Тимофеев В.Н. (ред.) Применение магнитогидродинамических устройств в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

234

расплава перед последующим затвердеванием и с формированием структуры

слитков и отливок с требуемыми функциональными свойствами.

1. При внесении твердых тел в расплав необходимо обеспечивать

максимально возможную равнодоступность поверхностей движению потока,

в том числе и их наиболее благоприятную ориентацию к направлению

движения.

2. Сведение к минимуму возможного взаимного экранирования при

массовой загрузке

дисперсных или кусковых материалов.

3. Искусственное обеспечение промежуточных зазоров между

поверхностями для возможности циркуляции жидкости и возбуждения

микроконвекции в, как правило, ламинарном приграничном слое.

4. Возбуждение турбулентных вихрей в эффективном приграничном

слое с целью интенсификации конвективного массопереноса с помощью

возбуждения микронеоднородного ЭМП и известных механических приемов

турбуризации потока.

5. Имитация хорошо известных

явлений аэродинамической

турбуризации для создания аналогичных вихрей в потоке «электронного

ветра», увлекающего ионы, и усиления конвекции в эффективном

приграничном слое с соответствующим ускорением процесса массопереноса.

6. Использование известных электрокинетических и

электромеханических эффектов изменяющих скорости и направления

массопереноса, а особенно в эффективном приграничном слое на твердых

поверхностях.

7. Использование влияния ориентации спинов свободных

и связанных

электронов на взаимодействие с нормальными и активированными ионами

растворяемого твердого тела.

235

1.5 Управление циркуляцией расплава при плавке металлов и

сплавов

Индукционная плавильная тигельная печь (ИТП) (рис. 1.5.1)

представляет собой цилиндрическую электромагнитную систему с

многовитковым индуктором. Поскольку загрузка нагревается до

температуры, превосходящей температуру плавления, обязательным

элементом конструкции печи является тигель - сосуд, в который помещается

расплавленная шихта. В зависимости от электрофизических свойств

материала тигля тигля различают индукционные печи с непроводящим и с

проводящим

тиглем. К первой группе относятся печи с диэлектрическим

тиглем, предназначенным для плавления металлов. В таких печах загрузка

(садка) нагревается индуктированным в ней током. Ко второй группе

относятся печи со стальным графитовым или графито-шамотным

электропроводным тиглем. Индуктированный ток в этом случае

сосредоточен в стенке тигля. Загрузка же нагревается путем теплопередачи

может не обладать электропроводностью.

Рис. 1.5.1 – Устройство ИТП; а) – печь с неэлектропроводным тиглем; б) – ИТП с

электропроводным тиглем;

1 – индуктор, 2 – расплав (загрузка), 3 – диэлектрический тигель, 4 -

электропроводный тигель, 5 - футеровка

236

Печи с проводящим тиглем имеют теплоизоляцию. В зависимости от

того, идет ли процесс плавки на открытом воздухе или в вакууме

(защищенной атмосфере) различают печи:

•

открытые (плавка на воздухе);

•

вакуумные (плавка в вакууме);

•

компрессионные (плавка под избыточным давлением).

По организации процессов по времени различают печи

периодического, полупериодического и непрерывного действия. В ИТП

индуктор охватывает тигель и расплавляет им металл. Из-за отсутствия

концентрирующего поля магнитопровода электромагнитная связь между

индуктором и загрузкой сильно зависит от толщины степени тигля. Для

обеспечения высокого электрического КПД изоляция должна

быть как

можно тоньше.

С другой стороны футеровка должна быть достаточно толстой для того,

чтобы противостоять термическим напряжениям металла. Следовательно,

следует искать компромисс между электромагнитными и прогностическими

критериями.

В соответствии с энергетическим балансом ИТП уровень

электрического КПД почти у всех типов печей составляет около 0.8.

Приблизительно 20% исходной энергии теряется в индукторе

в виде

Джоулева тепла. Отношение тепловых потерь через стенки тигля к

индуктированной в расплаве электрической энергии достигает 10%, поэтому

полный КПД печи составляет около 70%.

Диапазон емкостей ИТП очень широк. В качестве примера можно

указать ИТП емкостью до 100 грамм для зубопротезных мастерских и

немецкую установку для отливки крупных судовых винтов из бронзы

емкостью

120 тонн фирмы «Юнкер». Крупные тигельные печи работают на

частоте 50Гц. Однако, с ростом возможности полупроводниковой техники

все большее применение находят среднечастотные печи до 10 кГц.

Экономический подход к выбору частоты заключается в том, чтобы в

диапазоне частот, отвечающим требованиям высокого КПД индуктора

выбрать частоту, соответствующую минимальным затратам на печную

установку. Окончательную

частоту следует выбирать, выполнив

сравнительные технико-экономические расчеты по двум-трем вариантам.

