ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ДОЗИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ СТРУЯМИ РАСПЛАВОВ

В 1948 г. автором было предложено использовать электромагнитные силы для управления выпуском жидкого металла из емкости (ковша, миксера, горна доменной печи и др.) [15]. Это направление разрабатывалось автором начиная с принципиальной проверки возможности запирания истечения металла полем (на ртути) [6].

Под дозированием жидкого металла принято понимать две неодинаковые функции: выдачу (обычно из раздаточной печи) определенных порций расплава (что относится больше к фасоннолитейному производству) и регулирование расхода струи расплава, что прямо относится к проблемам непрерывной разливки металлов. При использовании электромагнитных (и неэлектромагнитных) насоса и желоба, включенных на большее или меньшее время, можно решать первую из этих задач, а если возможно регулирование производительности, то и вторую. Поскольку расплав из емкости не вытекает самопроизвольно, то такой режим работы дозатора называют насосным. МГД-устройство может также запирать самотечное движение расплава, т.е. осуществлять его дозирование в вентильном режиме. В литейном производстве внедрены предложенные В.П. Пол ищу ком магнитодинамические насосы, работающие в насосном режиме. Удачно совмещая функции раздаточной печи и дозирующего насоса, магнитодинамические насосы получили широкое распространение преимущественно для подачи расплава в машины для литья под давлением.

Разработанные вначале для работы с алюминиевыми и другими легкоплавкими сплавами эти насосы позднее были внедрены и в качестве заливочных агрегатов для литейного чугуна. Главное их достоинство — органическое единство электромагнитного насоса с печью — в условиях черной металлургии (большие массы металла, высокая температура стали, нежелательность дополнительных переливов и т.д.) оказалось несущественным.

Результаты экспериментов по использованию электромагнитного желоба для регулируемой подачи жидкой стали в кристаллизатор для непрерывного литья приведены в работе [18]. Электромагнитный желоб, по крайней мере, amp; его сложившемся виде (использован был индуктор желоба "Элдомет") как достаточно протяженный агрегат с малыми электромагнитными нагрузками на единицу длины не только не соответствует, но прямо противоположен по своему характеру высказанным выше двум требованиям. Автор в течение ряда лет, многократно возвращаясь к этой задаче, разрабатывал электромагнитный дозатор для расплавов черных металлов на основе плоского линейного индукционного насоса с бегущим магнитным полем повышенной частоты. Некоторые организации (НПО "Тулачермет", Рижский политехнический институт, завод "Сарканайс металургс" и др.) предпринимали попытки создания электромагнитного дозатора более простой конструкции (по типу кон- дукционного электромагнитного насоса). Как и следовало ожидать, эти попытки заканчивались неудачей сразу при переходе от моделирующего легкоплавкого металла (например, алюминия) к расплавам чугуна или стали. Кондукционному дозатору, как и насосу, в работе на высокотемпературных расплавах мешает невозможность или трудность стабилизации теплового баланса в канале и положения границы расплав — настыль на электродах. Отклонения приводят к перемерзанию канала или расплавлению электродов. Предпринимались также попытки создания кондукционных и индукционных дозаторов применительно к существующему сортаменту огнеупорных изделий, которые приводили к/ получению неудовлетворительных выходных параметров или к полной неработоспособности дозатора.              (

Автором была предпринята попытка использования МГД-устройс|ва по типу плоского линейного индукционного насоса классической конструкции, но предельно компактного и с питанием на повышенной частоте

Рис.

