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

Подождите немного. Документ загружается.

174

Таким новым принципом является использование электромагнитных

сил, создаваемых в жидком металле при помощи бегущего

электромагнитного поля. Разработка основанных на этом принципе

устройств для нагнетания и дозирования расплавленного металла была

начата Л.А. Верте в 1947 году. Поскольку никакие более ранние

исследования в этом направлении не были в то время известны и

предложение вызвало принципиальные сомнения как у металлургов, так и у

ряда электриков, в 1947-1950гг. были построены модели, на которых в

опытах со ртутью и оловом была доказана физическая реальность нагнетания

жидкого металла посредством бегущего магнитного поля.

Также была доказана возможность прекращения с его помощью

истечения металла через открытый канал, соединенный с

нижней частью

резервуара, находящейся под металлостатическим давлением.

На стыке гидродинамики и электродинамики зародилась и в последние

годы стремительно развивается новая область науки – магнитная

гидродинамика, изучающая процессы, связанные с движением проводящих

средств в электромагнитном поле. Как и многие другие отрасли физики,

имеющие спутником прикладную науку (электродинамика – электротехнику,

гидродинамика – гидравлику и т.

д.), магнитная гидродинамика тоже имеет

выход в промышленность не непосредственно, а через находящуюся в

процессе становления прикладную науку инженерного характера.

Приложения магнитной гидродинамики имеют большое значение в

металлургии для создания новых (электромагнитных) способов транспорта

жидкого металла, его разливки, а также ряда новых технологических

процессов, связанных с движением жидкого металла или бесконтактным

силовым воздействием на него.

В решении практических задач в этой области вопросы, относящиеся

непосредственно к магнитной гидродинамике, отошли на второй план,

уступив место сложному комплексу отдельных разделов электротехники,

теплотехники, материаловедения и т.д.

По существу вся электромагнитная техника металлургии, или техника

электромагнитного силового воздействия на жидкие металлы, базируется на

том

или ином использовании разного рода устройств, получивших название

электромагнитных насосов. Эти насосы могут применятся для перекачивания

жидкого металла или, наоборот, в качестве стопоров, вентилей, а также

175

устройств для статического силового воздействия на жидкий металл и т.д.

Модификациями электромагнитного насоса является по существу также

электромагнитный желоб, электромагнитные перемешиватели для жидкого

металла и другие устройства для силового воздействия на жидкий металл с

помощью электромагнитного поля.

Силовое воздействие на жидкий металл в электромагнитных насосах,

желобах и других аналогичных

устройствах осуществляется

электромагнитными силами. Эти силы возникают в жидком металле при

взаимодействии магнитного поля и электрического тока, проходящего через

металл.

Одно только магнитное поле не может создать в жидком металле

заметные механические усилия, так как даже твердые металлы при нагреве

выше определенной температуры – точки Кюри теряют свои

ферромагнитные свойства, а в

жидком состоянии все металлы практически

немагнитны.

В зависимости от того, каким образом обеспечивается одновременное

существование в жидком металле магнитного поля и электрического тока,

электромагнитные устройства разделяются на кондукционные и

индукционные, которые в свою очередь имеют множество конструктивных

разновидностей.

Однако, кондукционные насосы требуют специальных источников

питания на большие токи, подведения к

жидкому металлу тока через

специальные, весьма трудно выполнимые электроды, и имеют при питании

переменным током весьма низкие коэффициенты полезного действия.

Поэтому для металлургической промышленности и литейного дела

наибольший практический интерес представляют индукционные насосы,

лишенные указанных недостатков. Для жидких металлов с высокой

электропроводностью (например натрий, магний и т.д.) и при большой

производительности (сотни и тысячи кубометров металла в час) КПД

индукционных насосов может достигать 30 – 40% . Впрочем величина КПД

во многих случаях не имеет существенного значения.

Из различных разновидностей индукционных насосов наибольший

интерес с точки зрения транспорта жидких металлов в настоящее время

представляют прежде всего плоский линейный индукционный насос, а

цилиндрический линейный индукционный

насос. Последний тип насоса

176

более совершенен по своим электромагнитным показателям, но сложнее по

конструкции. Поэтому главный интерес представляют плоские насосы.

