РАЗЛИЧНЫЕ МАГНИТОГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Предложенные автором способы рафинирования жидкого металла при искусственном изменении его кажущегося удельного веса вызвали большой поток последующих изобретательских предложений.

Выше указывалось, что градиент гидростатического давления в столбе несжимаемой жидкости является постоянной по всему объему жидкости величиной, не зависящей от особенностей конструкции. Преднамеренным неравномерным распределением электромагнитных сил можно создать переменный градиент давления в жидком металле и дать произвольную эпюру статического давления в нем. Например, можно моделировать в жидком металле распределение давления, свойственное сжимаемой среде, плотность которой пропорциональна давлению, или не существующей в природе среде, плотность которой обратно пропорциональна давлению. Неравномерные с заданным законом распределения индукции электромагнитные поля создаются индукторами с переменным шагом витков.

Взаимодействие тока с его собственным магнитным полем вызывает в расплаве электромагнитные силы, направленные радиально — от периферии к центру сечения канала. Эти электромагнитные силы определяют градиент давления, нарастающего от периферии к центру, а следовательно, вызывают и противоположно направленные выталкивающие силы, действующие на взвешенные частицы непроводящей фазы. Численный расчет показал, что эффект отжимания, напрщиер, оксид

ных частиц из расплава алюминия на стенки канала индукционной печи квазиар- химедовыми силами электромагнитного происхождения соизмерим с действием выталкивающих (архимедовых) сил, обусловливающих их всплывание на поверхность ванны в естественных условиях. Этим объясняется ускоренное зарастание каналов индукционных печей и магнитодинамических насосов и саморафинирова- ние расплава в последних [55].

Аналогично твердым частицам неметаллических включений вытесняются из расплава к стенкам канала газовые пузыри.

где символ Re обозначает реальную часть произведения комплексных величин; В* — величина, комплексно-сопряженная с В.

Известно [56], что в бесконечно длинном круглом проводнике плотность переменного тока на расстоянии г от оси

где Н0 — напряженность магнитного поля на поверхности проводника; J0 — функция Бесселя первого рода нулевого порядка; Jx — функция Бесселя первого рода первого порядка.

Индукция магнитного поля на расстоянии г от оси

(63)

где г0 — радиус сечения канала.

Подставляя выражения (62) и (63) в формулу (61), получим элементарную электромагнитную силу (или с обратным знаком — градиент давления):

На рис.

Рис. 41. Распределение давления р (слева) и градиента давления Ар (справа) в поперечном сечении жидко-металлического проводника с током (сплошные линии — градиент давления, пунктирные линии — локальное давление)

Из рис. 41 видно, как изменяется характер воздействия электромагнитных сил на жидкий металл в зависимости от степени прозрачности его для поля. Например, при частоте 50 Гц картина электромагнитных сил в жидком алюминии в указанном канале радиусом 0,05 м несколько отличается от той, что наблюдается при постоянном токе. Для жидкой стали в таком же канале заметное перераспределение сил начинается при частоте gt;300 Гц. По мере дальнейшего увеличения частоты объемные силы все больше проявляются в периферийных слоях металла, график давления приобретает все более плоскую вершину. Практически можно считать, что давление, создаваемое пинч-эффектом, достигает постоянного значения на некотором расстоянии от поверхности жидкого проводника, равном глубине проникновения электромагнитной силы. При увеличении частоты максимальное значение градиента давления возрастает, но область больших его значений оттесняется к периферии сечения канала.

При достаточно высокой частоте характер силового воздействия на жидкий металл приближается к действию поверхностных сил, например поверхностного натяжения или внешнего давления. В пределе при поверхностных токах давление скачком (grad 0 = 00) изменяется от нуля в области вне токового слоя до постоянного значения по всему сечению канала внутри этого слоя. Этот предельный случай (явление электромагнитного поверхностного натяжения) интересен тем, что при нем объемные электромагнитные силы обращаются в поверхностные, которые могут быть полностью уравновешены гидростатическим давлением и не вызывают вихревых течений в открытых концах канала. Возможность приравнивания вихревых и потенциальных сил в данном случае может быть использована в качестве краевого условия при решении некоторых трудных задач теории поля. Перераспределение градиента давления по радиусу сечения канала, вызванное поверхностным эффектом, существенно влияет на выталкивающие силы, действующие на непроводящие включения в расплаве. Возрастание градиента давления и соответствующего условного удельного веса расплава в поверхностных слоях (у стенки канала) способствует более интенсивному выделению частиц из расплава, но при этом эффективному воздействию подвергается все меньшая часть всего объема расплава, находящегося в канале. В отмеченном предельном случае выталкивающие силы имеют бесконечно большую величину, но сконцентрированы в бесконечно тонком слое, т.е. в расплаве практически отсутствуют. Случай этот интересен тем, что выталкивающие силы делают невозможным внедрение в жидкий металл каких-либо непроводящих включений, отщепляющихся от стенки канала. По-видимому, и в реальных условиях ток достаточно высокой часготы, проходящий по жидкому металлу, способен уменьшить эрозию огнеупорной футеровки. Таким же образом, как показано выше для проявления линейного пинч-эффекта, происходит и перераспределение давления и его градиента с-изменением относительной частоты при азимутальном пинч-эффекте. Такой пинч-эффект имеет место в садке жидкого металла в тигельной индукционной печи или другом объеме расплава, охваченном соленоидом, по которому протекает переменный электрический ток достаточно высокой частоты.

В работе [6, с. 187] упоминалось о выталкивающих силах, действующих на неметаллические включения в канале любого электромагнитного насоса в направлении, противоположном направлению потока жидкого металла. Из предыдущего следует, что этот эффект, препятствующий прохождению непроводящих включений через канал насоса ("электромагнитное сито" по определению В.П.Полищука), не зависит от положения канала относительно горизонтали. Теоретический вывод автора о существовании этого эффекта и его влиянии на твердые неметаллические частицы в расплаве подтвердился в экспериментах и получил дальнейшее развитие в работе Ю.А.Александрова, рассмотревшего аналогичные вопросы, касающиеся содержащихся в расплаве газов [57]. До сих пор имелись в виду постоянные значения давлений и градиентов давления, имеющих место в МГД-уст- ройствах, работающих при постоянном токе, или их осредненные во времени и пространстве значения в устройствах переменного тока. Их периодическое изменение во времени и периодическое распределение в пространстве (в МГД-уст- ройствах с бегущим магнитным полем) создают свою структуру поля электро магнитных сил. Характеристическим линейным размером для этих процессов является длина волны бегущего магнитного поля, т.е. полюсный шаг обмотки индуктора. Исследование неизученных МГД-явлений на этом более тонком уровне представляет не только теоретический, но и практический интерес. В частности, здесь можно ожидать влияния пульсации электромагнитных сил на процессы коагуляции и вытеснения взвешенных в расплаве включений, влияния градиентов давления, связанных с пространственной волной давления в двухфазной зоне, на процессы кристаллизации расплавов и т.п. Это разнообразие возможных форм силового воздействия на жидкий металл имеет, по-видимому, широкий спектр возможных технологических применений. По-видимому, в ближайшем будущем многие новые процессы, основанные на эффекте кажущегося изменения удельного веса расплавов, будут использованы для создания методов прикладной магнитной гидродинамики.