Тимофеев В.Н. (ред.) Применение магнитогидродинамических устройств в металлургии
Подождите немного. Документ загружается.
244
Для снижения перегрева металла в канале и влияния зарастания на
режимы работы установки поперечное сечение каналов увеличивают. В
течение длительной эксплуатации печей ИАК-40/3,5 было установлено, что
относительно надежная работа печи достигается при диаметре канала не
менее 180 мм. А в отдельных вариантах конструкции индукционных единиц
диаметр продольных каналов достигает 250 мм. Большое
сечение каналов
приводит к сильному проявлению поверхностного эффекта и эффекта
близости, вызывающих существенно неравномерное распределение
плотности тока в поперечном сечении.
Большие сечения каналов и воздушные зазоры между обмоткой
индуктора и канальной частью, в сочетании с высокой электропроводностью
алюминия, а также потери энергии от протекания вихревых токов в
металлических каркасах, приводят к ухудшению электромагнитных
параметров индукционной единицы. В результате коэффициент мощности
таких единиц не превышает 0,3, а электрический коэффициент полезного
действия составляет 72 %.
Дополнительно к уже перечисленным энергетическим проблемам
следует отнести и другие особенности принятой конструкции индукционной
единицы. Повышенная реактивная мощность вызывает увеличение сечения
магнитопровода, повышению вибрации из-за магнитострикции и
недопустимый по санитарным нормам шум.
Решающим фактором, определяющим выбор такой энергетически
"неоптимальной" конструкции индукционной единицы, является требование
надежной работы, что, в конечном счете, всегда и определяет успех той или
иной конструкции индукционной канальной печи.
Таким образом, однофазная индукционная единица, применяемая для
плавки алюминия, является сложным электротермическим устройством,
требующим как при его разработке, так и при
исследовании происходящих
при индукционной плавке явлений учета многих факторов и особого
подхода.
1.5.3 Принцип действия и конструкция индукционных единиц с
электромагнитными вращателями расплава в канальной части
245
Несмотря на наблюдающийся в последние годы технический прогресс
в области конструирования и эксплуатации канальных печей для плавки
алюминия по-прежнему остро стоит вопрос о направлениях их дальнейшего
совершенствования. Например, до сих пор, пока нет общего мнения как о
механизме зарастания каналов окислами, так и о методах борьбы с ним.
Наиболее
подходящим методом борьбы с зарастанием одни авторы считают
создание транзитной циркуляции, способствующей выносу неметаллических
включений в ванну, в том числе продувкой инертного газа через каналы,
другие эффективный путь видят в конструктивных решениях,
обеспечивающих легкость механической чистки каналов.
В настоящее время одним из принципиально новых направлений
развития плавильно-литейных агрегатов стало использование
бесконтактного, легко поддающегося управлению, силового воздействия
электромагнитного поля на жидкий расплав, осуществляемого при помощи
специальных магнитогидродинамических устройств. Так, с помощью
сложного магнитогидродинамического движения ожидается уменьшение или
полное устранение зарастания. Кроме того, за счет снижения температурного
перепада между
металлом в каналах и ванной печи увеличится выделение
активной мощности в жидкометаллическом витке.
В США, например, фирмой Ajax Magnethermic Corp разработаны так
называемые струйные индукторы "Jet Flow" мощностью до 1600 кВт,
существенно превышающие скорость циркуляции и равномерность
распределения температуры. Такой индуктор мощностью 1000 кВт
обеспечивает пропускание через канал 250 т алюминия в час со скоростью
0,75 м/с при температуре между входом и выходом индукционной единицы
22 °С.
В отечественной практике для силового воздействия на расплав
применяют электромагнитные вращатели металла в канальной части.
Принцип действия эти устройств основан на следующих рассуждениях.
Поскольку частицы окислов адгезируют на своей поверхности газ, то их
столкновение сопровождается слиянием, потому что капиллярные силы в
этом случае существенно выше сил другого происхождения и процесс
конгломерации
частиц практически необратим. Если при этом в канале
индукционной единицы создать вращательное движение расплава, то в
центре вихрей окислы агломерируют в сферические тела. Вращательное
246
движение расплава, по известному принципу, приводит к возникновению его
поступательного движения, которое выносит сферические конгломераты
окислов и водорода в ванну печи.
