(рис. 16,6) (при наличии значительных рифов). В этом случае процесс приобретает некоторые общие черты с плавкой при электромагнитном удержанич расплава (см. §5).

Передача энергии электромагнитным полем сквозь проводящий тигель принципиально возможна в двух случаях: при выполнении тигля относительно тонким (соизмеримым по толщине с глубиной проникновения

Рис. 17. Конструкции охлаждаемых тиглей.

о - неразрезные; б- - разрезные; б. в -с замкнутыми секциями, мало- н миогосекциоиные соответственно; г. 3 -с разомкнутыми секциями; е - пластинчатые; / - секция; 2 - изоляционный слой; 3 -расплав; 4 -охлаждающая среда.

тока В материал тигля) либо при выполнении его разрезным. Практическое применение имеют только разрезные тигли.

Исследования по плавке в ИПХТ различных метал-, лов и полупроводников показали, что большинство этих материалов не смачивает холодную стенку тигля, выполненную из меди или серебра. Лри этом в сплаве не удается обнаружить следов материалов стенки даже с помощью радиохимических методов анализа [Л. 31].

Впервые плавка металла в индукционной печи с холодным тиглем была предложена в 1926 г. фирмой Си-мене Гальске. Основные положения этого предложения находят отражение и в современных конструкциях, в том 44

числе деление тигля на секции, выполнение его из материалов с высокой электрической проводимостью (медь, серебро), внутреннее водяное охлаждение секций, металлический водоохлаждаемый под, нанесение на внутреннюю сторону тигля тонкого слоя окислов переплавляемого материала. Несмотря на наличие этого предложения, реальные попытки создания печей с холодным тиглем начаты были лишь в 60-е годы.

В 1957 г. была предложена конструкция холодного тигля, отличающаяся способом охлаждения его секций Л. 32]. Секции не имели полостей и охлаждались водой, омывающей их наружную поверхность (рис. 17,(5). Предложили также выполнять дно тигля подвижным для получения слитка методом вытягивания (вниз). В последующие годы был опубликован ряд сообщений об успешных экспериментах по использованию ИПХТ, а также об отдельных усовершенствованиях конструкции [Л. 33-44]. В Советском Союзе основные работы по разработке и исследованию ИПХТ для плавки металлов велись во ВНИИЭТО [Л. 34-37]. Ряд работ по ИПХТ для плавки металлов и тугоплавких окислов был выполнен другими огранизациями [Л. 38-41].

Плавка металлов

А. Технологические свойства

Индукционные печи с холодным тиглем обладают рядом принципиальных особенностей, отличающих их от печей других типов для плавки чистых металлов. Это: а) выделение тепла по всей боковой поверхности расплава; б)-4>азвитая и не заэкранированная электродом свободная поверхность металла; в) интенсивная электромагнитная циркуляция металла. Эти особенности позволяют обеспечить максимальную интенсивность технологических процессов, реализуемых на поверхности расплава.с участием объемного массообмена (дегазация, обработка флюсами и пр.) при минимальном перегреве поверхности. Большая равномерность температуры в объеме расплава и малый процент металла в гарниссаже создают благоприятные условия для выполнения плавок точных химического состава и массы. Это особенно важно в случае выплавки сложных сплавов с компонентами, резко различающимися по плотности и температуре плавления.

Необходимо отметить также следующие существенные технологические и эксплуатационные свойства ИПХТ: а) независимость подачи энергии в ванну от поступления в нее шихтового материала; это в отличие от дуговых вакуумных печей с расходуемым электродом позволяет произвольно регулировать длительность пребывания расплава в печи при заданной температуре; в) возможность плавить шихтовые материалы в любом виде (слитки, куски, порошки); г) возможность применения в печи вакуума и любой искусственной атмосферы, в том числе при повышенном давлении; это, в частности, позволяет плавить в ИПХТ материалы с высокой упругостью пара, например хром; д) отсутствие короны, характерной для вакуумной дуговой плавки, и, следовательно, связанной с нею неоднородности поверхностного слоя слитков (при получении слитка в тигле-кристаллизаторе); е) отсутствие дуги, рентгеновских излучений или особо высоких напряжений, усложняющих обеспечение безопасности процесса в печах других типов для плавки чистых металлов; ж) макроструктура слитка, закристаллизованного в холодном тигле, подобна получаемой в вакуумной дуговой печи.

Таким образом, ИПХТ обладает специфическим сочетанием технологических и эксплуатационных свойств, отсутствующих у печей других типов для плавки чистых металлов. В ряде технологических процессов это сочетание может быть весьма ценным.

Ъ.Физические особенности электромагнитных и тепловых процессов

При обычной конструкции тигля переменное электромагнитное поле, распространяющееся от индуктора к садке, наводит в его стенках кольцевые токи, создающие поле противоположного направления. Для сведения экранирующего действия этих токов к удовлетворительным пределам пришлось бы использовать медные тигли со стенкой толщиной в доли миллиметра, что не позволило бы создать достаточно надежную конструкцию. Поэтому холодный тигель выполняется с разрезами, препятствующими замыканию в нем кольцевых токов, охватывающих садку (рис. 17). Рассмотрим вначале случай, когда электрический контакт между расплавом и металлом тигля можно не учитывать (тигель с изоли-46

рованной внутренней поверхностью, наличие большогб переходного сопротивления между расплавом и стенкой или плавка с обжатием металла магнитным полем). При высоком уровне расплава экранирующее действие разрезного тигля можно не учитывать и напряженность поля у поверхности садки будет равна напряженности поля на внутренней поверхности индуктора Яи. В случае низкого уровня расплава тигель выполняет функцию концентратора тока, что может даже несколько увеличить отношение НЩ, которое в системе индуктор - садка малой высоты всегда менее 1 из-за рассеяния поля индуктора.