237

Большее число вариантов рассчитывать не приходится в виду граничной

номенклатуры источников питания.

Печи малой емкости, не превышающие 20-30 кг, работают на высоких

частотах. Более крупные печи емкостью до нескольких сотен килограмм (а

для стали до нескольких тонн) работают на средних частотах 150-10000 Гц.

Не редко индуктор включается по автотрансформаторной схеме

включения. Отводы

позволяют изменить напряжение на индукторе,

поднимая его выше напряжения источника и не выше номинального

напряжения конденсаторов, подключаемых параллельно индуктору. Иногда

применяется схема, позволяющая регулировать мощность за счет изменения

соотношения емкостей с

и с

Источниками питания крупнотоннажных печей, работающих на

частоте 50 Гц, служат специальные понижающие печные трансформаторы,

вторичное напряжение которых может изменяться ступенями в широких

пределах. Регулирование вторичного напряжения может производиться

дистанционно. Оно необходимо для обеспечения нормальной работы печи

при частичном заполнении тигля и в режиме термостатирования расплава.

Печь, работающая на частоте 50Гц, представляет

собой однофазную

нагрузку, которая при значительной мощности может вызвать недопустимую

нессиметрию токов и напряжения питающей трехфазной системы. Это

обуславливает необходимость применения специальных симметрирующих

устройств.

Наиболее распространенная схема Штейнмеца обеспечивает полное

симметрирование при чисто активной постоянной однофазной нагрузке.

Схема симметрирования с дроссельными делителями позволяет

симметрировать нагрузку с активно-индуктивной реакцией.

Поскольку параметры

печи по ходу плавки не остаются постоянными,

для обеспечения симметричной загрузки сети в течение всего процесса

плавки разработаны симметрирующие устройства, в которых

симметрирующая емкость состоит из постоянной батареи

конденсаторов,которые могут подключаться контакторами параллельно

батареи или дросселю.

1.5.1 Циркуляция расплава в ИТП.

238

Расплавленный металл в ИТП обжимается электромагнитным полем. В

средней по высоте части цилиндрического тигля, где не сказывается краевой

эффект, имеется максимум силы, направленный радиально к оси.

Тигельная печь представляет собой относительно короткую

электромагнитную систему, поэтому к краям электродинамические силы

уменьшаются и расплав совершает контурную циркуляцию. Интенсивная

электромагнитная циркуляция является достоинством

ИТП, потому что

ускоряет расплавление, выравнивая температурно-химический состав ванны,

способствуя взаимодействию металла со шлаком. К недостаткам контурной

циркуляции относится:

1. Верхняя и нижняя части ванны металл циркулирует раздельно и

слабо сливается;

2. На поверхности ванны образуются выпуклый миниск. Высота

миниска не должна превышать 15% от высоты расплава печи.

При радиальном направлении электродинамических

сил по всей высоте

тигля, высота мениска определяется из условия равенства

электродинамического давления на оси тигля Р

ст

и гидростатического

давления столба металла h

















1023.0

81.9

где

P -удельная мощность печи;



-плотность кг/м

;

f - частота;



- электропроводность.

При проектировании ИТП нередко удельную мощность приходится

ограничивать из соображения магнитной электродинамики, т.е. при

увеличении удельной мощности растет h

Наиболее распространенный способ уменьшения высоты миниска

состоит в расположении верхнего края индуктора ниже зеркала ванны. При

такой конструкции поля верхней части ванны ослабевает и циркуляция

вблизи оси тигля не достигает поверхности. В результате зеркало ванны

239

остается практически плоским. Предложен ряд схемных решений для

улучшения церкуляции металла в ИТП. Например: двухконтурная система

питания индуктора (рис. 1.5.2), позволяющая перераспределить мощность и

электродинамические силы по высоте ванны путем регулирования емкости

конденсаторной батареи

c , и

c .

Радикальным решением

проблемы улучшения

электродинамического

перемешивания металла в

тигельной печи, правда ценой

значительного усложнения

системы электропитания,

является осуществления

одноконтурной циркуляции

(рис. 1.5.3)с помощью

бегущего поля. В такой печи

металл перемешивается во

всем объеме ванны, а

поверхность её остается почти плоской. Бегущее поле, оказывающее силовое

воздействие на расплав, создается многофазным

током низкой частоты (16

или 50Гц). Энергия для нагрева передается в садку на более низкой частоте,

т.е. печь оказывается двухчастотной.

Рис. 1.5.2 – Двухконтурная циркуляция

расплава в ИТП

240

Нагрев или перемешивание

могут производиться одновременно

или поочередно. В первом случае

используются раздельные индукторы:

однофазные - для нагрева,

многофазные - для перемешивания:,

оборудованные фильтрами для защиты

источника одной частоты от

проникновения другой частоты. Во

втором случае печь имеет

секционированный индуктор,

подключенный поочередно к

различным источникам питания.