1 - футеровка промежуточного ковша; 2 — гнездовой кирпич; 3 — разливочный стакан; 4 — металлопровод; 5 — вставка; 6 — индуктор бегущего магнитного поля

для уменьшения тепловых потерь металла. В разработке такого индукционного электромагнитного дозатора на различных стадиях принимали участие многие исследователи, конструкторы и сотрудники Московского автозавода им. Лихачева, Енакиевского металлургического завода, ДонНИИЧМ, ЦНИИЧМ, НПО "Тулачермет", Таллиннского политехнического института, НИПТИ при Таллиннском электротехническом заводе им. Калинина, НИИ кварцевого стекла, ВИО и других научных и производственных организаций. В результате этой работы был создан опытный образец многоцелевого дозирующего устройства, в первую очередь предназначенного для регулирования подачи металла в кристаллизатор МНЛЗ (рис. 13). Электромагнитный дозатор предполагалось использовать в промежуточном ковше, имеющем стандартный стопор, запирающий металл до начала разливки, а также используемый в качестве аварийного. Как известно, электромагнитный дозатор не может полностью запереть истечение жидкой стали через вертикальный канал вследствие развития магнитогидродинамической неустойчивости (сплошная полоса жидкого металла в канале может разделяться на отдельные струйки, практически "прозрачные" для электромагнитного поля). По трактовке, принятой в гл. I, для электромагнитного торможения этих струек очень мал коэффициент Вольдека.

Рис. 14. Индуктор электромагнитного дозатора: а — в сборе; б — магнитопровод и обмотка одной половины

Особенностью электромагнитного дозатора указанного назначения является жесткое ограничение длины индуктора, определяющей габариты устройства по технологической оси МНЛЗ. Вследствие этого индуктор выполнен двухполюсным (пренебрегая неизбежной при этом асимметрией фазных мощностей), с компактным размещением корректирующих катушек обмотки за торцами магнитопровс^ дов.

Важнейшей частью электромагнитного дозатора является металло- тракт. Работоспособность дозатора зависит в большей мере от удачного выбора конструкции и материалов металлотракта, чем от какого-либо иного узла. Металлотракт описываемого дозатора включает огнеупорную трубу-металлопровод, по каналу которого жидкий металл проходит через активную зону индуктора, и соединение металлопровода с футеровкой промежуточного ковша МНЛЗ. В пределах активной зоны индуктора для уменьшения немагнитного зазора магнитной цепи металло- провод имеет плоское сечение, а выше переходит в конический раструб круглого сечения, который служит для плотного сочленения металлопровода с разливочным стаканом. Металлопровод выполнен из пористого кварца-керсила.

Рис. 15. Металлопроводы электромагнитного Дозатора (варианты 7 и 2)

емкости каждой банки, составляющей в среднем 100 мкФ. Для канализации значительных по величине контурных токов индуктор электромагнитного дозатора и конденсаторная батарея соединены между собой тремя (по числу фаз) водоохлаждаемыми кабелями — резинотканевыми напорными рукавами (дюритовыми шлангами) с проложенной внутри гибкой голой токоведущей жилой сечением 95 мм2. По водяной полости этих кабелей осуществляется возврат охлаждающей воды из обмотки индуктора. В общей защитной оболочке с этими кабелями проложен напорный шланг для подачи охлаждающей воды в дозатор. Все это затянуто в металлорукав, защищено обшивкой из асбестовой ткани и образует кабельный шлейф. Обмотка дозатора рассчитана на давление охлаждающей воды до 1,2 МПа. Фактически экспериментальные работы проводили при использовании насоса, развивавшего давление 0,6 — 0,8 МПа, при котором расход воды через каждую фазу обмотки составлял 1,2 — 1,6 л/мин.

При такой интенсивности охлаждения при длительных включениях допускались фазные токи индуктора до 300 А. В случае превышения этого значения вода нагревалась до gt; 50°С (на выходе), что создавало условия для образования накипи в трубчатой обмотке. Достижение токов gt; 500 А невозможно вследствие недостаточного предельного напряжения источника питания (230 В), которым располагали. Таким образом, при технологических экспериментах дозатор не мог быть испытан при полных электромагнитных нагрузках. Подачу и слив охлаждающей воды производят в местах присоединения водоохлаждаемых кабелей к конденсаторной батарее. Часть воды ответвляется для охлаждения конденсаторов. К шинам конденсаторной батареи подводится напряжение от источника питания (преобразователя частоты трехфазного тока). Отсутствие вращающихся частей, использование маловитковой водоохлаждаемой обмотки и другие особенности электромагнитного дозатора снимают обычные 6 электрических машинах жесткие назначения напряжений, токов и частот, оставляя широкий выбор параметров питания та-

