Способ бесконтактного удержания жидких проводников Советский патент 1991 года по МПК H05B6/32 

Изобретение относится к электротехнике, в основном к электротермическим устройствам и методикам спецметаллургии, предназначенным для бескон- . тактного нагрева и удержания металлов электромагнитным полем. Оно может быть использовано для получения чистых металлов, для плавки без загрязнения особо чистых и высокоактивных металлов, для нанесения тонких пленок, для получения композиционных материалов со специальными свойствами и во всех других технологических процессах, где необходимо бесконтактное электро- магнитное воздействие на жидкую электропроводящую среду.

Цель изобретения - увеличение производительности и расширение ассортимента удерживаемых материалов.

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа, план; на фиг.2 - распределение плотности тока в сечении А-А; на фиг. 3 - распределение плотности тока в сечении Б-Б; на фиг.4 - сечение устройства по В-В.

Линиями (петли 1 и 2) обозначены максимальные значения распределений токов j, j, описываемых выражением

j, j jSinfOtt-cos KZ

J2 JuocosW2t sin KZ

Требуемое распределение плотности токов осуществляется соответствую- щей плотностью укладки проводников. Возможно и другое решение: плотность укладки проводников однородна, но запитка их токами соответствует эпюрам распределения j, j. Речь идет о возможно близкой аппроксимации синусоидальной и косинусоидаль- ной функции распределения токов тонкими проводниками и значениями токов в них. Петли 1 (жирные линии) подсоедиС

няются к генератору 3, петли 2 - к генератору 4.

Петли 5, 6 представляют собой точно такую же систему проводников, как петли 1,2, но повернутую на 90 в плоскости чертежа по отношению к первой, и подсоединены к генераторам 7 и 8. Петли могут находиться одна над другой или образовывать переплетения проводников. Длина волны уклад ки проводов ft приближенно одинакова для всех петель. Гальванической связи между указанными четырьмя системами не должно быть. В центральной области, ограниченной окружностью 9, выполнена вогнутость (сегмент сферы или эллипсоида), представленная проекциями в сеченчи В-В0 Токи 1,1,1 1 генераторов 4,3,5,6 выбираются равными, величина их должна обеспечивать удержание жидкого металла на требуемой высоте над индуктором (системой проводников). Соответствующие частоты этих токов СО,, , СО, iW выбираются так, чтобы разности

Q, (03, -0г|, Q2 /C05- |,

я -(QI-QI/

превосходили резонансную частоту механических колебаний удерживаемого металла не менее чем в 2 раза.

В частном случае одна пара ортогональных обмоток может запитываться от общего генератора, тогда количество требуемых генераторов сократится до трех.

Процессы спецметаллургии проводятся чаще всего в вакууме или атмосфере различных газов, и поэтому объ ем, заннмаемый металлом, должен ваку умироваться. Излучение нагретого металла и джоулевы потери создают очень напряженный тепловой режим в обмотках. Это диктует структуру реализации предлагаемого устройства, представленную на фиг.2. Здесь изображена половина сечения, аналогичного сечению В-В магнитной системы (фиг.1). Жидкий металл 10 удерживается магнитным полем, создаваемым магнитной системой 11, работающей по описанному принципу. Удерживаемый металл находится в вакуумированной или заполненной требуемым газом полости 12, которая образуется проницаемой для магнитного поля оболочкой

10

15

007744

13 (с удерживаемой стороны), В полостях 14 протекает жидкость, охлаждающая магнитную систему, оболочку 13 и кожух 15.Возможен вариант конструкции, когда оболочка 13 охватывает магнитную систему, находясь в вакуумном объеме удерживаемого металла или среде какого-либо газа или атмосферу. В этом случае рабочий объем защищается от газообмена с вакуумгрязной магнитной- системой.

Для снижения энергозатрат и более точной аппроксимации синусоидальной функции распределения плотности тока обмоток в них целесообразно применять тонкие сверхпроводники, охлаждаемые соответствующим хладагентом.

При возможности грубой аппроксимации синусоидальной функции распределения плотности тока обмотки могут быть выполнены полыми трубами, по которым прокачивается хладагент, Такая возможность может Существовать для некоторого класса жидких проводников с малой массовой плотностью и большим коэффициентом поверхностного натяжения.

Способ осуществляется следующим образом.

