Тимофеев В.Н. (ред.) Применение магнитогидродинамических устройств в металлургии
Подождите немного. Документ загружается.
144
sfsvv
121
12
, (1.1.4)
где
1
21
v
vv
s
- скольжение.
Если индуктор закрепить неподвижно, то с этой же скоростью будет
двигаться вторичная часть. Если в цилиндрическом двигателе ротор заменить
цилиндрической емкостью с жидким металлом, то при включении индуктора
в сеть жидкий металл приходит во вращательное движение. Если линейный
индуктор приставить к плоской стенке ванны с жидким металлом, последний
начинает
двигаться. На рис. 1.1.4 представлена аналогичная симметричная
трехфазная система для получения вращающегося а) и бегущего б)
магнитных устройств, а на рис. 1.1.5 представлены эскизы трехфазных
цилиндрического а) и линейного б) асинхронных двигателей.
На этом принципе основано действие индукционных МГД - устройств.
Рис. 1.1.4 – Двухфазная система для получения вращающегося а) и бегущего б) магнитных
полей
145
Рис. 1.1.5 – Эскизы трехфазных цилиндрического а) и линейного б) асинхронных
двигателей: 1 – магнитопровод индуктора; 2 – ротор (вторичная часть); 3 – обмотки
индуктора
1.1.3 Конструктивные особенности линейных индукционных
машин
По конструкции линейные индукционные машины (ЛИМ) различаются
на плоские и цилиндрические. На рис. 1.1.6 - рис. 1.1.8 представлены эскизы
плоских, а на рис. 1.1.9 - рис. 1.1.11 представлены эскизы цилиндрических
ЛИМ. Как плоские, так и цилиндрические ЛИМ могут выполняться с
односторонним и двухсторонним индукторами. Если в ЛИМ вторичной
частью является
закрытый канал с жидким металлом, то такое устройство
представляет собой МГД - насос напорного типа. Если вторичной частью
является открытый желоб с жидким металлом (рис. 1.1.8), такое устройство
представляет собой МГД- насос ненапорного типа. МГД - насосы с
двухсторонним индуктором развивают большой электромагнитный напор,
чем с односторонним индуктором. Поэтому плоские МГД - насосы, чаще
всего
, выполняются двухсторонними. Практическая реализация конструкции
цилиндрического двухстороннего МГД - насоса вызывает большие
146
трудности, поэтому МГД - насосы с цилиндрическим каналом, как правило,
выполняются односторонними без внутреннего магнитопровода (рис. 1.1.11).
3
2
1
V
yy
zx
м
Рис. 1.1.6 – Плоский односторонний индукционный насос
3
2
V
yy
zx
м
1
Рис. 1.1.7 – Плоский двухсторонний индукционный насос
3
2
V
y
zx
м
1
y
Рис. 1.1.8 – Плоский индукционный насос лоткового типа
147
А
1
1
2
2
3
3
4
4
A
- A
А
Рис. 1.1.9 – Цилиндрический индукционный насос с односторонним индуктором
B
1
1
2
2
3
3
4
5
4
B
- B
B
Рис. 1.1.10 – Цилиндрический индукционный насос с двухсторонним индуктором
C
1
1
2
2
4
4
C - C
C
Рис. 1.1.11 – Цилиндрический индукционный насос без внутреннего магнитопровода
Плоские односторонние ЛИМ используются для канального и
бесканального МГД - перемешивания расплавов в печах и миксерах.
148
1.1.4 Рафинирование алюминиевых расплавов в ковшах
Развитие современной техники предъявляет всё более высокие
требования к качеству металлов. Одним из важных факторов устойчивого
повышения качества металла, получивших развитие в последнее время,
является внепечное рафинирование жидких металлов, то есть физическое или
физико-химическое воздействие на металл во время или после выпуска
плавки.
Цель внепечной обработки: с одной стороны - улучшить чистоту
металла по растворённым и взвешенным примесям, с другой - повысить
производительность плавильно-литейных агрегатов, так как в этом случае
часть технологических операций может быть вынесена из их рабочего
пространства.
Наиболее характерной операцией практически всех способов
внепечного рафинирования металла является перемешивание. Начиная от
усреднения химического
состава и температуры металла по объему ковша и
заканчивая самыми сложными процессами ввода модифицирующих и
микролегирующих реагентов - во всех случаях перемешивание оказывает
решающее влияние на результаты внепечной обработки. С увеличением
интенсивности перемешивания сокращается время усреднения химического
состава и температур металла, улучшается подвод реагирующих веществ в
зону реакции, в ряде случаев
увеличивается поверхность реагента с
металлом. В зависимости от вида расходуемой энергии перемешивание в
процессах внепечной обработки может быть механическим, пневматическим,
электромагнитным. На рис. 1.1.12 представлена установка для
рафинирования расплава в ковшах фирмы STAS. В этой установке
перемешивание в ковше осуществляется механическим способом.
Механический способ и устройства перемешивания расплавов в
ковшах имеют ряд недостатков
, главным из которых является то, что
необходим непосредственный контакт перемешивающего устройства с
жидким металлом. Это приводит к быстрому износу оборудования и
попадания частиц этого оборудования в расплав.
Этого недостатка лишены устройства для бесконтактного воздействия
на жидкий металл. Удобным и эффективным способом, позволяющим
качественно перемешивать металл является индукционное перемешивание
жидкого металла
бегущим электромагнитным полем (рис. 1.1.13).
