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

Подождите немного. Документ загружается.

154

- уменьшается количество потребляемой электроэнергии на 15%;

- ускоряется процесс растворения легирующих добавок и снижается

их расход.

Снижение температуры поверхности расплава при применении МГДП

позволяет уменьшить образование шлака (рис. 1.1.18), а снижение средней

температуры расплава по всей ванне позволяет уменьшить насыщение

расплава водородом (рис. 1.1.19). Характерная зависимость выравнивания

температур между поверхностью и дном ванны

показана на рисунке 1.1.20.

Рис. 1.1.18 – Зависимость образования

шлаков (окисления) от температуры

поверхности расплава

Рис. 1.1.19 – Зависимость растворяемости

водорода от температуры расплава

Рис. 1.1.20 – Зависимость температуры слоев в ванне миксера от времени перемешивания

водорода от температуры расплава

155

Также необходимо отметить, что при нагреве расплава без МГД-

перемешивания, интенсивный тепломассобмен в расплаве за счет

естественной конвекции невозможен из-за нагрева расплава сверху, что

делает слои жидкости устойчивыми. Однако, незначительные конвективные

течения ячеистой структуры в расплаве будут происходить под действием

горизонтального градиента температуры, вызванного неравномерным

нагревом поверхности.

МГД-перемешиватель

используемый в описанной выше

технологической установке сплавов представляет из себя двух или

трехфазную одностороннюю линейную индукционную машину (ЛИМ),

устанавливаемую под днищем или в боковой стенке печи. Основным

отличием ЛИМ от асинхронных машин является то, что они имеют

разомкнутую магнитную цепь. В России наибольшее распространение

получили МГДП производства ООО «НПЦ магнитной гидродинамики

» (г.

Красноярск) и ОАО «Электросила» (г. Санкт-Петербург). За рубежом

основным производителем МГДП является фирма ABB (Германия), однако

небольшое количество МГДП выпускается и другими фирмами - General

Electric Сo (США), Atomic International (США), Westinghouse Electric Corp.

(США), Novaatom (Франция), Toshiba (Япония), Mitsubishi Atomic Power

Industries Inc. (Япония), СКБ МГД Института физики АН республики Латвия

(г. Рига). Стоит отметить, что в общем случае двухфазные индукторы

МГДП

предпочтительнее трехфазных из-за более простой конструкции при

одинаковой длине индуктора и мощности. Наиболее распространенный в

России МГДП с бегущим магнитным полем производства НПЦ Магнитной

гидродинамики представлен на рис. 1.1.21 и 1.1.22.

Рис. 1.1.21 - МГД перемешиватель

установленный под подиной поворотного

Рис. 1.1.22 - МГД перемешиватель

установленный в стенке стационарного

156

миксера миксера

Основные типы обмоток, используемых для изготовления МГДП

показаны на рисунке 1.1.23. На рисунке 1.1.23, а обозначены основные

размеры, характеризующие индуктор: 2τ – двойной полюсный шаг или длина

индуктора; 2а – ширина магнитопровода; h

– высота индуктора; w

– ширина

индуктора; h

- глубина паза; l

– длина паза; l

– длина зубца. В катушку

каждой фазы подается синусоидально изменяющийся ток от источника тока с

фазовым сдвигом 90

. Это позволяет добиться максимального усилия,

развиваемого индуктором в расплаве. Подключение обмоток индуктора к

источнику тока позволяет избежать эффекта переноса мощности между

обмотками разных фаз. Эффект переноса мощности как правило может

привести к изменению сдвига фаз между токами при питании установки от

источника напряжения. Частоту напряжения источника подбирают исходя из

требуемой

глубины проникновения бегущего ЭМП в расплав δ, которую

определяют по выражению:

 

422









 

Глубина проникновения характеризует расстояние, на котором ЭМП

затухает в е=2,718… раз. Иначе говоря, на глубине δ сосредоточено 86% всей

энергии ЭМП проникающего в расплав. Для выбора глубины проникновения

в заданной ванне расплава нет точного обоснования в теоретических работах,

однако обычно глубину проникновения подбирают исходя из того, что она

должна быть равна

половине глубине ванны или меньше. Частоту питающего

напряжения при этом подбирают экспериментально в узком диапазоне от 0,1

до 2 Гц.

157

Рис. 1.1.23 – Наиболее распространенные обмотки МГДП

В результате воздействия бегущего ЭМП в расплаве возникают

вихревые токи, а с ними и поле сил Лоренца действующих на расплав. На

рисунке 1.1.24 показано распределение сил Лоренца в продольном сечении

ванны действующих на расплав при установившемся движении. На рисунке

1.1.25 приведена типичная картина распределения магнитной индукции в

индукторе и расплаве. Из

анализа распределения сил, видно, что кроме

тангенциальных сил, обеспечивающих горизонтальное движение расплава,

существуют значительные нормальные составляющие сил (силы

отталкивания), особенно на входной части индуктора, что обусловлено

входным эффектом. Значительные тангенциальные силы на выходе

индуктора и преобладание их над нормальными силами обусловлено

продольным краевым эффектом, обеспечивающим тангенциальное движение

расплава. Очевидно, что при

таком неоднозначном распределении сил,

характер движения расплава будет сложным и его трудно предсказать.