ких устройств в зависимости от их назначения и предписываемого режима работы. При разработке технологического процесса регулирования подачи металла приходится иметь дело не с конкретной технической характеристикой, а со сложной системой взаимных зависимостей входных и выходных параметров, которые (почти все) могут изменяться в широких пределах. Ограниченное число типов источников трехфазного тока повышенной частоты заставляет выбирать режимы осуществления процесса дозирования металла исходя из возможностей имеющегося источника питания. Однозначная техническая характеристика может быть составлена только для комплекса дозатор — источник питания. В связи с этим основной задачей было исследование указанных зависимостей, необходимое как для проектирования новых образцов электромагнитного дозатора, так и для выбора режимов их практического применения в металлургическом производстве и выбора источников питания. Исходя из этого электромашинный преобразователь частоты с фиксированной выходной частотой был признан не соответствующим целям исследовательской работы и для последней был разработан тиристорный преобразователь частоты трехфазного тока с широкими пределами регулирования частоты и напряжения на выходе. Для промышленно-

Рис. 16. Вольт-амперные характеристики индуктора (цифры у кривых - частота питающего напряжения)

го внедрения электромагнитных дозаторов предпочтительны более простые и надежные машинные преобразователи частоты, которые в настоящее время выпускаются в очень малом ассортименте типоразмеров.

Основным параметром, определяющим действие электромагнитного дозатора, является развиваемое им давление (или, точнее, противодавление, препятствующее свободному истечению металла). Это давление может изменяться в широких пределах в зависимости от режима питания, и нет оснований для того, чтобы назвать в качестве номинальной какую-то его дискретную величину. Результаты исследований приведены на рис. 16—19. На рис. 16 представлены вольт-амперные характеристики индуктора при различных частотах, показывающие зависимость между приложенными фазным напряжением и фазным током индуктора (при отсутствии металла в канале дозатора). На рис. 17 дана зависимость приведенного электромагнитного давления от фазного тока при различных частотах. Вследствие затруднительности проведения измерений в среде жидкой стали динамические эффекты исследовали по установившейся в магнитной гидродинамике методике, согласно которой жидкий металл в канале моделировали твердой металлической полосой — имитатором вторичной цепи дозатора. Измеренная при помощи динамометра электромагнитная сила, с которой бегущее магнитное поле действует на имитатор, относилась к единице площади поперечного сечения последнего, т.е. пересчитывалась в величину давления. Экспериментальное определение давления включало то же электродинамическое приближение, в котором до настоящего времени выполняются почти все теоретические исследования и расчеты в прикладной магнитной гидродинамике.

Рис. 18. Зависимость активной мощности индуктора Р от заданного электромагнитного давления р (цифры у кривых) и частоты f

Рис. 19. Зависимость потерь в индукторе и кабельном шлейфе от заданного элек тромагнитного давления (цифры на кривых) и частоты f

Зависимость потребляемой (активной) мощности электромагнитного дозатора от частоты питающего напряжения (при различных значениях приведенного электромагнитного давления) показана на рис. 18, из которого видно, что для данного МГД-устройства оптимальной по условию наименьшей затраты электроэнергии на создание заданного давления является частота ~ 800 Гц.

Мощность вторичной цепи, найденная как разность между потребляемой индуктором активной мощностью в нагрузочном режиме и мощностью холостого хода, составляла 6,9 кВт при частоте 780 Гц (опыт с имитатором при фазном токе ~ 424 А) и 12,7 кВт при частоте 1020 Гц (опытная разливка стали при фазном токе ~ 300 А). Энергия электромагнитного поля, переходящая в тепло во вторичной цепи, не может быть отнесена к потерям, как в обычных электрических машинах; она предотвращает остывание металла и образование настылей в металло- тракте. В связи с этим минимум активной мощности индуктора в области частоты 800 Гц (см. рис. 19) не позволяет однозначно считать эту частоту 800 Гц оптимальной для процесса управления расходом металла во всех случаях. Выбор частота должен производиться с учетом необходимости компенсации тепловых потерь металла.