Хотя индукционные насосы по принципу действия аналогичны

асинхронным двигателям, при их разработке возникает целый ряд

совершенно новых теоретических и конструктивных вопросов. Это

обусловлено тем, что индукционные насосы имеют по сравнению с

асинхронными двигателями следующие

существенные особенности:

1. разомкнутость магнитной цепи;

1. вторичная цепь образована жидким металлом и не представляет

собой твердого тела;

3. большой немагнитный зазор между ферромагнитными пакетами

индукторов, образованный жидким металлом и теплоизоляцией, которую

необходимо применять в большинстве случаев, связанных с применением

насосов в металлургии и в литейном производстве.

Указанные особенности влекут за собой

множество своеобразных

последствий (различные краевые эффекты, большие электромагнитные

нагрузки в обмотках, необходимость их форсированного охлаждения,

повышенные требования к электроизоляционным материалам и т.д.).

В результате, несмотря на аналогию с асинхронными двигателями,

теорию индукционных насосов необходимо разрабатывать в качестве

самостоятельной задачи.

1.2.3 Применение МГД - насосов

Электромагнитным насосом называют МГД – устройство, предназна-

ченное для создания в расплаве некоторого давления, независимо от того,

используется ли это давление для перемещения и подъема жидкого металла

или предназначено для других целей, в том числе и противоположных.

Например, электромагнитный насос, присоединенный к нижней части какой-

то емкости, может быть включен таким

образом, что электромагнитные силы

будут противодействовать истечению расплава через канал насоса под

действием собственного веса. Такой насос, создавая противодавление, может

управлять истечением в роли вентиля. Электромагнитные насосы отличаются

от электромагнитных желобов тем, что поток расплава в их каналах окружен

твердыми стенками по всему периметру поперечного сечения и не имеет

177

свободной поверхности. В большинстве случаев поток в канале насоса

является напорным. Воздействуя на жидкий металл электромагнитными

силами на некотором участке канала (активной длине насоса), получают

некоторую разность давлений на входе и выходе последнего, т.е. давление,

развиваемое насосом. Это давление определяют, интегрируя элементарную

объемную электромагнитную силу по длине активной зоны.

кондукционном электромагнитном насосе эта длина соответствует длине

электродов и полюсов магнита по оси канала, несколько отличаясь

вследствие краевых эффектов.

Кондукционные электромагнитные насосы мало пригодны для работы

с тугоплавкими расплавами, поскольку электроды подвергаются эрозии и

расплавлению в контакте с жидким металлом или, наоборот, охлаждают его.

Тепловое равновесие на границе расплав — электрод

, которое было

достигнуто в нескольких экспериментальных установках в результате

охлаждения электродов, оказывалось неустойчивым, и это через короткое

время приводило либо к расплавлению электродов, либо к замерзанию

металла в канале. Для расплавов черных металлов пригодными

представляются индукционные электромагнитные насосы, осуществляющие

бесконтактное воздействие на жидкий металл.

Из многообразия конструкций насосов наиболее подходящими

для

использования в черной металлургии являются такие, в которых канал имеет

простейшую форму и может быть составлен из простейших по форме

огнеупорных изделий. Трудности изготовления достаточно надежного и

стойкого металлотракта долгое время препятствовали созданию

электромагнитных насосов для расплавленного чугуна и стали. Таким

индукционным насосом с простейшим каналом в виде прямолинейной трубы

являются линейные индукционные насосы.

1.2.4 МГД - насосы индукционного типа

Простейшими индукционными насосами являются однофазные

индукционные насосы с пульсирующим магнитным полем. Во всех таких

насосах имеется замкнутый контур («кольцо жидкого металла»), сцепленный

с магнитным потоком в железном сердечнике. В этом контуре индуктируется

ток, взаимодействующий с перпендикулярно направленным магнитным

178

полем, которое тем или иным способом создается в пространстве, занятом

жидким металлом.