158

Рис. 1.1.24 – Силы Лоренца, действующие на ванну (вид сбоку). Определено численным

моделированием

Рис. 1.1.25 – Магнитуда индукции магнитного поля в расплаве и индукторе. Определено

численным моделированием

Для того чтобы визуально оценить характер траекторий в расплаве и

скорости развиваемые в придонном слое, удобно воспользоваться

результатами численного моделирования (рис. 1.1.26, 1.1.27)

Рис. 1.1.26 – Траектории в ванне расплава Рис. 1.1.27 – Скорости вблизи подины

159

Характерные рабочие параметры описанного выше индуктора лежат в

следующем диапазоне:

Ток в обмотке индуктора I – 150 ÷ 250 А;

Активная мощность P – 11 ÷ 32 кВт;

Коэффициент мощности cosφ – 0.15 ÷ 0.2;

Масса - 4500 ÷ 6500 кг;

Немагнитный зазор – 0.2 ÷ 0.4 м.

К преимуществам описанного МГДП можно отнести возможность

создания сильного магнитного поля, поступательный характер движения

поля (что обеспечивает создание направленного потока) и возможность

регулировать скорость

движения металла за счет регулирования частоты

питающего напряжения. Недостатками данного устройства являются

необходимость использования специализированного источника питания

пониженной частоты , компенсации реактивной мощности, организации

эффективного воздушного или водяного охлаждения обмоток (что требует

создания системы с замкнутым циркулированием воды), а также высокая

масса индуктора (в случае больших немагнитного зазора или емкости печи).

Одним

из перспективных направлений развития МГДП является

направление, связанное с использованием в их конструкциях постоянных

магнитов, которые могут быть выполненными как с использованием

редкоземельных металлов, так и с использованием магнитов в виде катушек

индуктивности питаемых постоянным током. Движение металла при

использовании таких магнитов обеспечивается тем, что вращающееся

магнитное поле создается за

счет вращения постоянных магнитов.

Наиболее успешный опыт внедрения таких устройств имеет Китайская

народная республика (КНР), (компания Apollo). Ниже на рисунке 1.1.28

представлен МГДП на постоянных магнитах предназначенный для установки

под подиной стационарной печи.

160

Рис. 1.1.28 – МГДП на постоянных магнитах

1.1.6 Дозирование жидкого металла при помощи МГД - насосов

Проблема перекачивания жидкого металла из миксеров в литейную

машину связана с проблемой его дозирования. Задача дозирования состоит в

создании таких условий, при которых определенное количество жидкого

металла протекало бы по металлопроводу за данный промежуток времени,

или возникает необходимость по данному сигналу отмерить

определенное

количество металла и прекратить его подачу. В соответствии с этими двумя

задачами можно установить понятия непрерывного дозирования и задачу

порционного дозирования.

Применение МГД - насосов для решения этих задач позволяет

осуществить бесконтактное воздействие на металл и автоматизировать

процесс разливки. Возможны несколько способов изготовления и установки

дозирующих устройств на плавильно-литейные

агрегаты. На рис. 1.1.29 и

рис. 1.1.30 представлены схемы горизонтального МГД - дозаторов с

цилиндрическим и прямоугольным каналами. Здесь: 1 - расплав металла в

ванне; 2 - кристаллизатор; 3 - цилиндрический МГД - насос; 4 - система

автоматического управления дозатором. Характерной особенностью этих

дозаторов является то, что при отсутствии тока в индукторе, металл в канале

насоса затвердевает, создавая при этом запирающую пробку.

161

Рис. 1.1.29 – Схема применения горизонтального электромагнитного дозатора

Вначале разливки происходит расплавление металла в канале, а затем

насос управляет скоростью его подачи в литейную машину.

Рис. 1.1.30 – Горизонтальный электромагнитный дозатор Коневского

На рис. 1.1.30 представлена схема применения МГД - дозатора

сифонного типа. Особенностью этого дозатора является соединение сифона с

МГД - насосом. На рис. 1.1.31 представлен МГД - дозатор вертикального

типа с запирающим штоком 2, который находится в среде расплавленного

металла.

162

Рис. 1.1.30 – Схема применения электромагнитного

дозатора сифонного типа

МГД - дозаторы лоткового (рис.

1.1.32) и погружного (рис. 1.1.33)

типов позволяют осуществлять

разлив только при подключении

индукторов к источникам

электрической энергии. При

отключении МГД - насосов

разлив прекращается и металл

возвращается в ванну печи.

Каждый способ имеет свои

преимущества и недостатки.

Рис. 1.1.31 – Схема применения вертикального

электромагнитного дозатора

163

Рис. 1.1.32 – Схема применения лоткового

электромагнитного дозатора

Рис. 1.1.33 – Схема применения

погружного электромагнитного дозатора

1.1.7 Электромагнитный кристаллизатор

Электромагнитный кристаллизатор (ЭМК) состоит из трех основных

элементов: индуктора 1, электромагнитного экрана 2 и кольцевого

охладителя 3 (рис. 1.1.34). Для создания равномерного магнитного поля по

периметру жидкой зоны и уменьшения питающего напряжения в ЭМК

применяются только одновитковые индукторы, изготовленные из медной

прямоугольной трубки или медной шины.