Установки для плавки во взвешенном состоянии

Особое место среди процессов ВИП занимает бестигельная плавка металла во взвешенном состоянии (ПВС)*.

Идея плавить металл, удерживаемый электромагнитным полем во взвешенном состоянии, была высказана еще в 1923 г. Тогда этот способ развития не получил, по-видимому, потому, что, во-первых, широко использовавшиеся в то время металлы можно было плавить в керамических тиглях и, во-вторых, не было достаточно совершенной высокочастотной аппаратуры, позволявшей технически осуществить такой способ бестигельной плавки. Этот способ плавки позволяет плавить и удерживать во взвешенном состоянии в электромагнитном поле расплавленный металл лишь в количестве 10...50 г, вследствие чего его применяют в основном для исследовательских целей.

Возможные конструкции индукторов, форма жидкого металла и конфигурация магнитного поля представлены на рис. 108. Силовое давление f_сж электромагнитных волн (см. гл. V, § 3) выталкивает металл из области поля с большей напряженностью Н в область с меньшей напряженностью, т.е. в потенциальную «яму». Если указанные силы достаточно велики и могут уравновесить действие сил тяжести, металл будет находиться впространстве во взвешенном состоянии.

Рис. 108. Схемы индуктора, конфигурации магнитного поля и формы жидкого металла:
а – индуктор типа «лодочка»; б – индуктор с параллельным витком;
в – индуктор с последовательным (обратным) витком

Жидкий металл под воздействием электромагнитного поля меняет свою форму: «бобовое зерно» (см. рис. 108, а), «грибок» (см. рис. 108, б),«волчок» (см. рис. 108, в).

При любой конструкции индуктора ниже уровня металла в местах разветвления электромагнитного поля имеются зоны малой напряженности поля (так называемые дыры или щели электромагнитного «тигля»), в которых сила тяжести жидкого металла не уравновешивается электромагнитным давлением. Металл не выливается через такую «дыру» лишь благодаря давлению, обусловленному силами поверхностного натяжения на искривленной поверхности висящей капли. Поэтому часть капли, проникающая в зону ослабленного поля, должна быть достаточно малого радиуса, чтобы сила, обусловленная поверхностным натяжением и действующая на нижней поверхности капли, уравновешивала внутреннее гидростатическое давление высоты столба жидкого металла и поверхностное натяжение выпуклой верхней поверхности капли. В то же время эта часть капли не должна оказаться «прозрачной» для электромагнитного поля данной частоты f.

Минимальное количество жидкого металла, которое еще может находиться во взвешенном состоянии в каплеобразной форме, определяется некоторой минимальной высотой столба металла h_min,сравнимой с эквивалентной глубиной проникновения δ_экв.м:

(h_min/δ_экв.м) ≥ 2...3. (232)

Чтобы частично компенсировать ослабление электромагнитного давления, можно использовать бегущее поле (см. гл. II, § 8) или двухчастотную схему питания индукторов, периодически смещая ослабленное магнитное поле по большей поверхности металла. Вследствие быстрого перераспределения поля при значительной инерции жидкого металла вытекание его через «дыры» не происходит, что позволяет увеличить массу висящего металла.

Однако возрастание массы ограничено образованием «складок» («рифов») в нижней части столба жидкого металла, расположенных вдоль магнитных силовых линий поля и имеющих глубину, соизмеримую с глубиной проникновения δ_экв.м согласно выражению (145). Это явление ограничивает напряженность электромагнитного поля Н вблизи поверхности металла при некоторой критической высоте h_крз его столба:

h_крз < 2σ_пврх/(gdδ_экв.м) или h_крз < a²/δ_экв.м, (233)

где σ_пврх – поверхностное натяжение;
d – плотность металла;
g – ускорение свободного падения; g ≈ 9,81 м/с²;
– капиллярная постоянная металла, равная, на- пример, для железа (при температуре плавления) ~ 0,0073 м.

Мощность Р_м, передаваемая в металл, зависит от его силы тяжести. Чем больше сила тяжести металла, тем большая напряженность магнитного поля требуется для его удержания во взвешенном состоянии и тем большая мощность выделяется в металле согласно выражению (150). Тепловое и силовое воздействие электромагнитного поля на металл разделить невозможно, т.е. удерживать металл во взвешенном состоянии нельзя без его нагрева.

А.А. Фогель (Физико-технический институт РАН) предложил следующее соотношение для равнодействующей электромагнитной силы F,равной силе тяжести металла:

, (234)

где А – коэффициент, характеризующий конфигурацию магнитного поля у поверхности металла и зависящий от конструкции индуктора: для индуктора с боковыми параллельными витками (типа «лодочка») 0,7...0,9; для индуктора с параллельными горизонтальными витками 0,4...0,7; для индуктора с последовательным обратным витком 0,2...0,7.

