ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Удержание расплавленного металла в пространстве силами электромагнитного поля из "Индукционные плавильные печи для процессов повышенной точности и чистоты " При плавке и обработке металлов без загрязнения- используют полный или частичный отрыв металла силами электромагнитного поля от окружающих тел. В первом случае имеет место плавка во взвешенном состоянии (левитация), во втором — плавка металла, сформированного в виде выпуклого мениска - так называемое электромагнитное удержание расплава на опоре (ЭМУР). [c.21] Во взвешенном состоянии удается удерживать относительно малое количество жидкого металла (в настоящее время — десятки или сотни граммов). Этот метод широко освещен в литературе (см., напри-мер, [21]) и нами не рассматривается. [c.21] Физические основы электромагнитного удержания расплава. Как известно, в магнитном поле на элемент среды, несущей ток, действует ЭМС, направленная перпендикулярно вектору плотности тока I и вектору магнитной индукции В в соответствии с известным правилом левой руки. [c.21] При протекании в металлическом проводнике тока от постороннего источника взаимодействие этого тока с собственным магнитным полем проявляется в виде ориентированных перпендикулярно току объемных сил, сжимающих проводник и как бы стремящихся выпрямить его изгибы. Если сечение этого проводника переменно, то поперечные силы на разных участках пути тока будут различными, а также появится продольная компонента сил. В случае не плоскопараллельной картины поля возникает так называемый электровихревой эффект (см. 4). [c.22] При движении проводящей жидкости в магнитном поле в ней индуцируются токи, взаимодействие которых с исходным полем проявляется в виде сил, тормозящих движеше жидкости и искажающих ее первоначальные траектории (как бы стремящихся направить движение вдоль линий магнитного поля). [c.22] Рассмотренные выше эффекты проявляются как в постоянных, так и в переменных полях, причем в последнем случае изложенное относится к мгновенным значениям величин. В переменном магнитном поле возникают дополнительные силовые взаимодействия между полем и токами, наведенными в металле колебаниями этого поля. При этом силы действуют на проводящую среду в направлении распространения в ней электромагнитной энергии. [c.22] В однофазном поле это направление приближенно совпадает с внутренней нормалью к поверхности проводника. [c.22] При четко выраженном поверхностном эффекте, характерном для индукционного нагрева, приближенно принимают линейную плотность тока в токонесущем поверхностном слое проводника А (А/м), равной ГД магнитная индукция. В жидком металле абсолютная магнитная проницаемость = До. [c.23] Индекс п (здесь и далее) показьгаает, что значение величины относится к поверхности металла. [c.23] Равновесие жидкометаллического объема, удерживаемого на опоре в виде выпуклого мениска, возможно только при достижении в каждой точке его объема динамического равновесия плотности всех объемных сил (ЭМС, гравитационных, инерции, вязкого и турбулентного трения) и внутреннего напряжения жидкости. На наружных границах расплава в балансе участвуют также поверхностные силы, создаваемые поверхностым натяжением металла, окисными пленками, воздействием шлакового покрова и т.п. [c.24] Рассматривая баланс объемных сил, обычно замечают, что ответственная за движение вихревая компонента ЭМС уравновешивается силами вязкого и турбулентного трения, также имеющими вихревой характер, и учитывают в условиях равновесия мениска только потенциальное гравитационное поле и потенциальную часть ЭМС. При этом для упрощения задачи пренебрегают силами инерции-спутниками циркуляции, порождаемой вихревой частью ЭМС (см., например, [22]). При стационарном замкнутом движении эти силы проявляются в виде центробежных сил, поле которых потенциально и органично балансируется с перечисленными вьпце потенциальными силовыми полями. Численные оценки показывают, что если при относительно слабом движении силами инерции действительно можно пренебречь (например, при скорости движения расплава г = 0,3 м/с центробежные силы способны скомпенсировать гидростатическое давление столба металла йр лишь высотой 0,005 м), то при интенсивной циркуляции учет этих сил необходим (так, например, при у = 2,0 м/с получаем = 0,2 м). [c.24] Выражение (3) дает удовлетворительную точность при 6,0 ( 3 35). [c.25] Управление размерами и формой мениска можно осуществить ре- улируя магнитное поле на его поверхности. При четко выраженном поверхностном эффекте результирующее поле вне проводящей среды сравнительно легко определяется экспериментально или расчетом по уравнению Лапласа. Нужную конфигурацию магнитного поля достигают, варьируя форму индуктора и распределение в нем тока иногда используют также магнитолроводы и экраны. Следует также учитывать, что в ряде случаев распределение тока в индуктирующих проводниках зависит от их расположения по отношению к мениску. Это наблюдается, в частности, в индукторах с большой высотой витков и в индукторах с параллельными катушками. В таких индукторах линейная плотность тока выше в зонах, расположенных ближе к расплаву. При наличии разрезного тигля (независимо от типа индуктора) аналогичное перераспределение тока происходит в тигле и расплаве в зависимости от зазоров между ними. Такая особенность естественного саморегулирования распределения тока способствует выравниванию зазора между расплавом и индуктором (или проводящим тиглем) и повышению электрического КПД печи. [c.25] На рис. 5 приведен пример мениска сильно вытянутой вверх конфигурации. [c.26] Данные по параметрам менисков, а также методы их расчета см. в 11 и в [23,24]. [c.26] Энергетические особенности мениска. При фиксированной геометрии нагреваемого металла и неизменной частоте увеличение линейной плотности тока в индукторе приводит (в отсутствие ферромагнетиков) к возрастанию потребления знергии металлом пропорционально А . Иначе обстоит дело при передаче энергии мениску. [c.26] Здесь 1 — диаметр мениска, м. [c.26] На выделение энергии в мениске могут существенно влиять особенности его конфигурации, в частности нарушения осевой симметрии в виде продольных складок поверхности (рифов). Эти складки увеличивают периметр сечения металла, причем в вершинах складок наблюдается разрежение токовых линий, а у их оснований — сгущение (рис.б). При малой ширине складок 5 , = 2яго/ш, где т — порядок симметрии поворота, ток проходит преимущественно под ними, плотность тока и выделение энергии в вершинах складок снижаются в пределе до нуля (рис. 7). Математическое моделирование показало, что в реальных условиях выделение энергии в мениске может за счет упомянутых складок повышаться до 25—30% от значения при гладком мениске. Дополнительные данные по энергетическим соотношениям при гладком мениске см. в 11 и в [3, 26]. [c.27] Нестационарные явления. Для гидродинамических процессов в жидком металле, обжатом электромагнитным полем, характерна нестацио-нарность. Одной из причин ее является присущий жидкой среде колебательный характер реакции на случайные возмущения баланса сил другой — турбулентный характер течения в индукгщонных печах, усиливаемый перестроениями потока и взаимодействиями смежных вихрей. [c.27] Вернуться к основной статье