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

Подождите немного. Документ загружается.

134

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

А.И. Алиферов Ю.И. Блинов С.А. Бояков С.А. Галунин

Е.А. Головенко Л.П. Горева Е.С. Кинев Г.Е.Кирко И.М. Кирко

В.В. Ковальский А.В. Комаров Е.В. Кузнецов К.А. Михайлов

Е.А. Павлов С.Ф. Сарапулов Ф.Н. Сарапулов В.Н

. Тимофеев В.Н. Федоров

Применение МГД устройств в металлургии

Учебное пособие по самостоятельной работе

Красноярск 2007 г.

135

УДК

ББК

Рецензенты:

Авторы и составители:

А. И. Алиферов В. В. Ковальский

Ю. И. Блинов А. В. Комаров

С. А. Бояков Е. В. Кузнецов

С. А. Галунин К. А. Михайлов

Е. А. Головенко Е. А. Павлов

Л. П. Горева С. Ф. Сарапулов

Е. С. Кинев Ф. Н. Сарапулов

Г. Е.Кирко В. Н. Тимофеев

И. М. Кирко

В. Н. Федоров

Применение МГД устройств в металлургии: Учебное пособие по

самостоятельной работе/ Под ред. В.Н. Тимофеева, Е.А. Головенко, Е.В.

Кузнецова – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007.

ISBN

В учебном пособии приведены материалы по математическому и

физическому моделированию МГД установок, а также рассмотрены

теоретические вопросы, касающиеся расчета и

проектирования специальных

электротехнологических МГД установок.

Данное пособие предназначено для бакалавров и магистров

направления 140200 «Электроэнергетика и электротехника», также может

быть использовано для других направлений.

УДК

ББК

ISBN

федеральный университет»

136

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемое учебное пособие в известной степени обобщает

многочисленные разработки авторов в области специальных

электротехнологических МГД установок, в области расчета и

проектирования электротехнологических МГД установок, а также содержит

материалы по физическому моделированию и проведению натурного

эксперимента в перечисленных областях. Материал пособия основан на

работах авторов, выполненных в Санкт-петербургском государственном

электротехническом университете «ЛЭТИ» при участии проф. Блинова Ю.И.,

доцента Галунина С.А. и др., в Пермском государственном университете при

участии академика Кирко И.М. проф. Кирко Г. Е., в Уральском

государственном техническом университете «УПИ» при участии проф.

Сарапулова Ф.Н., Сарапулова С.Ф. и др., в Новосибирском государственном

техническом

университете «НЭТИ» при участии проф. Алиферова А. И.,

доцента Горевой Л. П. и др., в Сибирском федеральном университете при

участии проф. Тимофеева В.Н., доцента Боякова С. А. и др.

137

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

1.1

1.1.1

1.1.2

1.1.3

1.1.4

1.1.5

1.1.6

1.1.7

1.1.8

1.2

1.2.1

1.2.2

1.2.3

1.2.4

1.2.5

1.2.6

1.3

1.3.1

1.3.2

1.3.3

1.3.4

1.3.5

1.3.6

1.3.7

1.4

1.4.1

1.4.2

1.5

1.5.1

1.5.2

ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МГД УСТРОЙСТВ В

МЕТАЛЛУРГИИ

Классификация и область применения МГД устройств для

металлургии

Применение МГД технологий в литейном производстве

Принцип действия индукционных МГД-устройств

Конструктивные особенности линейных индукционных машин

Рафинирование алюминиевых расплавов в ковшах

Электромагнитные перемешиватели

расплавов в печах и

миксерах

Дозирование жидкого металла при помощи МГД - насосов

Электромагнитный кристаллизатор

МГД – перемешиватель жидкой сердцевины слитка при

кристаллизации

Транспортировка, разливка и дозирование жидкого металла

Механизм образования бегущего магнитного поля

Транспортирование жидкого металла

Применение МГД - насосов

МГД - насосы индукционного типа

Индукционные насосы с вращающимся магнитным полем

Индукционные насосы

с бегущим электромагнитным полем

Расчет и проектирование плоских линейных индукционных

машин (ЛИМ)

