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

экспериментальную «практику ПВС двухвитковых индук­ торов и, в частности, индуктора «лодочка», состоящего из двух боковых параллельно включенных витков (тип I). Схема индуктора представлена на рис. 27. Верти­ кальные изгибы профилированной медной трубки сдела­ ны для устойчивого парения образца. Одним из важ-

с

с

Рис. 27. Схема индуктора типа I (а) и зависимость мощности, пере­ даваемой в образец от напряжения на индукторе (б); h — расстоя­ ние от центра образца до верхней плоскости пимсней части витка), «частота поля / =200 і»Гц

ных рабочих параметров двухвнтковых индукторов яв­ ляется зависимость между мощностью, отнесенной «к массе металла, и квадратом амплитуды напряженности

второго, свидетельствующих об ограничении устойчивос­ ти металла в нижнем иверхнем положениях. Эксперимен­ тально показано, что вытекание металла из индуктора типа I подчиняется уравнению (22) независимо от его физических свойств и объема, хотя . металл объемом < 2 ом3 при напряжении < Е/щ висит неустойчиво. Та­ ким образом, индуктор типа I обладает рядом преиму­ ществ: его размеры относительно малы; поле симметрич­ ное; разность потенциалов минимальная; дно индукто­ ра находится под одним и тем же потенциалом, масса

50

образца .наибольшая. Ио ему присущи « недостатки: трудности изготовления (іпрофилирова-нная 'медная трубка); повышенная .мощность генератора вследствие низкого к. іп. д.; максимально достижимая температура расплавленного металла всегда ниже, чем в индукторах типа II и III; необходимость расположения индуктора внутри реакционной камеры. Двухвитковые индукторы типов II и III значительно отличаются по своим харак­ теристикам от индуктора типа I. Конструкции их при­ ведены на рис. 28, 29. Значения Р/G в зависимости от U2 в обоих случаях монотонно растут при увеличении мощности, подводимой к индуктору (рис. 28, 29) [7]. Более высокая температура металла достигается в ре­ зультате большего обжатия образца полем. Вместе с тем это приводит к увеличению гидростатического дав­ ления в металле и парению меньшего количества ме­ талла по сравнению с индуктором типа I.

Рис. 29. Схема индуктора типа III (а) н зависимость мощности, передаваемой в образец, от напряжения на индуктореСб,); рас­ стояние от центра образца до плоскости нижнего витка постоян­ но, частота f =-200 мГц

51

Индуктор тиіпа И имеет следующие характерные осо­ бенности :

1)максимальная разность потенциалов между вво­ дами ниже, чем в индукторе типа III;

2)дно индуктора не эквипотенциально, хотя низкое напряжение на нижнем витке и большое сопротивление контакта между индуктором и образцом 'исключает приваривание расплава;

3)большие потери в токоіподводах, чем в индукторе

типа III;

4) предельная температура металла при плавке всег­ да меньше, чем в индукторе типа III.

Для индуктора типа III справедлива характеристика индуктора типа II с тем отличием, что: 1) разность по­ тенциалов между вводами индуктора максимальна; 2) потери в токоподводах минимальны; 3) температура

ратора- и двухвитковых индукторов для плавки различ­ ных .металлов во взвешенном состоянии [28]. Многовитковые индукторы типа Ш, имеющие последователь­ ный обратный виток, получили самое широкое распро­ странение в практике ПВС. Преимущества этих индук­ торов следующие:

1)использование генераторов низкой (8— 15 кВт) и средней (30— 60 кВт) 'мощности;

2)получение электромагнитного поля практически любой конфигурации;

3)небольшая разность потенциалов на индукторе при использовании генераторов с закалочным контуром;

4)точность, с которой выполнены индукторы, не ог­ раничивается;

5)несложность изготовления (не требуются профи­ лированные трубки, газовая сварка и т. д ) ;

6)простота в эксплуатации.

Однако отметим и недостатки:

1)малая масса образца;

2)ограниченное регулирование температуры;

3)возможность прожигания индуктора жидким ме­ таллом.