Во всех случаях тигель, находящийся в поле индуктора, является потребителем, энергии, выделяющейся в нем в виде джоулевых потерь. Для простейшего случая (отсутствие электрического контакта с расплавом, большая высота системы, малое число секций тигля и одинаковая толщина Л всех стенок этих секций) зависимость потерь в тигле от относительной толщины стенок получена Д. Г. Ратниковым в [Л. 39]. Практически разрезные тигли выполняются с толщиной стенки, обращенной к расплаву, равной 6-10 мм.

Обычно у холодного тигля, не покрытого специальной электрической изоляцией, на значительной части внутренней поверхности имеет место электрический контакт секций с расплавом. На рис. 18 представлена идеализированная схема протекания тока в зоне электрического контакта тигля с расплавом, которую следует рассматривать как рабочую гипотезу, .удовлетворительно согласующуюся с явлениями, наблюдаемыми экспериментально в тигле, и данными энергетического баланса.

Вблизи щелей между секциями тигля на расплав действуют силы взаимодействия между протекающими в нем токами и магнитным полем. Эти силы направлены по внутренней нормали к поверхности расплава и стремятся вдавить поверхность металла внутрь. Давление сил поля уравновешивается поверхностным натяжением расплава и металлостатическим давлением; в результате в зоне

Рис. 18. Идеализированная схема протекания токов в расплаве и секциях тигля при наличии электрического контакта.

/ - изоляция; 2 - секция . тигля; 3 - расплав; 4 - путь тока.

разрезов тигля образуется характерные жело5г<я, радиусы которых упеличиваются но мере приближения к верхушке расплава, где желобки сливаются в единый выпуклый мениск.

Обращаясь к рис. 18, легко видеть, что мощность, которая выделяется в расплаве, находящемся в контакте с неизолированной стенкой металлического тигля, должна зависеть от числа его секций Яс. на весьма мала при наличии всепо лишь одного-двух

разрезов тигля, увеличивается

-1,2

0,8 0,6 0,1 0,2

Рнс. 19. .Характер зависимости к. п. д. секционированного холодного тигля Т)х.т от числа секций Пс (расчет).

Плавка жаропрочной стали в тигле диаметром 100 мм лри частоте 2500 Гц, толщине стенок секции 2 мм, зазоре между ними 0.5 мм и радиальном размере секций 20 мм.

с ростом их числа и при п->-оо стремится к значению, имеющему место при отсутствии холодного тигля. Электрические потери в стенках тигля максимальны при некотором значении Пс, снижаются при Яс->-1 и приближаются X нулю при Яс->-оо. в результате электрический к. п. д. холодного тигля т)х.т, под которым условимся понимать отношение мощности, передаваемой сквозь тигель садке, Рс к мощности, поглощаемой тиглем и садкой, Рх.т(т1х.т = = PcIP%.y) изменяется с увеличением числа секций по сложной кривой, имеющей два экстремума (рис. 19).

Выбор числа секций тигля в значительной степени предопределяет энергетические показатели ИПХТ [Л. 36]. (Исследования (Л. 32, 42] выполнены при

Закономерности теплопередачи от расплава к стенке холодного тигля определяются наличием на этой стенке слоя гарниссажа (в ряде случаев тончайшего микрогар ниссажа). Поскольку граница фаз данного материала имеет вполне определенную температуру, равную температуре кристаллизации (/кр), удельные тепловые потери (плотность потока тепловы.х потерь) от расплава к стенке определяются лишь перегревом жидкого металла (по отношению к /кр) и гидродинамической обстановкой в слое расплава, прилегающем к фазовой границе. Особенностью процесса является то, что тепловые сопротивления стенки тигля, переходных слоев и гарниссажа не влияют на тепловые потери (пока гарниссаж существует), причем сумма их автоматически регулируется за счет изменения толщины гарниссажа таким образом, чтобы соответствовать указанной плотности потока тепловых потерь и разности температур расплава и охлаждающей воды. Данные экспериментального определения

удельных тепловых потерь в условиях плавки ряда йе-таллов в холодном тигле приведены в табл. I.

Таблица 1

Удельные тепловые потери от расплава к стенке холодного

тигля

В. Конструктивное исполнение

Разрезные тигли целесообразно подразделять на малосекционные с длиной секции (вдоль наружного пери-.метра тигля) /, значительно большей, чем радиальный размер стенки секции Ь, и многосекционные (трубчатые), у которых / и b примерно одинаковы.

Тигли, предложенные в (Л. 32] (рис. \7,д), имеют тот существенный недостаток, что в них прокладки между секциями совмещают функции электрической, гидравлической и вакуумной изоляции, что снижает надежность конструкции. Учитывая это обстоятельство и описанные ранее энергетические и конструктивные соображения, применяют, как-правило, многосекционные разрезные тигли с замкнутыми секциями.

Разработаны (чоиструкцип ИПХТ для трех видов рабочего процесса: а) наплавка в глухой тигель-кристаллизатор; б) вытягивание из проходного тигля-кристаллизатора; в) накопление расплава в тигле с последующей разливкой его.

В печах для наплавки слитка тигель-кристаллизатор представляет собой цилиндр, собранный из значительного количества массивных медных водоохлаждаемых трубок специального профиля

4-64

Рис. 20. Холодный тигель для наплавки слитка (конструкция ВНИИЭТО).

7 - секция тигля: 2 -под; 3 - несущее кольцо; 4 -изоляция.