Целенаправленным управлением движения расплава необходимо
обеспечить концентрацию дисперсных включений в центре вихря и
транзитное течение в канале, не допуская при этом локального разрушения
футеровки за счет взаимодействия с движущимся расплавом.
1.5.4 Способ и устройства вращения электропроводного тела в
пульсирующем неоднородном магнитном поле индукционной единицы
Внося в область неоднородного пульсирующего магнитного поля
экспериментальной установки проводящий цилиндр, было обнаружено, что
на последний действует вращающий момент. Величина момента и его
направление, при неизменном токе в обмотке, зависят от расположения
цилиндра в зазоре.
В результате был предложен способ вращения электропроводного тела,
заключающийся в создании неоднородного переменного электромагнитного
поля между ферромагнитными поверхностями или обмотками, в области
которого располагается электропроводное тело. С целью регулирования
скорости и направления вращения, изменяют расстояние между
электропроводным телом и ферромагнитными поверхностями или
обмотками.
Под действием первичного магнитного поля (силовые линии показаны
сплошными линиями) в электропроводном теле наводятся вихревые токи,
создающие свое магнитное поле (пунктирные линии). На рис. 1.5.6 а,б,в
показаны направления вращения цилиндрического тела при различном его
расположении относительно ферромагнитных поверхностей. Если
электропроводное тело смещено относительно оси симметрии (рис. 1.5.6 а,в),
то магнитные
сопротивления вторичному магнитному потоку, относительно
плоскости перпендикулярной ферромагнитным поверхностям, будут
различными. Вследствие различного размагничивающего действия этих
потоков и неоднородности первичного магнитного поля создается
вращающий момент, и электропроводное тело приводится во вращение. В
случае расположения электропроводного тела симметрично относительно
247
ферромагнитных поверхностей (рис. 1.5.6 б) вращающий его момент равен
нулю.
Рассмотренный способ можно легко реализовать в индукционных
единицах, практически, без дополнительных устройств и переделки ее
конструкции, что позволяет получить интенсивное вращательное движение
металла в каналах.
Для этого достаточно сместить продольные каналы относительно
плоскости, проходящей через центр катушки индуктора и перпендикулярной
ее продольной оси, на величину 0,25- 0,5 диаметра продольного канала.
Данный способ создания вращательного движения электропроводного
тела в неоднородном магнитном поле является основой построения целого
ряда устройств для вращательного движения жидкого металла в каналах
индукционных единицах индукционных канальных печей, а также способов
регулирования и управления вращательным движением металла.
248
Рис. 1.5.6 – Эскиз вращения электропроводного тела
249
На рис. 1.5.7 а,б,в показано три варианта смещения каналов с жидким
металлом индукционной единицы . В первом варианте (рис. 1.5.7 а) каналы
смешаются по разные стороны от плоскости симметрии N-N. Вращение
металла при этом в обоих каналах направлено против часовой стрелки. Во
втором варианте (рис. 1.5.7 б) каналы смещены в одну сторону от
плоскости
N-N`. При этом в одном канале вращение металла направлено по часовой
стрелки, а в другом против.
С точки зрения устранения зарастания продольных каналов окислами
плавки не имеет значение направление вращения металла в них. А скорость
транзитного течения металла вдоль осей каналов, влияющая на
интенсивность тепломассообмена между канальной частью и ванной печи,
зависит от направления вращения металла в обоих каналах. Поэтому для
различных технологических целей может использоваться тот
или другой
вариант смещения.
На рис. 1.5.7 в показан третий вариант реализации способа вращения
металла в каналах. Оси продольных каналов лежат в плоскости симметрии N-
N`, а в свободной области окон магнитопровода располагаются шихтованные
ферромагнитные вставки. При этом, каналы оказываются расположенными
также несимметрично относительно ферромагнитных поверхностей. Этот
вариант имеет преимущество перед предыдущими в том, что ненужно
изменять
крепление шпилек магнитопровода к каркасу печи. Однако при его
реализации возрастает индуктивное сопротивление обмотки индуктора.