149
Рис. 1.1.12 – Установка для рафинирования фирмы STAS
Рис. 1.1.13 – Устройство для рафинирования с индуктором расположенным сбоку ковша:
1 – ковш; 2 – крышка; 5 - патрубок подачи соли; 6 - патрубок газоудаления; 7 – индуктор;
8 – расплав; 9 - рафинирующая соль
150
1.1.5 Электромагнитные перемешиватели расплавов в печах и
миксерах
Магнитогидродинамическое перемешивание металлов в литейно-
плавильных агрегатах, как способ, используется достаточно давно - с 50-х
годов 20-го века и в настоящий момент приобрел большую популярность
ввиду многих существенных достоинств несмотря на то что существуют и
другие способы приготовления сплавов с интенсификацией физико-
химических
процессов, протекающих в рабочей зоне печей. В частности к
другим известным способами относится перемешивание механическими
вращающимися роторами и вдуваемыми газодинамическими потоками.
Наиболее востребованным способом для приготовления сплавов в печах
является на сегодняшний день является способ с применением
электромагнитного перемешивания. Он заключается в использовании
совместно с печью (или транспортным ковшом) электромагнитного
перемешивателя
, индуктор которого устанавливается с одной из сторон печи
или под подиной. Кроме индукторов создающих магнитное поля для
создания бегущего магнитного поля используют также системы с
постоянными магнитами перемещаемыми под подиной печи.
Распространенность электромагнитного перемешивания в черной и
цветной металлургии объясняется очевидными технологическими
преимуществами такого способа – отсутствием контакта между
расплавленным металлом
и индуктором, простота конструкции, высокая
надежность.
Известен канальный и бесканальный способ перемешивания расплава в
миксерах. В первом случае, в стенке миксера выполняется канал. Жидкий
металл в канале приводится в движение путем воздействия на него бегущего
магнитного поля одностороннего индуктора. Вследствие зарастания канала
окислами и низкой механической стойкости тонкой плиты в месте
установки
индуктора, канальный способ не нашел широкого применения. Бесканальный
способ лишен этих недостатков, поэтому получил наибольшее
распространение. На рисунке 1.1.14 представлен макет миксера с комплексом
бесканального МГД- перемешивания расплава. Здесь показан пример
установки индуктора перемешивателя с боковой стороны миксера. Такая
установка предпочтительна для оснащения существующих стационарных
151
миксеров, когда установка индуктора под подину связана с большими
работами по изменению фундамента миксера.
Рис. 1.1.14 – Макет миксера с комплексом бесканального МГД- перемешивания расплава
Технологическая установка миксера алюминиевых сплавов (печь) с
индуктором МГДП предназначена для приготовления алюминиевых сплавов
за счет интенсификации процесса перемешивания и растворения лигатур в
расплаве алюминия. Суть технологии заключается в создании ЭМП
состоящего из бегущего и пульсирующего магнитного полей, по-разному
проявляющихся в разных зонах индуктора, под действием которых
расплавленный металл
перемешивается в одной части печи (при реверсе
бегущего магнитного поля расплав перемешивается в другой ее части).
Автоматическое управление реверсированием движения магнитного поля
позволяет достигать требуемых технологических параметров расплава через
10-30 мин (в зависимости от марки сплава и объема металла в миксере).
Устройство технологической установки, состоящей из стационарного
миксера сопротивления и вертикально
установленным МГДП приведено на
рисунке 1.1.15 и рисунке 1.1.16. Стационарный миксер сопротивления (рис.
1.1.15 и 1.1.16) состоит из следующих основных частей: 2 – металлического
каркаса; 11 – футеровки; 6 – электронагревателей; 12 – заливочного кармана;
9 – форкамер; 10 – ванны расплава; 8 – вытяжного зонта. Рабочее
пространство миксера выполнено в виде прямоугольной камеры в
металлическом кожухе. Камера миксера имеет две тепловые зоны – нижнюю
152
10 со сплавом (ванна расплава) и верхнюю 1 без расплава (внутренняя
полость). В боковой стенке установлен МГДП - 5.
Рис. 1.1.15 – Поперечный разрез стационарного миксера с МГДП
Рис. 1.1.16 – Продольный разрез стационарного миксера с МГДП
В последнее время на российских металлургических и алюминиевых
предприятиях вводятся в эксплуатацию поворотные миксеры. В этом случае
индукторы МГД - перемешивателей удобно устанавливать под подиной
миксера. Основное преимущество такого способа установки состоит в том,
что перемешивание осуществляется при любом уровне расплава в ванне и
153
максимальные скорости расплава возникают в самых нижних слоях, где
сосредоточены тяжеловесные примеси.
На рисунке 1.1.17 а, б показан поворотный миксер с МГДП
установленным горизонтально под подиной.
Рис. 1.1.17. – Разрезы миксера сопротивления с МГДП: а – продольный разрез; б –
поперечный разрез: 1 – металлокаркас; 2 – футеровка; 3 – расплав; 4 – нагреватель; 5 –
форкамера; 6 – заливочный карман; 7 – вытяжной зонт; 8 – поворотная опора; 9 –
внутренняя полость; 10 – МГДП; 11- термопара в своде; 12 – термопара на поверхности
расплава; 13 – термопара в расплаве.
В процессе работы МГДП при перемешивании расплава, по сравнению
с миксером без МГДП, достигаются следующие результаты :
- повышается производительность на 25%;
- уменьшается температурный перепад между зеркалом металла
и подиной со 120 до 5-12 °С (рис. 1.10);
- снижается окисление расплавленного металла и уменьшается выход
шлаков на 20-50%;
- уменьшается время очистки от шлаков на 15-25%;
- снижается
растворимость водорода в алюминиевом расплаве
с 2,2 мл / 100 г (при температуре 865°С) до 0,7 мл / 100 г (при 660°С);
- обеспечивает однородность химического расплава, которая
соответствует техническим условиям по всему объему ванны;
- снижается время плавления и расплавления шихты в результате
большего теплообмена между слоями расплавленного металла;