Технологические испытания электромагнитного дозатора состояли в проверке надежности металлотракта, опробования эффективности торможения и ускорения струи металла при наливе в изложницу известной вместимости и проверке возможности управления струей металла, поступающей в кристаллизатор МНЛЗ. Конструкция и материалы металлотракта были многократно проверены при серийных разливках текущего производства. Для этого к промежуточному ковшу МНЛЗ присоединяли только металлопровод (без индуктора) и металл подавали через него в кристаллизатор при управлении расходом при помощи стопора. Успешно разливали рядовые плавки 10 т), причем было установлено, что предварительный разогрев канала керсилового металлопрово- да не обязателен. Температура внешней поверхности металлопровода по визуальной оценке составляла 750 — 850°С. Затягивания канала или образования настылей внутри канала не наблюдалось. Для проверки эффективности воздействия бегущим магнитным полем на расход металла через канал дозатора последний был присоединен к стандартному промежуточному ковшу МНЛЗ, установленному на стенде для налива металла в мерную изложницу вместимостью 900 кг. Питание индуктора осуществлялось в следующем режиме: частота 790 Гц, фазное напряжение 145 В, фазный ток 400 А. Высота столба жидкого металла над входом в активную зону индуктора составляла в начале опыта 700 мм, а в конце опыта 450 мм. При опробовании дозатора использовали сталь 45 с начальной температурой 1650°С (в разливочном ковше).

Исходя из времени наполнения изложницы при включенном индукторе торможение струи металла противодействием бегущего магнитного поля уменьшает расход струи в два раза. При реверсировании бегущего магнитного поля’ происходит примерно такое же увеличение расхода. Попытка литья стали через электромагнитный дозатор в кристаллизатор МНЛЗ показала эффективность торможения струи бегущим магнитным полем, но несогласованность характеристик имеющегося оборудования и отсутствие датчика уровня металла в кристаллизаторе не позволили составить систему автоматического управления процессом. Опыт с электромагнитным дозатором, установленным на МНЛЗ, проводили при питании индуктора в режиме: частота 1020 Гц, фазное напряжение 124 — 212 В, фазный ток 186 — 337 А, мощность активная 15,8- кВт. Немагнитный зазор индуктора составлял 56 мм.

Для промышленного внедрения электромагнитных дозаторов для управления подачей и стабилизации уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ необходимо разработать систему автоматического регулирования. При этом, во-первых, исключается необходимость в бесступенчатом регулировании скорости вытягивания слитка, что существенно удешевляет электропривод МНЛЗ; во-вторых, прецизионная стабилизация уровня мениска позволяет уменьшить высоту кристаллизатора и улучшить в результате этого качество поверхности слитка и, возможно, в какой-то мере увеличить линейную скорость разливки. Улучшаются также условия труда — исключается ручной труд разливщиков в непосредственной близости от жидкого металла. Существующая технология непрерывной разливки стали на ряде металлургических заводов, как и в НПО "Тулачермет", предусматривает подачу на рабочий стол МНЛЗ полностью собранного (со стопором или шиберным затвором в закрытом положении) и предварительно подогретого промежуточного ковша непосредственно перед разливкой. Ремонт ковшей, их сборка и разогрев производятся на специальных участках на значительном расстоянии от рабочей площадки МНЛЗ. Электромагнитный дозатор связан кабельным шлейфом с источниками питании и системой водяного охлаждения, и, чтобы использовать его в такой технологии подготовки к разливке, возможны следующие варианты: Электромагнитный дозатор постоянно присоединен к промежуточному ковшу. На участке ремонта и сборки ковшей в нем монтируют металлотракт, а затем его вместе с ковшом подают на стенд для разогрева. Разогретый ковш с дозатором непосредственно перед разливкой подают на рабочий стол МНЛЗ, где к дозатору присоединяют питающий его шлейф.