Из анализа рассмотренных вариантов следует вывод, что реализация
предложенного способа не требует дополнительных устройств и затраты
энергии. Недостатком способа является ограниченность скорости вращения
жидкого металла.
250
Рис. 1.5.7 – Индукционная единица со смещением продольных каналов
251
1.5.5 Дополнительные устройства для электромагнитного
вращения расплава в канале индукционной единицы
Электромагнитный вращающий момент электропроводного расплава в
каналах индукционной единицы можно получить также за счет
взаимодействия плотности тока в металле
ZZ
e
и радиальной
составляющей магнитной индукции
B дополнительного магнитного поля.
Источниками дополнительного магнитного поля могут быть кольцеобразные
катушки с током, надетые на продольный канал. На рис. 1.5.8 изображен
участок продольного канала с кольцеобразными катушками, которые
размещены соосно каналу с шагом h по длине. Электрическое соединение
отдельных катушек между собой выполнено таким образом, чтобы токи в
соседних катушках имели противоположное
направление. Токами катушек
создается дополнительное магнитное поле, взаимодействие радиальной
составляющей магнитной индукции которого
B с плотностью тока канала
Z
обеспечивает появление тангенциальной объемной силы
Z
. Эпюра
объемной силы
f по длине канала показана стрелочками. В соответствие с
распределением
f по длине канала, аналогично распределяется и
электромагнитный вращающий момент.
Недостатком устройства является непостоянство скорости вращения по
длине канала и большая величина дополнительной энергии, питающей
Атушки. Как показали экспериментальные исследования, для получения
требуемой скорости вращения расплава в канале индукционной единицы,
общий ток кольцеобразной катушки должен быть соизмерим с током канала.
По этой причине рассмотренное устройство не нашло практического
применения.
252
Рис. 1.5.8 – Кольцеобразные катушки с током, охватывающие
канал
1.5.6 Электромагнитный экран в виде сектора
Из качественного анализа магнитного поля в области индуктор-канал
следует, что продольные каналы с жидким металлом пронизываются
253
пульсирующим первичным магнитным полем, силовые линии которого
параллельны оси обмотки индуктора.
Как известно из теории однофазных асинхронных двигателей, для
получения вращающего магнитного поля необходимо наложить два
магнитных потока, сдвинутых по отношению друг к другу по фазе и в
пространстве. Если на пути части магнитного потока рассеяния
индукционной единицы поставить электромагнитный экран, то в нем будут
наводиться вихревые токи, создающие свой магнитный поток
. Поскольку
экран имеет активное и индуктивное сопротивления, то его магнитный поток
будет, сдвинут по фазе относительно неэкранированной части потока
рассеяния. В результате наложения всех магнитных потоков в области канала
появится бегущее магнитное поле, приводящее расплав во вращение.
На этом принципе предложено устройство электромагнитного
вращателя, схематично изображенное на рис. 1.5.9. Индуктор ИЕ состоит из
прямоугольного сердечника 1 и обмотки 2. Для механической прочности
футерованный продольный канал 4 с жидким расплавом 3 охвачен
цилиндрическим каркасом 5. Каркас выполнен из немагнитной стали и
изолирован от каркасов ванны и поперечного канала для избежания
образования из каркасов короткозамкнутой обмотки
.
Медный электромагнитный экран 6 представляет собой сектор полого
кругового цилиндра с углом раскрытия
. Экран может поворачиваться
вокруг оси канала и устанавливаться под любым углом
к силовым линиям
первичного магнитного поля.
При подключении обмотки индуктора 2 к сети переменного
напряжения создается магнитный поток рассеяния
1
Ф , на рис. 1.5.9 показан
сплошными линиями. Частью магнитного потока
1
Ф в проводящем секторе
наводятся вихревые токи. Направление магнитного потока
2
Ф от вихревых
токов зависит от угла установки сектора
. На рис. 1.5.9 магнитный поток
2
Ф
показан пунктирными линиями. В результате наложения потоков
1
Ф
и
2
Ф в
области канала создается вращающееся магнитное поле.
Рассматриваемое устройство позволяет также изменять направление
вращения расплава в канале.
Достоинством электромагнитного экрана является надежность работы
и простота регулирования скорости вращения.