Со стороны удерживаемой поверхности жидкого проводника создают вращаю-, щееся с реверсом магнитное поле кру- говой или близкой к круговой поляризации, имеющее градиент напряженности

20

25

30

35

40

45

50

55

магнитного поля, направленный от удерживаемой поверхности (в случае плавки для испарения - к периферии всех областей поверхности образца, кроме поверхности, обращенной вверх). Указанное магнитное поле создают со стороны удерживаемой поверхности образца двумя взаимно ортогональными бегущими параллельно удерживаемой поверхности синусоидальными волнами магнитных полей близких амплитуд с различными частотами реверса и разностями этих частот, превосходящими резонансную частоту механических колебаний удерживаемого образца жидкого проводника. Указанные две поьгрхност- ные волны образуют однородное реверсируемое поле круговой поляризации, убывающее в направлении, ортогональном поверхности индуктора. Усредненное во времени значение их магнитного давления однородно анизотропно и имеет требуемый градиент, что и требуется для устойчивости.

Реализация указанных волн осуществляется двумя ортогональными системами плоских слоев токов, протекающих по прилегающим поверхностям с плотностью и частотами, описываемыми выражениями

т.е. среднее во времени значение магнитного давления не зависит от координат Y и Z.

Напряженность магнитного поля Н как функция X будет убывающей но отношению к напряженности поля Н(0)

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - увеличе- ние производительности и расширение ассортимента удерживаемых материалов, Две ортогональные системы проводников 1,2 и 5j 6 создают два ортогональных реверсивных поля при подключении к генераторам 3, 4 и 7, 8. Это позволяет получить результирующее поле заданной однородности .изотропности и градиента давления. 4 ил.

Ju jn0 sinCO,t-cos KZ + + cos&32 t sin KZJ (1)

V о 81п0}9ь С08 KY f cosd)4t -sin KYJ .

гДе J ц плотность распределения

о Y-компоненты тока по координате Z;

j - плотность распределения

Z-компоненты тока по коор

динате Y; JZO JMO амплитуды Z и Y-компоненты распределения тока. Wi.COj, C)i СО 4 угловые частоты K 2r/fl,

ft - длина волны распреде;ления тока. е

Давление, создаваемое магнитным полем волны, пропорционально квадра- ту результирующего вектора плотности тока

42 42 + 2 3 Jjj 1г

(3)

Представляя jij и j2 из (1), (2), считая jzo J0, получим

jz -в jj rsinzco,t cos2 KZ + X sin2 KZ + cos KZ sin KZ(sin(6J,- -CDgH + sin(Qi+G)t) + sin2CO tx cos2 KY + cos2W4t sin2 KY + + cos KY sin KY(sin(Wj-6J4)t + + sindSj-CO t)

После усреднения по времени получим

J2

Jo;

(4)

на поверхности токов j,

т.е.

по мере удаления от поверхногти индуктора, л,

т

Н(Х) - Н(0). е

(5)

Из (5) следует, что и магнитное 15 давление будет убывать к периферии от плоскости токов jn, j,, т.е. к периферии от поверхности индуктора.

Рассмотренная система токов, как видно, удовлетворяет требуемым услови 20 ям однородности, изотропности и градиента давления.

5

0

5

0

0

В предлагаемом способе осуществляется контроль за возмущениями всех направлений благодаря двум ортогональным магнитным системам удержания жидких, проводников. Ненаблюдаемых направлений возмуцения не остается. Результирующее магнитное поле является вращающимся с реверсом, полем и осуществляет обегающий контроль. Благодаря указанным свойствам предлагаемого способа возмущения удерживаемой поверхности будут меньше, чем у прототипа. Это дает возможность уменьшить зазор между индуктором и удерживаемым проводником, благодаря чему можно работать с меньшим значением напряженности поля у поверхности индуктора, т.е. с меньшими плотностями тока индуктора и потерями на нагрев. Поскольку соотношение между Н(0) и X (см.формулу (5) носит экспоненциальный характер, выигрыш должен быть су- 5 щественным. Оц может выражаться в экономии электроэнергии и удешевлении установленного оборудования. Или при тех же затратах в увеличении производительности и расширении ассортимента обрабатываемых материалов в сторону материалов с большей массовой плотностью и плохой проводимостью, (т.е. полупроводников).

Формула изобретения

Способ бесконтактного удержания жидких проводников, при котором создают бегущее вдоль удерживаемой поверхности проводника реверсивное электромагнитное поле, отличающий- с я тем, что, с целью увеличения производительности и расширения ассортимента удерживаемых материалов, создают вдоль удерживаемой поверх5 6

в

Г

Фиг.1

/ , h

ности второе идентичное и ортогональное первому электромагнитное поле, причем разность частот реверса обоих полей поддерживают большей частоты собственных колебаний массы удерживаемого жидкого проводника.

8

А

Т

7

h

Фиг. 2

В-В