Весьма удачную конструкцию однофазного индукционного насоса,

совмещенного с раздаточной печью, предложил в 1946 г. М. Тама. Принцип

действия насоса М. Тама основан на использовании известного явления пинч

– эффекта. Насос состоит из огнеупорной трубы, соответствующим образом

соединенной с канальной индукционной

раздаточной печью (рис. 1.1.3).

Трансформатор печи имеет замкнутый магнитопровод, набранный из

листовой трансформаторной стали. На нем размещены две катушки

первичной обмотки, питаемые током промышленной частоты. Вторичный

контур, состоящий из двух петель, образован тремя плавильными каналами,

ванной печи и поперечным каналом на дне.

Сила тока во вторичной цепи достигает значений нескольких тысяч

ампер. В сравнительно узких каналах при этом создается чрезвычайно

большая плотность тока, при которой сказывается упомянутое явление пинч-

эффекта. Оно состоит в том, что жидкий проводник с током как бы

пережимается электромагнитными силами, созданными в результате

взаимодействия тока с его же собственным магнитным полем.

На оси проводника при этом создается избыточное

давление,

используемое в данном случае для подъема жидкого металла на какую-то

высоту в наклонной трубке, по которой он попадает из печи в литейную

машину. Трубка, через которую движется металл, изготовленная из

огнеупорного материала, установлена таким образом, что ее нижний конец

находится в отверстии центрального канала, а верхний конец, снабженный

дополнительной подогревающей обмоткой, выведен за пределы печи.

При отсутствии напряжения в первичной обмотке уровень металла в

трубке соответствует уровню металла в печи. С увеличением напряжения в

первичных катушках печи уровень металла в трубке поднимается над

уровнем металла в печи и при соответствующем напряжении давление,

образующееся в центральном канале, оказывается достаточным для

выливания металла из верхнего конца трубки.

Скорость истечения металла, а следовательно, и его количество можно

менять путем подбора сечения выходного отверстия трубки. При заданной

скорости истечения металла количество выходящего металла можно

179

регулировать посредством изменения длительности прохождения

максимального тока в первичных обмотках.

Минимальная сила тока поддерживается такой, чтобы уровень металла

в трубке находился немного ниже отметки выходного отверстия.

Рис. 1.1.3. Индукционный насос М.Тама

1 — первичная обмотка трансформатора печи; 1 — магнитопровод

трансформатора; 3 — каналы для жидкого металла — вторичный контур трансформатора;

4 — огнеупорная трубка; 5 — насадка из карборунда; 6 — приемная воронка для жидкого

металла

180

Если рассматривать явления, происходящие в канале такого насоса, то

характерной особенностью его является произвольно устанавливаемая

(соответствующим расчетом трансформатора) величина тока в жидком

металле. Индукция магнитного поля, участвующего в процессе, определяется

силой тока и, следовательно, является величиной зависимой.

Возможна обратная схема, в которой задается магнитный поток,

проходящий через жидкий металл, а

индуктируемый ток является

производным.

В насосе, схема устройства которого показана на рис. 1.1.4., жидкий

металл находится в кольцевом зазоре между сердечником и внешними

магнитопроводами, защищенными огнеупорной футеровкой.

Магнитный поток, созданный катушкой, наводит круговые

индукционные токи в кольце жидкого металла. В то же время это кольцо

пронизывается радиальными линиями магнитного поля. Возникающие

при

этом электромагнитные силы направлены вдоль оси кольца, металл в

котором как бы отталкивается от катушки и приходит в движение.

Рис. 1.1.4. Однофазный индукционный насос

1 — магнитопровод; 1 — катушка; 3 — сердечник; 4 — кольцевой зазор для жидкого

металла; 5—футеровка

Некоторым преимуществом такого насоса перед трехфазными

устройствами является простота конструкции и укорочение пути жидкого

металла внутри насоса. Большое значение имеет также удобное

181

расположение обмотки, более удаленное от жидкого металла. Существенным

же недостатком насоса является невозможность его реверсирования и малое

развиваемое давление.