’ 2. То же, но шлейф постоянно присоединен к дозатору и перед разливкой присоединяется со стороны питания. Преимуществом этого варианта является возможность присоединения дозатора не к промежуточному, *а к основному сталеразливочному ковшу, который подают на рабочую площадку МНЛЗ заполненным жидким металлом, когда присоединение шлейфа к дозатору было бы не безопасно. Индуктор электромагнитного дозатора постоянно присоединен к шлейфу (также постоянно присоединенному к источникам питания) и находится на рабочей площадке МНЛЗ. На участке ремонта в промежуточный ковш встраивают только металлотракт электромагнитного дозатора, в сборе с которым ковш передают на стенд для разогрева. Непосредственно перед разливкой на рабочей площадке МНЛЗ совмещают обе части электромагнитного дозатора, вставляя внутрь индуктора металло- провод, выступающий из промежуточного ковша.

В ходе исследований выполнено несколько экспериментов по вариантам 1 и 3 (как заканчивавшихся, так и не заканчивавшихся разливкой). При этом выявлены их сравнительные достоинства и недостатки. Ввиду отсутствия быстроразъемных соединений, надежно обеспечивающих герметичность и хороший электрический контакт рля больших токов, предпочтение было отдано последнему варианту.

В завершение работы автором совместно с А.П.Мотиным была разработана конструкция электромагнитного дозатора для осуществления этого варианта, включающая простое решение, гарантирующее правильную установку металло про вода в промежуточном ковше и сохранность его при транспортировке с ковшом, а также быстродействующее устройство (по типу автосцепки) для механического присоединения индуктора. Такой дозатор был изготовлен в металле экспериментальным заводом ЦНИИчермета, но не был испытан ввиду прекращения работ по МГД-тех- нике в 1980 г.

Интерес к электромагнитным дозаторам для непрерывной разливки стали в тот период уменьшился р связи с успешным внедрением шиберных затворов вместо традиционных стопоров. Однако использование последних не решает всех задач, которые предполагалось решить при помощи электромагнитных дозаторов: например, непрерывное литье мелкосортовых заготовок из сталей с высоким остаточным содержанием алюминия, склонных к затягиванию отверстия дозирующего устройства, а также новые процессы разливки, требующие прецизионного безы-

Рис. 20. Электромагнитный дозатор для порционного дозирования расплава:

1 — индуктор; 2 — металлопровод; 3 — разливочный стакан; 4 — гнездовой кирпич; 5 — поворотная печь; 6 — опора печи

нерционного регулирования струи металла, где электромагнитное дозирование остается наиболее перспективным решением. Успешное решение этих задач возможно при условии освоения электромашиностроительными заводами серийного производства преобразователей частоты трехфазного тока (предпочтительно машинных однокорпусных с вертикальным валом) на частоту 800— 1000 Гц с регулируемым выходным напряжением, единичной мощностью 40 — 50 кВт.

Выше отмечалась невозможность полного запирания струи стали в канале электромагнитного дозатора с вертикальным каналом. Однако 1акое запирание необходимо, например, при порционном дозировании* расплава в литейном производстве или нецелесообразности использо- иания дублирующих вентильных средств (шиберов, стопоров и т.п.), обеспечивающих начало и аварийную остановку процесса разливки при неизрасходованном расплаве. В этом случае электромагнитный дозатор должен компоноваться с емкостью, содержащей расплав, таким обра- юм, чтобы его канал занимал горизонтальное или близкое к этому положение. На рис. 20 представлена компоновка такого агрегата с исполь- юванием вышеописанного электромагнитного дозатора. Начало и конец разливки обеспечиваются кантованием поворотного ковша, вводящим дозатор под залив жидким металлом, а сам дозатор обеспечивает мелкопорционное дозирование, недоступное для традиционных средств нвиду инерционных явлений в поворотных ковшах и недостаточного ресурса (гарантированного числа запираний и открытий струи) как стопоров пробочного типа, так и шиберных затворов.