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: 119
Скачиваний: 0
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
\
ление и теория их применения разработаны в |
последо |
|||||||||
ваниях [26, 31, 35, 36, 37—44]. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Как было показано выше, металл |
испытывает |
дав |
||||||||
ление за счет электромагнитной |
силы |
F и |
|
нагревание |
||||||
|
|
вихревыми токами |
за |
счет |
||||||
|
|
передаваемой в металл мощ |
||||||||
|
|
ности Р. |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Для |
расчета электромаг |
|||||||
|
|
нитной силы, удерживаю |
||||||||
|
|
щей металл -во взвешенном |
||||||||
|
|
состоянии |
в поле индуктора |
|||||||
|
|
типа III, но имеющего мно- |
||||||||
|
|
говитковую катушку (рис. |
||||||||
|
|
13), |
были |
введены |
некото |
|||||
|
|
рые |
упрощения |
[34]. |
Во- |
|||||
|
|
первых, |
катушку |
индуктора |
||||||
Ріис. 13. Поперечный разрез |
заменили |
соответствующим |
||||||||
количеством |
концентриче |
|||||||||
экспериментального |
индукто |
|||||||||
ра типа III |
|
ских колец. Во-вторых, |
при |
|||||||
|
|
няли, |
что |
диаметр |
шаро |
|||||
видного образца |
гораздо |
меньше |
|
диаметра |
катуш |
|||||
ки. В-третьих, распределенные |
по |
|
всей |
поверхности |
||||||
образца вихревые |
токи заменены |
током |
одного кон- |
Рис. м. Зависимость функ
ций G (ж) |
и F (х) |
от |
||
/ — область |
нестабильного |
|||
парения |
металла; |
II — ста |
||
бильного |
парения |
металла; |
||
/ — F (X); |
2 - |
G |
(X); 3 — |
|
F |
(x)/G |
(х) |
|
тура. Тогда сила, 'возникающая между двумя кольцами с током, Fz= —Ir I2(dLlj2/dz), описывается формулой
F , = |
:ц /Ѵ 3 G (л-)- У |
X |
|
[^ + (г -г „ Г -]3/= |
24
|
|
«»(*- |
|
|
(23) |
|
|
|
V» |
||
|
П |
[б„ + (Z — *п. |
|
||
|
|
|
|
||
где Fz — выражена в ныотонах; |
|
(в общем случае |
|||
j.1 |
— магнитная |
проницаемость, |
|||
|
ц = [.іо—4п10-7 В-с/(А-ім) |
|
|
|
|
I — ток в катушке, А; |
|
|
|
||
г — радиус шара, см; |
|
|
|
||
бп — радиус витка п, см; |
|
|
|
||
z |
— расстояние до витка п, см; |
|
|
|
|
|
G (X) = |
3 sin h 2 X — |
sin 2 X |
(24) |
|
|
4 X sin /г2 X + |
sin2 x |
|||
|
|
|
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
тирующей функции: I — с увеличением |
х |
значительно |
||
растет G(x); |
II — с ростом |
x'(x>10) |
G(x) |
изменяется |
незначительно и стремится к |
1. При выборе |
необходи |
||
мой частоты |
желательно, |
чтобы G(x) находилась во |
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,
полученными с медными и алюминиевыми |
шариками |
диаметром от 8 до 20 мм, при f —270 кГц, |
1= 600 А и |
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.
Рнс. іі5. Зависимость подъемной силы одновнткового |
|||||
индуктора |
от расстояния по оси г |
для медных |
об |
||
разцов различной |
формы ff=270 |
кГц, |
/ — 500А, |
ра |
|
|
диус витка 21 мм): |
2 — цилиндр |
|||
/ — твердая |
капля |
диаметром 15 |
мм; |
||
диаметром |
15 мм |
« высотой 10 мм; |
3 — шар |
диа |
|
|
|
метром 15 мм |
|
|
|
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.
На рис. |
46 [34] |
представлена зависимость Нг от раз |
|
личных |
размеров |
одновиткового индуктора при токе |
в |
I А. Видно, что напряженность поля велика при удале |
|||
нии от плоскости индуктора не более чем 0,6— 1 ом. |
В |
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
Р-не. 16. Зависимость |
надряженкостн машигаоро |
поля |
по |
|||
оси ««доктора (см. р»с. |
13) от расстояния |
по оон |
z |
при |
||
токе ІА '(цифры |
у |
кривых — радиусы |
витков |
в |
см) |
|
ние конструкции индуктора типа III на его параметры
показано в |
раіботах [34, 46]. Результаты |
представлены |
||||
•на ірис. 17 |
[34] |
для каждого |
витка и .всего индуктора. |
|||
Как видно, индукторы Л и £ имеют разные углы а |
(30 |
|||||
и 60°). Анализ кривых рис. |
17 показывает, что по |
мере |
||||
уменьшения угла а (Б) подъемная пила возрастает, |
од |
|||||
нако ее максимум очень точно фиксирован по оси г |
и |
|||||
при изменении |
положения |
образца сила |
резко снижа |
|||
ется. Поэтому |
конструкция |
А является |
іболее |
рацио |
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:
а, |
д — поперечное сечение |
индукторов |
(а =60 и |
30°); |
||
б, |
е — напряженность •магнитного |
поля |
отдельных |
вит |
||
ков* (цифры у »кривых); |
в, |
ж — напряженность и |
гра |
|||
диент напряженности |
магнитного |
поля индукторов; |
||||
|
г, з — подъемная ш ла |
|
|
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
и зависит от координат г и z. |
значениям |
Переходя от В к Ф и к относительным |
|
Ф* по формуле |
|
ф = 2jtjx/ |
25 |
100 |
|
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
Р іНс . |
18. Магнитные |
'C-нловые лодн-ин двух различных |
пддукто- |
,ров /1 |
н В (см. р»с. |
17, цифры ,у кривых — аіа-глитный |
поток в |
|
|
относительных ед-нішсцах) |
|
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