ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Явления на границе расплавленного металла с охлаждаемыми металлическими поверхностями из "Индукционные плавильные печи для процессов повышенной точности и чистоты " Необходимо отметить, что физико-химические процессы в пограничном слое, разделяющем жидкую и твердую среды, отличаются большой сложностью, причем специфика этих процессов в условиях высоких значений градиента температуры, направленного от твердой среды к жидкой (что характерно для индукционных печей и, вероятно, является фактором, определяющим реальные характеристики слоя), насколько известно авторам, пока не изучена. В рамках данной работы будут приведены лишь самые обшде физические предпосылки для анализа процессов в пограничном слое и будут сделаны некоторые количественные оценки практического характера. [c.11] Рассмотрим состояние поверхности охлаждаемой стенки, работающей в расплаве. При этом ограничимся расплавами, компоненты которых при рабочей температуре не вступают в химические соединения с материалом стенки. Металл стенки может быть покрыт слоем оксидов или более сложных соединений различного происхождения. Они могли существовать на его поверхности до появления расплава или образоваться за счет кислорода, растворенного в расплаве. При относительно высокой химической активности жидкого металла возможен и обратный процесс — восстановление оксидов, имевшихся на стенке. Так, например, в процессе плавки в окисленном медном тигле сплавов лития поверхность тигля очищается до металлического блеска. [c.12] До соприкосновения с расплавом на холодной стенке тигля может образоваться рыхлый слой твердых частиц, осаждающихся из паров металла, имевшихся в атмосфере печи. Обычно эти частицы в той или иной мере окислены кислородом, присутствующим в этой атмосфере. При работе индукционной печи на ее стенке могут оседать из расплава твердые непроводящие частицы за счет электромагнитной сепарации (объемные электромагнитные силы, сжимающие расплав, не действуют на неэлектропроводные примеси, что вызывает направленное перемещение их к стенке). [c.12] Суммируя имеющиеся разрозненные данные, можно предположить, что именно эта особенность обеспечивает наблюдаемое в практике отсутствие загрязнений расплава от граничащей с ним охлаждаемой металлической стенки, причем с повышением температуры поверхности стенки вьппе некоторых значений (зависящих от материалов сред и градиента температуры) можно ожидать появления и быстрого роста загряз нений расплава. [c.13] Дополнительным источником загрязнения расплава может быть испарение некоторых примесей из материала стенки с частичным поглощением паров расплавом. Этому явлению может способствовать значительное разряжение атмосферы печи, а также локальное понижение давления в поверхностном слое расплава под действием объемных электромагнитных сил. Однако в практике это явление пока не наблюдалось. [c.13] При наличии в расплаве и материале стенки компонентов или примесей, могущих вступать в химическую реакцию друг с другом, чистота процесса может быть обеспечена только при температурах, исключающих протекание этих реакций. [c.13] Уточнение условий не загрязняющего расплав контактирования его с охлажденными металлическими поверхностями остается актуальной задачей, требующей решения. [c.13] При плавке в гарнисаже имеют место все основные особенности, рассмотренные применительно к плавке в охлаждаемом тигле. Однако адсорбированный слой на границе гарнисажа и расплава может образоваться только при достаточно низкой температуре поверхности гарнисажа. Следует также учитывать нестабильность толщины гарнисажа, обычно имеющую место в практике. Это особенно существенно, поскольку в силу описанной ориентации вектора градиента температуры в гарнисаж диффундируют отдельные компоненты и примеси из расплава. При повторных плавках концентрация их в гарнисаже возрастает. В момент утоньшения гарнисажа обогащенньлт этими добавками его поверхностный слой растворяется в ванне. Описанное явление существенно затрудняет обеспечение однородности плавок по чистоте в гарнисажных печах. [c.13] Коэффициент теплоотдачи а в обычной физической постановке характеризует передачу теплоты сквозь пограничный слой жидкости и промежуточные слои при внешнем по отношению к ним источнике и стоке тепла. В отличие от этого Пд характеризует теплоотдачу при наличии (и специфическом распределении) внутренних источников тепла. Аналогично и 7 . представляет соотношение между перепадом температур Дг и плотностью теплового потока ц в условиях упомянутого реального распределения источников теплоты. [c.14] Заметим, что расчет коэффициента теплоотдачи от жидкого металла к стенке сосуда а в обычных производственных условиях (т.е. при прогретой стенке) известными методами (см. [17] и др.) дает существенно большие значения, чем а . [c.15] На рис. 1 представлена схематически многослойная граничная зона, разделяющая расплав и тигель, а также характер распределения переменных теплового поля по нормали к поверхности расплава (в относительных единицах). Показаны медная стенка 1 загрузка с тепловым ядром 8 и тепловым пограничным слоем 7, а также возможные промежуточные слои окислы 2 на медной стенке, металлический гар-нисаж 5, слой адсорбированных частиц 3 (на поверхности, омываемой расплавом). При усадке гарнисажа возможно появление газовой прослойки 4. На периферии загрузки может существовать двухфазная твердо-жидкая зона 6. В некоторых областях граничной зоны возможно образование на периферии расплава кавитационных полостей (не показаны на схеме). Обозначения температур на границах промежуточных слоев показаны на оси ординат рис. 1. [c.15] Рассмотрим составляющие термического сопротивления и перепада температуры Дг, создаваемые каждым из тепловых слоев порознь. [c.15] В табл. 2 приведены в качестве примера результаты расчета / х,р для трех металлических расплавов при трех значениях /. Для / = = 8000 Гц (имеются экспериментальные значения рассчитано также ДТр. В расчетах принято К = 1000 (см. 4), что соответствует максимальной скорости движения в поверхностном слое порядка 1 м/с, 5 = = 0,00012 м. [c.16] Данные таблицы показывают, что при равной скорости движения металла влияние частоты на р и ДТр чрезвычайно велико. При необходимости создать значительный перегрев ядра расплава над температурой плавления последнего желательно использовать относительно низкие частоты в сочетании с мерами по ограничению циркуляции. Заметим попутно, что в однофазной индукционной печи при одинаковом конструктивном решении скорость движения металла растет с увеличением частоты, пока параметр о = г /21Аэ 6=9, и снижается при дальнейшем повьппении частоты [18]. [c.16] Рассмотрим прохождение теплового потока через гарнисаж (слой 5). Как показали наблюдения за работой ИПХТ-М, на водоохлаждаемых стенках тигля гарнисаж обнаруживаемой визуально толщины образуется только в зоне стыка стенок с дном. Здесь в зависимости от состава металла и режима плавки толщина гранисажа колеблется от единиц до одного-двух десятков миллиметров (максимальные размеры редки). [c.17] Результаты расчета по формулам (2) для некоторых материалов и частот при условном, выбранном в качестве характерного значении р =2-10 Вт/м и относительно большом значении бг = 0,005 м приведены в табл.3. [c.17] Как видно из табл. 3, зависимость Дг,г и ДТр от частоты не носит столь критического характера, как в расплаве. [c.17] Вернуться к основной статье