Для шара диаметром D_м и плотностью d плотность потока активной мощности равна, согласно (234),

. (235)

Из формул (145) и (233) следует, что для металла с данными физическими свойствами для увеличения высоты капли и соответствующего значения q_мнеобходимо повышать частоту поля f. Но при этом, согласно выражению (151), возрастает реактивная мощность в зазоре между индуктором и висящим в нем металле и, согласно уравнению (163), полная мощность системы «индуктор – металл» вызывает необходимость повышения напряжения на индукторе, что может быть ограничено конструкцией источника питания. Ограничение колебательной мощности в цепи индуктора является также причиной ограничения некоторой предельной высоты столба металла h_прд, удерживаемой во взвешенном состоянии.

Если всё вышеуказанные величины h_min, h_крз и h_пpд представить в зависимости от частоты поля f = 0,5ω/π, можно получить некоторый «критический» треугольник, который ограничивает значение высоты столба жидкого металла, находящегося во взвешенном состоянии. Поскольку σ_пврх и δ_экв.м зависят от температуры, то с повышением температуры размеры «критического» треугольника (для выбора рациональной частоты f) уменьшаются.

С учетом выражения (233) можно найти минимальную частоту поля, способного удержать данный объем жидкого металла во взвешенном состоянии:

f_min = μ₀a⁴),

где h_м – высота жидкого металла, определяемая экспериментально.

При уменьшении частоты до значения, соответствующего условию D_м/δ_экв.м < 4, взвешенное состояние металла осуществить практически не удается, так как Р_м уменьшается (см. рис. 83), а мощность Р_и,теряемая в индукторе, резко возрастает (см. рис. 84), и при недостаточном охлаждении возможно даже его расплавление.

Сравнивая частоты электромагнитного поля, обеспечивающие заданное значение мощности Р_и(и нагрев до определенной установившейся температуры с учетом теплопередачи в окружающую среду) и удержание жидкого металла, можно сделать следующие выводы:

1. Для тугоплавких металлов требуемую частоту следует определять из условия получения заданной температуры.

2. Для легкоплавких металлов выбирать частоту следует по условию удержания расплавленного металла во взвешенном состоянии. В этом случае частота поля превышает частоту, необходимую для расплавления. Поэтому для устранения нежелательного перегрева принимают специальные меры (обдув металла инертным газом, уменьшение массы и размеров образца металла).

Трудности, связанные с подбором частоту электромагнитного поля, могут быть устранены применением двухчастотного нагрева: поле одной частоты (f₁) удерживает металл во взвешенном состоянии, выделяя в металле определенную мощность (Р_м)и нагревая его до некоторой температуры (Т₁); нагрев до более высоких температур (Т₂)осуществляется включением поля второй частоты (f₂). По данным А.А. Фогеля, частота f₁ составляет (для объема металла 1,4 см²), кГц: для железа, никеля, марганца и кобальта 70; для титана, циркония 220; для вольфрама 440.

Электромагнитное поле частоты f₂ можно заменить другим видом нагрева (электронный луч, пучок лазерного излучения).

Для ПВС в вакууме или атмосфере инертного газа применяют установки с кварцевой трубкой или металлической камерой. В первом случае возможно применение многовитковых индукторов, располагаемых вне вакуума и не подверженных электрическим пробоям. Такие индукторы имеют прямые витки в виде конической «корзины» (с углом 60° при вершине), а обратные – в виде тора, их изготовляют из медной трубки диаметром 3...5 мм. В некоторых случаях обратные витки заменяют проводящим замкнутым кольцом (короткозамкнутый виток). Конструкция «корзины» имеет недостаточную жесткость, что снижает надежность работы установки.

Маловитковые индукторы (см. рис. 108) имеют более жесткую конструкцию из профилированной медной трубки сечением 6 10 и толщиной стенки до 1,5 мм. При расположении таких индукторов в вакууме применяют низкое напряжение порядка 30...200 В, что при частотах 70...440 кГц усложняет конструкцию водоохлаждаемого коаксиального вторичного токопровода (на силу тока более 1 кА).

Частоту поля ограничивают величиной 440 кГц, так как возможно возникновение в вакууме электрических разрядов, закорачивающих витки индуктора, из-за высокого напряжения соответствующих источников питания. Электрическая изоляция витков в данном случае не имеет смысла из-за опасности загрязнения металла в случае касания его витками индуктора.