Ранее было подробно рассмотрено поведение металла ■при плавке в многовитковом индукторе и описана взаи­ мосвязь между конструкцией индуктора (число витков конической части, угол наклона, количество обратных

52

витков) и параметрами взвешенного образца (удержи­ вание и температура металла). Строгий расчет многовиткового индуктора для ПВС в настоящее время про­ извести нельзя. В связи с этим подбор таких индукторов осуществляют опытным путем с учетом общих пред­ ставлений относительно их работы. Опишем методику

яме электромагнитного поля) и максимально возмож­ ное регулирование темтературы металла (твердая медь и жидкое железо). Использовали генератор типа ЛГЗ-ЗО с мощностью 30 кВт и частотой 230 кГц. Индук­ торы готовили из медной трубки с наружным диамет­ ром 4 и 6 мм. Выбор первоначальной формы, число витков конической части, угла конуса (~ 6 0 °) проводили

всех индукторов и выбраны в соответствии с необходи­ мой массой металла (средняя масса 3,5 г) и размером плавильной камеры. Конструкции индукторов представ­ лены на рис. 30 [11]. Стабильное удержание капли оп­ ределяли визуально: отмечали время от момента рас­ плавления до вытекания металла из индуктора (по­ следнее явление связано с поглощением жидкой медью кислорода, что снижает ее поверхностное натяжение). Результаты опытов представлены в табл. 11 [11].

Анализ табл. 11 показывает, что наряду с размером di «а подъемную силу влияет число спиральных витков. Подъемная сила индукторов Б и В значительно выше, чем у А. Влияние 'числа конических витков (п2) незна­ чительно. Число обратных витков (из) не должно пре­ вышать двух, иначе противодействие их становится слишком сильным, что приводит к уменьшению подъ­ емной силы. Авторы [41] подтвердили, что устойчивость металла зависит от формы индуктора, числа обратных витков п3, ».расстояния I между основными и обратны-1 ми витками (для исследованных индукторов оно сос­ тавляло 6— 15 мм). Известно, что увеличение напряже­ ния на индукторе повышает устойчивость металла, так как размеры потенциальной ямы при этом уменьшают­ ся. Анализ таібл. '11 показывает также,, что наиболее ус­ тойчиво 'металл ведет себя при плавке в индукторе Е.

53

Рнс. 30 Зависимость температуры металла от напряжения

56

57

Т а б л и ц а 11

Результаты опытов по плавлению меди для выбора рациональной конструкции индуктора

Эти результаты послужили основанием для определе­ ния более строгих зависимостей температуры образца от конфигурации индуктора и напряжения на нем. Ха­ рактеристики различных катушек определили при под­ вешивании в них образцов кубической формы и фикса­ ции зависимости температуры образца, которую измеря­ ли оптическим пирометром ОПИР-017. В индукторах А—Д использовали один обратный виток и 2—6-

рис. 30. Характерным для всех экспериментов является то, что функция t=cp(U) обладает минимумом, который соответствует положению образца в центре потенциаль­ ной ямы. Очевидно, что с одной стороны, для достиже­ ния устойчивого удержания металла необходим сдвиг минимума температуры в сторону больших напряже-

58

вий, а с другой стороны, для получения большего интер­ вала изменения температуры этот сдвиг должен быть наоборот в сторону меньших напряжений. Поэтому не­

конструировании индуктора необходимо учитывать, что на стабильное удерживание металла оказывают боль­ шое влияние значения d\, число витков щ, а также уве­ личение плотности намотки т. На основании представ­ ленного анализа [14] сконструирован индуктор И, для которого интервал рабочих напряжений лежит выше его минимальных значений, поэтому при изменении напря­ жения капля металла все время находится в центре по­ тенциальной ямы, а интервал изменения температур до­ статочно велик (до 400°С). Для индуктора Е возможно достижение температуры 2300 и для индуктора Ж — от

2000 до 2600О|С.

За последние двадцать лет в литературе описано не­ сколько десятков различных мно-гоівіитковых индукторов. На рис. 31 и в табл. 42 представлено в хронологическом порядке 20 наиболее известных конструкций индукто­ ров. Классифицировать их по .каким-либо признакам трудно, так как задачи, которые ставили перед собой их авторы, различны.

Отметим, что наибольший вклад в конструиро­ вание -индукторов сделан в работе [46], где авторы впервые экспериментально определили -ряд их важных характеристик. Далее, в работах [34, 38] эти зависимо­ сти получили более строгое объяснение и, наконец, в работе [НО] авторы показали методику подбора необхо­ димого для -исследования индуктора. Остановимся крат­ ко на технологии их изготовления. Подробно это опи­ сано в работе [50]. Общим для любых индукторов, в том числе и для ПВО, является то, что материалом для то­ коведущих частей является красная медь. Остальные

59