Ваттом был предложен принцип применения в однофазном

индукционном насосе двух магнитных цепей, одна из которых (замкнутая)

используется для создания магнитного потока, индуктирующего ток в кольце

жидкого металла, а вторая имеет зазор,

в котором расположено кольцо

жидкого металла, и несет тот магнитный поток, взаимодействие которого с

током вызывает появление электромагнитных сил. Замкнутая магнитная цепь

первого потока позволяет создать в жидком металле большие токи и,

следовательно, значительно увеличить развиваемое насосом давление. На

рис. 1.1.5 представлена конструктивная схема насоса Ватта.

Рис. 1.1.5. Насос Ватта

1 - магнитопровод замкнутой магнитной цепи; 1 - магнитопровод разомкнутой

магнитной цепи; 3 - катушка; 4 - «кольцо» жидкого металла — вторичный виток

трансформатора; 5 - трубочки, подводящие жидкий металл к «кольцу»

1.2.5 Индукционные насосы с вращающимся магнитным полем

В отличие от пульсирующего магнитного поля, индукция которого

изменяется по синусоидальному закону во времени, вращающееся магнитное

поле является переменным в пространственном отношении, так как при

неизменной величине магнитного потока вектор индукции его вращается с

угловой скоростью:

182





 ,

где:

f - частота переменного тока;

- число пар полюсов статор, создающего вращающееся магнитное

поле.

Помещая внутрь расточки статора (на место вынутого ротора)

асинхронного электродвигателя сосуд с жидким металлом, мы приводим

последний во вращение в результате взаимодействия вращающегося

магнитного поля и наведенных им в массе металла индукционных токов.

Если ось статора вертикальна, вращение ванны жидкого металла

приводит

к тому, что ее поверхность приобретает форму параболоида

вращения; это явление имеет ряд практических применений.

Простейшим устройством для перекачивания жидкого металла

индукционным насосом с вращающимся магнитным полем – является

центробежный индукционный насос. По принципу действия он представляет

собой центробежный насос, в котором крыльчатка заменена вращающимся

магнитным полем. Перекачивание металла обусловливается центробежными

силами

, возникающими при вращении металла в тигле – рабочей камере

насоса.

Центробежный индукционный насос имеет некоторое применение в

лабораторных установках для металлов с невысокой температурой

плавления.

Скорость движения жидкого металла жестко лимитируется

недостаточной в большинстве случаев устойчивостью существующих

огнеупорных материалов к эрозии в движущейся среде жидкого металла,

имеющего высокую температуру и зачастую

химически агрессивного к

конструктивным материалам. С большим трудом удается решить вопрос, об

устойчивости соприкасающихся с жидким металлом деталей при его

движении, соответствующем полезной скорости. Естественно, что

многократное смывание стенок камеры металлом при его вращении вызывает

еще больший (во много раз) износ футеровки. Это является основной

причиной ограниченных возможностей использования центробежных

183

индукционных насосов для перекачивания жидкого металла в литейном и

металлургическом производстве.

В рассмотренном центробежном индукционном насосе тангенциально

направленные электромагнитные силы приводят металл во вращение и уже

как следствие этого вращательного движения появляется центробежная сила,

используемая для подачи жидкого металла. Л. Чабб в 1914 г. предложил

устройство, позволяющее непосредственно использовать тангенциальные

электромагнитные

силы для нагнетания жидкого металла.

Во вращающееся магнитное поле помещен канал для жидкого металла,

имеющий форму спирали (рис. 1.1.6). Тангенциальные по отношению к

общей поверхности спирали электромагнитные силы гонят жидкий металл по

виткам канала наподобие «жидкой гайки», осуществляя поступательное

движение металла. Такое устройство получило название спирального

индукционного насоса.

Рис. 1.1.6. Схема спирального индукционного насоса

1 — магнитопровод; 1 — обмотка; 3 — сердечник; 4 — спиральная направляющая

(перегородка)

Спиральные индукционные насосы широко применяются в

современной технике для перекачивания легкоплавких металлов, особенно

там, где нужны значительные напоры при сравнительно малых расходах.

Преимущество спирального индукционного насоса в случаях, когда

требуется нагнетать жидкий металл под значительным давлением,