Выбор частоты питания и схемы соединения обмотки

индуктора

Выбор материала каналов насоса

Оценка теплового состояния насоса

Оценка необходимости подогрева металла в канале

Оценка влияния степени погружения насоса в металл на его

характеристики

Насос с шунтирующим участком на входе индуктора

Особенности конструкции насоса со связанными каналами

Кинетика и механизм растворения в жидких металлах

Структуры и физико-химические явления в расплавах

Кинетика растворения чистых металлов

Управление циркуляцией расплава при плавке металлов и

сплавов

Циркуляция расплава в ИТП

Особенности плавки алюминия в индукционных плавильных

печах

102

104

107

138

1.5.3

1.5.4

1.5.5

1.5.6

1.5.7

1.5.8

1.5.9

1.6

1.6.1

1.6.2

1.6.3

1.6.4

Принцип действия и конструкция индукционных единиц с

электромагнитными вращателями расплава в канальной части

Способ и устройства вращения электропроводного тела в

пульсирующем неоднородном магнитном поле индукционной

единицы

Дополнительные устройства для электромагнитного вращения

расплава в канале индукционной единицы

Электромагнитный экран в виде сектора

Короткозамкнутый виток

Дополнительные

обмотки с током

Способ и устройство вращения металла в каналах

индукционной единицы с использованием пусковых катушек

Формообразование и кристаллизация отливок и слитков

Способы и устройства для получения прутковой заготовки из

алюминиевых сплавов. Электромагнитные кристаллизаторы

Устройство электромагнитного кристаллизатора

Экспериментальная литейная установка с электромагнитным

кристаллизатором

Электромагнитный кристаллизатор

111

112

117

118

120

122

130

134

135

138

144

147

139

1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МГД УСТРОЙСТВ В

МЕТАЛЛУРГИИ

1.1 Классификация и область применения МГД устройств для

металлургии

1.1.1 Применение МГД технологий в литейном производстве

Магнитная гидродинамика изучает явления при движении

электропроводящих газов и жидкостей в магнитном поле. В металлургии

электропроводными жидкостями являются жидкие металлы и их сплавы.

Воздействуя на жидкие металлы

магнитным полем (пульсирующим,

вращающимся, бегущим) можно осуществить ряд технологических операций

необходимых в металлургических процессах. Устройства, принцип действия

которых основан на взаимодействии жидких металлов с магнитным полем,

называют магнитогидродинамическими (МГД- устройства), а технологии с

МГД - устройствами называют МГД-технологиями.

В настоящем разделе будут рассмотрены технологические процессы,

осуществляемые в литейном производстве с помощью

МГД устройств и сами

эти устройства.

Для иллюстрации возможностей применения МГД - устройств в

литейном производстве алюминиевых сплавов на рис. 1.1.1 Представлен

эскиз плавильно-литейного агрегата в составе: миксера-копильника 1,

заливочного кармана 2, миксера раздаточного 3, установки рафинирования

газами с МГД - вращателем 5, кристаллизатора слитков 6.

Жидкий алюминий поступает на литейную площадку в ковшах 4. С

целью

удаления щелочных и щелочноземельных металлов (лития, натрия,

магния) в ковшах может проводиться рафинирование расплава солями. Для

интенсификации перемешивания расплава с солями, может использоваться

МГД - перемешиватель 7. Из ковша через заливной карман расплав

переливается в миксер - копильник.

В процессе приготовления сплава в миксере - копильнике используется

МГД – перемешиватель 8, который позволяет в автоматическом режиме

выравнивать

химический состав и температуру по объему ванны. Из миксера

- копильника расплав поступает в раздаточный миксер.

