Бесконтактные методы измерения электрической проводимости металлургических расплавов

Из бесконтактных методов измерения электрической про­водимости жидких металлов наибольшее распространение получили метод вращающегося магнитного поля, в которое помещается исследуемый проводник. Мерой про­водимости в этом случае является момент сил, действу­ющих на проводник. Наиболее полное теоретическое обо­снование одного из вариантов метода и внедрение его в практику исследования электрической проводимости жидких металлов было осуществлено А. Р. Регелем. В методе, разработанном А. Р. Регелем, рассматри­вается система, состоящая из проводящей сферы радиусом R. Сфера подвешена на упругой нити и помещена во вращающееся маг­нитное поле, создаваемое катушками (рисунок 16). Система подобна асин­хронному электродвигателю, различие состоит в том, что ротор заме­нен исследуемым образцом, а в стато­ре для получения однородного маг­нитного поля отсутствует железо. Рас­чет момента сил М, действующего на образец металла с удельной электри­ческой проводимостью а, находящего­ся в однородном поле напряженностью Я, приводит к следующему уравне­нию:

1 — сфера с метал­лом; 2 — упругая нить; 3 — катушки

Рисунок 16. Схема бес­контактного измере­ния электрической проводимости рас­плавов во вращаю­щемся магнитном по­ле:

Принципиальная схема установки, работающей на методику вра­щающегося магнитного поля, не отличается от схемы вискозиметра по методу Швидковского Е.Г. рисунок 17. Установка состоит из нагревателя, системы подвеса тигля, вращающих обмоток статора и системы регистрации показаний. Корпус установки выполнен из немагнитных материалов для исключения влияния токов Фуко и снабжен водоохлаждаемой рубашкой.

а	б

а – схема установки: б – схема регистрации.

Рисунок 17. Схема вискозиметра по методу Швидковского Е.Г.

Испытуемый образец находится в цилиндрическом тигле 1, под­вешенном на алундовой трубке 2, которая через цангу 3 крепится к молибденовой нити 4. Графитовый нагреватель 5 питается через токопроводы от понижающего трансформатора, управляемого через тиристорный блок высокотемпературным терморегулятором. Проведение эксперимента начинают с откачки воздуха форвакуумным насосом из рабочего пространства установки. Затем осторожно впускают гелий. Далее включается нагреватель. Ручка терморегуля­тора устанавливается на половину шкалы, осуществляя тем самым прогрев установки. Выводят далее ручку терморегулятора на предель­ное значение. Показание температуры снимают с цифрового вольтмет­ра с помощью градировочной таблицы. По достижении заданной температуры и установки светового зайчика на нулевой отметке включением катушек производят закручи­вание подвесной системы. Снимают отсчет амплитуды с линейки и вык­лючают ток катушек. Измерения делают при выключенном нагревателе во избежание взаимодействия магнитных полей нагревателя во вращающемся магнит­ном поле. Опыт проводят для восьми температур. Измерение температуры производится термопарой 6, расположенной под тиглем в центре нагревателя; выдержка при заданном положении ручки терморегулятора в течение 5-10 мин. выравнивает температуру в пространстве и в тигле. Как и в случае с вискозиметром система заполняется гелием. Измерение угла закручивания производится при помощи отсчетной линейки 8, по которой скользит движущийся световой луч, отраженный от зеркальца 9. Для определения электросопротивления в абсолютных единицах необходимо произвести градуировку по химически чистому эталону. Известное значение электросопротивления эталона связано с углом закручивания следующим соотношением:

R_э = к₁ · l · r₄ · I_ср2 /Dφ, (33)

где: l - высота образца жидкого металла; r - радиус в средней части образца; Dφ - угол закручивания; к₁- постоянная установки, определяемая в опытах с эталоном; I_ср - среднее значение силы тока в обмотках статора.

Поскольку l, r, к₁ и R_э - величины постоянные, можно записать:

R_э = к₁ · l · r₄ · I_ср2 /Dφ= к2 · Iср2 /Dφ или

к₂= R_э ·Dφ/ I_ср2. (34)

Зная к₂ можно определить электросопротивление не только эталонного образца, но и любого другого, имеющего те же размеры и форму.

R = к₂ · I_ср2 /Dφ. (35)

Поскольку силу тока в обмотках тоже можно фиксировать (так­же величина постоянная I_э = const) можно вычислить электросопротив­ление по простой формуле:

R = к₂ · I_э 2 /Dφ= к₃ /Dφ. (36)

Учитывая, что размеры и форма образца не изменяются можно записать окончательное выражение для расчета удельного электросоп­ротивления:

ρ= к₄ /Dφ или

ρ= к₅ /А. (37)

Таким образом метод сводится к определению амплитуды А отк­лонения светового зайчика на полупрозрачной линейке, т.к. при ма­лых углах амплитуда пропорциональна углу закручивания. Измерив амплитуду А, можно рассчитать для заданных температур расплава значения фактическое значение ρ.

Контрольные вопросы:

1. Описать общие теоретические основы электропроводности металлургических расплавов

2. Перечислите законы, описывающие электрическое сопротивление металлургических расплавов и приведите их математическое выражение

3. Опишите правила Линде и Маттиссена

4. Опишите общие правила измерения электрического сопротивления жидкого металла

5. Опишите конструкции измерительных ячеек электрического сопротивления жидких расплавов

6. Объясните метод падающей струи в измерении электрического сопротивления жидкого металла

7. Объясните контактный метод в измерении электрического сопротивления жидкого металла

8. Опишите методы измерения электрической проводимости расплавленных шлаков

9. Опишите бесконтактные методы измерения электрической проводимости металлургических расплавов

10. Проанализируйте расчет электрического сопротивления электрического сопротивления расплавов при измерениях на установке Швидковского Е.Г.