Рис. 1.5.4 – Одноконтурная циркуляция расплава в ИТП с бегущим магнитным

полем

Рис. 1.5.3 – Одноконтурная

циркуляция

расплава в ИТП

241

1.5.2 Особенности плавки алюминия в индукционных плавильных

печах

Плавка алюминия и его сплавов в индукционных плавильных печах

отличается рядом преимуществ:

- малым расходом электроэнергии (от 450 до 500 кВт ч/т);

- незначительным угаром (не более 0,5 %);

- высоким качеством металла по однородности химического состава,

чистоте по неметаллическим включениям и газосодержанию;

- энергетической эффективности (КПД в рациональных конструкциях

достигает 70 % и более);

- возможностью автоматизации режима плавки и выдержки металла, а

также механизации вспомогательных операций;

- хорошими санитарно-гигиеническими условиями труда

обслуживающего персонала и экологической чистотой.

Основным элементом индукционной канальной печи, в котором

происходит непосредственное преобразование электрической энергии,

является индукционная единица. Эскиз индукционной единицы представлен

на рис. 1.5.5. Она представляет собой электромагнитную систему индуктор-

канал, состоящую из индуктора, включающего в себя магнитопровод 1 с

обмоткой 2 и канальной части. Канальная часть состоит из двух продольных

3 и двух соединительных 4 каналов

, один из которых (верхний) расположен в

ванне печи. Продольные и нижний соединительный каналы заключены в

металлические каркасы 5 и футеровку 6.

По принципу действия индукционная единица аналогична силовому

трансформатору, роль вторичной обмотки в котором выполняет

расплавленный металл в каналах, образующих короткозамкнутый виток.

Разница состоит в том, что неизбежно выделяющееся в трансформаторах

тепло снижает их коэффициент полезного действия, тогда как в

индукционных единицах выделение тепловой энергии в канальной части

является основным технологическим процессом

. Кроме того, индукционные

единицы и силовые трансформаторы имеют существенные отличия в

конструкции. В трансформаторах есть возможность достаточно близко

располагать первичные и вторичные обмотки, обеспечивая при этом их

242

индуктивную связь. В индукционных единицах первичная обмотка

значительно удалена от вторичной, что обусловлено наличием футеровки.

Поэтому воздушные зазоры между обмоткой индуктора и канальной частью

составляют от 100 до 150 мм. Большие магнитные поля рассеяния приводят к

ухудшению электромагнитных параметров индукционных единиц и

вызывают существенные потери энергии от протекания вихревых токов в их

металлических каркасах.

Рис. 1.5.5 – Эскиз индукционной единицы

243

Индукционная канальная печь для плавки алюминия содержит

несколько индукционных единиц, количество которых определяется

емкостью печи, ее геометрическими размерами, заданной

производительностью и, в основном, мощностью индукционной единицы.

Особенности конструкции и эксплуатации индукционных канальных

печей связаны со свойствами алюминия и его окиси.

Алюминий легко окисляется. Поэтому в процессе приготовления

алюминиевых сплавов в расплаве, контактирующем с атмосферой и

огнеупорной стенкой, всегда образуются частицы окислов. Но вследствие

поверхностного натяжения на поверхности жидкого металла образуется

пленка окиси, которая плотно закрывает зеркало ванны и предотвращает

дальнейшее окисление расплава. При проведении плавки пленка

периодически нарушается и поскольку окись

тяжелее расплавленного

алюминия, то частицы окислов опускаются на подину печи и попадают в

каналы. Из-за высокой химической активности окись алюминия вступает во

взаимодействие с футеровкой, что приводит к неминуемому зарастанию

каналов. В отечественной практике для футеровки канальной части

применяют жаропрочный бетон на жидком стекле, проявляющий

повышенную склонность к зарастанию,

но в остальном отвечающий

основным требованиям, предъявляемым к футеровке печи. Попытка

применения нейтральной футеровки по отношению к алюминию и его окиси

оказались неудачными по причине малой ее стойкости. Обладая малой

плотностью и большой электропроводностью, алюминий легко поддается

воздействию электродинамических сил, что приводит к интенсивному

движению металла и как следствие локальному размыванию

футеровки

каналов.

Практика приготовления алюминиевых сплавов в крупнотоннажных

печах показала, что полное зарастание канала происходит в течении одной

плавки. Чтобы поддерживать установку в рабочем состоянии, необходимо

проводить механическую чистку канала перед каждой новой плавкой. Это

влечет за собой вынужденные простои оборудования и сокращение срока

службы футеровки каналов. В связи с этим, для обеспечения

возможности

очистки, каналы выполняют с прямоугольными участками и

цилиндрическими в поперечном сечении.