчетом экспериментальных ре-

46

47

коэффициент А для передачи необходимой мощности в

ны результаты опытов по зависимости f=cp(t) для мед­ ного шарика диаметром 20 мм в многовитковом индук­ торе типа III (табл. 9) [38].

Видно, что для осуществления взвешенного состоя­ ния необходимы частоты 10—270 кГц и ток 200 А. Прак­ тически для выбора частоты можно воспользоваться данными табл. 8, а необходимую массу металла и тем­

48

КОНСТРУКЦИИ ИНДУКТОРОВ

Индуктор и нагреваемое металлическое тело, поме­ щенное в него, составляют единую электромагнитную систему, подобную трансформатору в режиме .коротко­ го замыкания [50]. Однако в трансформаторе четко разделены функции его частей: электрический ток про­ ходит по обмоткам, магнитный поток — по малнитопроводу. В 'противоположность этому поверхностный слой нагреваемого образца одновременно является и вторич­ ной электрической обмоткой и частью магнитоироівода. Поэтому в общем случае при вычислении параметров индуктора необходимо учитывать не только магнитный поток, проходящий в зазоре, но и поток ів металле. Кро­ ме того, рассмотрение осложняется также и тем, что значения р и ц в разных точках сечения нагреваемого металла различны я меняются в течение времени. В ис­ следовании [50] подробно рассмотрен процесс нагрева (холодный, промежуточный, горячий режимы), а также представлены принятые допущения для упрощения вза­ имосвязи ц и р для последующего расчета (р-ц = = const). Значения р. определяют как функцию напря­ женности магнитного поля на границе раздела, пользу­ ясь кривой намагничивания. Ввиду того, что напряжен­ ность магнитного поля зависит от удельной мощности в

Авторы [50] осуществили общий расчет индуктора, причем необходимые соотношения они получили из ре­ шения уравнения электромагнитного поля применитель­ но к распространению электромагнитной энергии внут­ ри плоского проводника бесконечной толщины. Там же представлен пример расчета одновиткового закалочного цилиндрического индуктора, с помощью которого мож­ но определить диаметр индуктора и его ширину, напря­ жение и ток, коэффициент мощности к. п. д. индукто­ ра и .мощность, подводимую к нему. Однако воспользо­ ваться указанным расчетом для определения парамет­ ров индукторов для ПВС нельзя, так как в нем не учи­ тывается главное отличие ПВС от известных методов нагрева — существование силы, поддерживающей ме­ таллический образец в твердом и жидком состояниях.

В связи с этим самой важной и необходимой особен­ ностью ПВС является использование специальных ин-

49