140

Транспортировка расплава может осуществляться с помощью МГД -

насоса 9. На металлургических заводах расплав может готовиться в

индукционных канальных печах (ИКП) путем расплавления твердой шихты.

С целью интенсификации тепломассообмена между ванной печи и

индукционными единицами, последние могут оснащаться МГД -

вращателями. Интенсивное вращение расплава в каналах, кроме этого,

способствует уменьшению скорости их зарастания

окислами.

Рис. 1.1.1 – Плавильно-литейный агрегат с МГД устройством

141

Из раздаточного миксера 3 по желобам расплав поступает в литейную

машину. Автоматическое регулирование скоростью подачи расплава из

раздаточного миксера может осуществляться МГД дозатором (леткой 10). На

пути к литейной машине расплав проходит через фильтр и установку

рафинирования 5. С целью интенсификации взаимодействия газов (хлор,

аргон) с расплавом, установка рафинирования может быть оборудована МГД

- вращателем. При формировании слитков могут использоваться обычные

кристаллизаторы и электромагнитные (ЭМК) 11. ЭМК можно также отнести

к МГД - устройствам, так как в основе их действия лежит взаимодействие

переменного магнитного поля с жидким металлом.

При литье в обычных кристаллизаторах могут использоваться МГД -

перемешиватели жидкой сердцевины слитков, что способствует повышению

их качества.

1.1.2

Принцип действия индукционных МГД-устройств

В металлургии большое распространение получили индукционные

МГД – устройства благодаря их бесконтактному воздействию на жидкие

металлы.

Принцип действия индукционных МГД-устройств аналогичный

принципу действия асинхронных электрических двигателей. Как известно из

классической теории электрических машин вращающееся и бегущее

магнитные поля можно получить в устройствах питаемой симметричной

многофазной (

m≥2) системой электрических токов. На рисунке 1.1.2

представлены устройства для получения вращающегося а) и бегущего б)

магнитных полей от двухфазной системы напряжения.

142

Рис. 1.1.2 – Двухфазная система для получения вращающегося а) и бегущего б) магнитных

полей

Если по двум рамкам, расположенным в перпендикулярных

плоскостях, протекают переменные синусоидальные токи i

и i

, сдвинутые

относительно друг друга по фазе на 90 градусов, то во внутреннем

пространстве рамок образуется вращающееся магнитное поле. Вектор

магнитной индукции результирующего магнитного поля является

результатом наложения магнитных полей рамок и вращается с числом

оборотов, об/мин

 ,

(1.1.1)

где f - частота токов, Гц; p - число пар полюсов (при двух рамках p=1).

Если рамки находятся в одной плоскости (рис. 1.1.2,б) и по ним также

протекают электрические токи токи i

и i

, то создаваемое рамками

результирующее магнитное поле перемещается ("бежит") в плоскости рамок

с линейной скоростью, м/с.





, (1.1.2)

где



- полюсное деление (при двух рамках полюсное деление равно ширине

рамки).

143

При конструировании электрических машин, с целью усиления

магнитного поля, вместо рамок используют многовитковые катушки,

активные стороны которых укладывают в пазы ферромагнитных

сердечников, цилиндрических (рис. 1.1.3, а) или линейных (рис.1.1.3, б).

Сердечник с катушками называется статором или индуктором.

Рис. 1.1.3 – Эскизы цилиндрического вращающегося электродвигателя (АД) а) и

линейного асинхронного (индукционного электродвигателя поступательного движения) б:

1 – магнитопровод индуктора; 2 – ротор (вторичная часть); 3 – обмотки индуктора

Если внутрь цилиндрического статора поместить цилиндрический

ротор и обмотки статора подключить к источнику напряжения, ротор начнет

вращаться со скоростью, об/мин





snn





(1.1.3)

где





- скольжение.

В линейном индукционном двигателе в качестве ротора выступает

электропроводная полоса, которую принято называть вторичной частью.

Подключенный к источнику напряжения индуктор будет двигаться

относительно вторичной части со скоростью