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: 123
Скачиваний: 0
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,‘
2. Ti, Zr, Nb, Mo, Ru ■Acüctii |
в зависимости от |
/и и- |
|
2* За к. 556 |
35 |
3. Ta, W, Re, Os • ^действ C 'W |
|
|
||
Для индуктора |
типа II получили |
[32] |
зависимость |
|
г/А от объема |
различных |
металлов, изменяющуюся |
||
аналогично ранее |
описанной |
(см. |
рис. |
21). Однако, |
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]:
Р = З ъ г Н грР(х), |
(27) |
где |
|
F(x) = X (sin h 2 X + sin 2x) — cos h 2 x + cos 2 x |
(28) |
cos h 2 x — cos 2 X |
|
корректирующая функция, которая характеризует скинэффект.
Зависимость мощности от частоты « размера пробы три х^> 10 описывается более упрощенной формулой
Р = Зя_р ^ И2 = з y ^ T f p . Г2Я2. |
(29) |
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
ношения Р/F, |
так |
как обе |
величины |
зависят от / 2. |
С увеличением |
тока |
металл |
в индукторе |
поднимается |
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).
Тогда |
|
|
— |
- const р F ^ . |
(30) |
F |
G(X) |
|
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.
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
Можй-ю показать, |
что для маленьких проб значения F и |
|||||||
Р могут быть выражены как |
о d Н° |
и |
Р ~ / 2 Н°2, |
|||||
F —I2 Н°г — - |
||||||||
где Н° — напряженность |
|
dz |
|
1 А. |
Тогда |
|||
поля при токе / = |
||||||||
по оси z H °= H°z |
и |
— |
« |
----------^ -------- , |
Т. |
е. |
соотно- |
|
|
|
F |
|
|
d H J d z |
|
|
|
шение не зависит |
от |
тока. |
Подъемная |
сила |
равна |
|||
массе образца, |
а |
Н г |
|
определяется |
только |
поло- |
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
емная сила неизменна. |
Поэтому положение образца |
не должно быть строго |
фиксированным. -В катушке Б, |
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
мо выбирать такой, чтобы значение х (см. |
рис. 14) бы |
ло > 1 0 и F не зависело от изменения р. В |
противном |
случае во время нагрева значение х может |
стать <40, |
и значение F при / — const будет уменьшаться, что при |
|
ведет к сливу жидкого металла. |
|
Низкая температура расплава может быть получена при такой частоте и диаметре шарового образца, когда
величина |
3 (см. рис. |
14). |
В связи с этим F должна |
|||||
быть примерно на 50% |
меньше своего полного |
значе |
||||||
ния при х > 1 0 . Как было показано выше, |
ток |
в |
этом |
|||||
случае регламентируется в определенных |
пределах, |
а |
||||||
форма индуктора должна быть такой, чтобы |
градиент |
|||||||
напряженности dHZjdz был |
максимальным. |
В |
этом |
|||||
случае стабилизирующие силы |
становятся |
очень |
ма |
|||||
лыми. |
|
|
|
|
|
|
|
|
■Регулирование температуры |
осуществляют |
|
двумя |
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