Файл: Глебовский В.Г. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.07.2024
Просмотров: 116
Скачиваний: 0
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
|
но |
распределение |
вертикаль |
||||||
|
ной |
(у-вой) |
компоненты скоро |
||||||
|
сти |
вдоль оси X при у — 6 |
см |
||||||
|
и вдоль оси у при х = 0 . |
Видно, |
|||||||
|
что |
основной объем |
жидкости |
||||||
|
в парящей |
колбе перемещает |
|||||||
|
ся вверх. Вдоль стенок колбы |
||||||||
|
металл |
|
движется |
с |
гораздо |
||||
|
большей |
скоростью |
вниз. |
Для |
|||||
|
определения |
зависимости |
ско |
||||||
|
рости |
движения металла |
от |
||||||
|
напряженности магнитного по |
||||||||
|
ля колбу |
закрепляли и изме |
|||||||
|
ряли вертикальную составляю |
||||||||
Рис. 3. Схема движения |
щую скорости при х = 0 |
и у — |
|||||||
раоплаіва в жолбе с жидким |
= 7 |
см для |
различных |
значе |
|||||
натрием: |
ний |
тока (рис. 6). Специаль |
|||||||
1 , 2 — индукторы с 50 іи 700 |
|||||||||
витками; 3 — диафрагма |
ные |
опыты без колбы позво |
|||||||
|
ляли заключить, что переме |
||||||||
шивание расплава при ПВС |
в |
вакууме или инертном |
|||||||
газе более интенсивное, чем описанное выше, |
так |
как |
|||||||
скорость движения металла на |
поверхности |
капли |
|
не |
|||||
равна нулю. С ростом значения |
тока в индукторе |
ско |
рость движения металла возрастала. Устойчивость метал ла в значительной мере зависит от скорости его враще ния. Это наблюдается обычно при шаровидной форме
------------------------------------------8 |
|
о: |
|||
а------——------------------------------- |
|||||
|
|
|
|
4- |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
\ X 7і-- |
200 |
150 |
100 |
50, |
50ßT Ъ100 |
|
|
|
|
ѵ} см/с |
|
|
"---------------- |
|
|
в 1 |
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.
Р«н*с. 5. Вертикальная составляющая око- |
Ряс. |
6. |
Зависимость -верти- |
||||||||
ростя |
движения |
жидкого |
натрия |
вдоль |
калькой |
составляющей |
око- |
||||
оси |
у |
ів колбе |
(/, |
2) -и парящей |
капле |
-ростн |
движения |
ра-сплава |
от |
||
(3), |
измеренная |
трубками Пигго при раз- |
тока |
в |
обмотке |
индукторов |
|||||
|
|
ной частоте: |
|
|
(-скорость |
измерена |
трубками |
||||
1 - Г |
|
=50 Гц; |
2 - |
f =200 |
Гц; 3 |
- f = |
п 'ит0 |
ПРИ Фазной частоте): |
|||
|
|
|
=200 Гц |
|
|
/ — / |
=50 Гц; 2 — /= 2 0 0 |
Гц |
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).,
Теоретические |
|
предпосылки |
и |
экспериментальные |
||||||
возможности |
использования |
двухвитковых индукторов |
||||||||
(в основном с боковыми .параллельными витками |
типа |
|||||||||
«лодочка») разработаны советским ученым А. А. |
Фоге |
|||||||||
лем и его школой .[5, 22, с. 249; 25—32]. |
|
|
||||||||
Действие идеализированного |
однородного |
электро |
||||||||
магнитного ноля |
на |
металлическое |
полупространство |
|||||||
суммируется из электромагнитной |
силы (F) и поглоща |
|||||||||
емой |
металлом |
мощности |
(Р ), идущей на его нагрев. |
|||||||
Аналитически это выражается в виде следующих |
зави |
|||||||||
симостей : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
< і 2 > |
где |
F — электромагнитная |
сила, |
действующая |
на |
ме |
|||||
|
талл и равная его массе; |
|
|
|
|
|||||
|
Ро — магнитная |
проницаемость вакуума; |
|
|
||||||
|
р — удельное |
электросопротивление металла; |
|
|||||||
|
f — частота поля; |
|
в металле отнесенная |
|||||||
Ps — мощность, передаваемая |
||||||||||
|
к единице поверхности; |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Ps = ± . V W V f w , |
|
(13) |
||||
где Н — амплитуда напряженности .магнитного поля на |
||||||||||
|
иоверхиости полупростр анства. |
|
|
|||||||
Решая систему уравнений Максвелла для |
пластины |
|||||||||
в продольном |
плоскоиараллельном |
магнитном |
ноле |
|||||||
[12], |
обнаружили |
зависимость магнитной составляющей |
||||||||
поля от частоты его при P = con st и постоянной толщи |
||||||||||
не пластины. Эта зависимость имела |
гиперболический |
|||||||||
характер. Следовательно, при фиксированном |
размере |
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
поля в точке М (х, |
у) |
соответственно равны: |
|||
Н . |
]_ |
|
У |
<У |
(14) |
2 я |
|
||||
|
(R-x)»+y* |
'(/?+ *)* + |
!/* J |
||
Ну = |
|
|
R + x |
|
(15) |
2 л |
(R + |
+ |
( R - x ) » + |
||
|
X)» + у2 |
y* |
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- .
праівленлым-н ггокамн '(а) |
н зависимость мощности, |
передаваемой гв тело, |
||
от напряжения |
(6) (h— расстояние |
от центра металлического шара до |
||
центра провода или |
плоскости |
витка, частота |
поля 200 кГц) |
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
чала падать, а затем расти. Это соответствует |
измене- |
нию мощности, передаваемой телу. В данном |
случае |
металл, находящийся во взвешенном состоянии, не име ет боковой устойчивости. Полученный вывод подтверж
ден в |
работе [24], где теоретически |
выведено три кри |
терия |
подобия (условия [равенства |
электромагнитного |
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
1 |
«Л-. |
\ t:\-l'1*0 |
I |
С ,0- .с |
с::Ь7! ССі- |
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,
Металл |
P‘ 100 |
|
|
|
|
при 20°'С |
|
|
|
|
|
|
Ом. см |
8 |
70 |
260 |
440 |
Си |
1,55 |
1.1 |
3,6/3 |
6,5/7 |
8,7 /7 ,4 |
Nb |
13,2 |
3,3/2,6 |
10,2/7,8 |
18,5/14,8 |
23/19 |
Mo |
5,2 |
1,8/1,8 |
7/5,4 |
13,2/10,2 |
15,4/13,6 |
•Мощности представлены в |
относительных |
единицах (Р = !) |
для медного |
||
образца |
при f — 8 кГц. |
|
|
|
|
18