<<
>>

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЖЕЛОБА

Простейшим по своей конструкции МГД-устройством для высокотемпературных расплавов, в котором реализуется электромагнитное силовое воздействие на жидкие металлы, является предложенный автором в 1960 г.

электромагнитный желоб, впервые построенный на Московском автозаводе им. Лихачева (2). Устройство его схематически показано на рис. 3, а. Трехфазный индуктор, подобный указанному выше развернутому статору асинхронного электродвигателя, создает бегущее магнитное поле, которое пронизывает футеровку канала, расположенного над индуктором, и находящийся в канале жидкий металл, наводит в последнем индукционные токи. Геометрическое расстояние (по оси индуктора) между двумя сторонами одного и того же витка обмотки, лежащего в пазах магнитопровода, называется полюсным шагом обмотки индуктора т. Скорость движения волны бегущего магнитного поля (синхронная скорость поля) равна:

Рис. 3. Электромагнитный желоб:

а — поперечный разрез; б — электромагнитное поле над активной поверхностью линейного индуктора — картина силовых линий в непроводящей среде; в — токи в полосе жидкого металла в канале электромагнитного желоба; 1 — канал; 2 — магнитопровод индуктора; 3 — обмотка; 4 — жидкий металл; 5 — контуры индукционных токов; 6 — эпюра электромагнитных сил; 7 — эпюра индукции поля


При нормальной (50 Гц) частоте тока в индукторе синхронная скорость бегущего магнитного поля (м/с) численно равна полюсному шагу обмотки (см). Эта скорость приблизительно на порядок больше реальных скоростей течения жидкого металла в желобах металлургических агрегатов.

Пользуясь условным представлением о силовых линиях магнитного поля, изобразим картину распределения последнего в пространстве над индуктором для некоторого момента времени. Как видно из рис. 3, б, магнитный поток между мгновенными (т.е. движущимися с синхронной скоростью поля) полюсами на активной поверхности замыкается в пространстве над индуктором вне его железного магнитопровода. По мере удаления от активной поверхности индуктора по координате z индукция поля (точнее, ее нормальная к поверхности индуктора составляющая) быстро убывает (как показано на эпюре рис. 3, б справа) по закону

Вг = Вс ехр (-г//?),              (4)

где Я = т/тг; Вс — индукция на поверхности индуктора.

Над активной поверхностью бесконечно широкого развернутого статора индукция поля уменьшается ве = 2,71 раза на высоте Я.

Настоящая книга не имеет целью изложение всех количественных зависимостей, необходимых для расчета МГД-устройств, однако сказанное необходимо для понимания, в какой мере на параметры электромагнитного жело$а влияет толщина футеровки, отделяющей жидкий металл от индуктора. Обратим внимание на то, что чем больше полюсный шаг обмотки индуктора т, тем медленнее убывает индукция поля при увеличении толщины футеровки. Та часть магнитного потока, которая достигает жидкого металла, наводит в нем индукционные токи. Пользуясь элементарным правилом "правой руки", можно определить направление этих токов, пока-

занное на рис. 3, в, где "полоса" жидкого металла в канале электромагнитного желоба показана в плане. Поскольку эта полоса имеет конечную ширину, то эти токи замыкаются по контурам, имеющим наряду с поперечными (по отношению к оси желоба) частями и продольные (показанные пунктиром).

Последние не пересекаются силовыми линиями бегущего магнитного поля и в них э.д.с. не наводится, тогда как определенным сопротивлением они обладают, увеличивая общее сопротивление контура. В связи с этим чем больше полюсный шаг обмотки г по отношению к ширине канала, обычно обозначаемой 2а, тем меньше токи, индуктированные в жидком металле, и тем меньше коэффициент Вольдека Ка, входящий в формулу^ которая определяет величину усредненной по времени объемной электромагнитной силы, создаваемой бегущим магнитным полем:

(5)

где s — скольжение, равное; v — скорость движения ме

талла.

Для жидко-металлической полосы конечной ширины, т.е. канала реального электромагнитного желоба, эта формула дает значение электромагнитной силы, усредненной также по ширине канала. В действительности эта сила в каналах с непроводящими бортами у краев снижается до нуля. Кроме того, коэффициент Ка учитывает сдвиг фаз между э.д.с. и токами в жидком металле, приобретающий существенное значение при повышенных частотах поля и значительной электрической проводимости жидкого металла.

Как следует из формулы (5), увеличения электромагнитных сил для заданного расплава можно добиться увеличением полюсного шага обмотки индуктора и частоты, пока этому не начнет препятствовать уменьшение коэффициента Вольдека. Величина скольжения в реальных для черной металлургии режимах работы электромагнитных желобов мало отличается от единицы. Лишь в области значительно более высоких частот порядка нескольких килогерц начинает проявляться обычная для электрометаллургии закономерность: уменьшение динамических эффектов с увеличением частоты. Важной характеристикой МГД-явлений в жидком металле, как и любой проводящей среде, является так называемое магнитное число Рейнольдса Rem. Для электромагнитного желоба

(6)

где— толщина слоя жидкого металла.

Зависимость коэффициента Вольдека от соотношения полюсного шага индуктора и ширины канала желоба, а также магнитного числа Рейнольдса представлена на рис. 4. Наряду с возникновением электромагнитных сил при воздействии электромагнитного поля на жидкий металл в последнем выделяется в виде тепла мощность джоулевых потерь индукционных токов, Вт/м3:


Рис.

4. Зависимость коэффициента Вольдека Ка от              - магнитное число Рейнольд*

са — цифры на кривых; а — половинное значение ширины канала)

Из сравнения выражений (5) и (7) видно,

(8)

Для большинства технологических приложений электромагнитных желобов в черной металлургии близкой к оптимальной оказывается частота 50 Гц. При этой частоте подогрев расплава индукционными .токами незначителен и теплотехническая часть задачи должна решаться иными, более дешевыми средствами, например с использованием газового подогрева. Однако имеется несколько технологических процессов металлургического производства, в которых может быть целесообразным использование электромагнитных желобов с питанием на повышенных частотах (с целью интенсивного подогрева расплава индукционными токами). Кратко рассмотрим связь между приведенными выше электромагнитными параметрами и технологическими характеристиками, например пропускной способностью желоба и возможными углами его наклона (подъема металла). При горизонтальном положении электромагнитного желоба перемещение жидкого металла по нему достигается в том случае, если электромагнитные силы превосходят силы вязкости расплава, препятствующие этому движению. В обычных самотечных желобах эту роль компенсации сил гидравлического сопротивления выполняет сила тяжести, точнее ее составляющая, направленная вдоль оси наклонного желоба. Уклоны самотечных желобов мартеновских печей, чугунных канав на литейных дворах доменных печей и т.п.

обычно не рассчитывают по известным из гидравлики формулам (например, Маннинга) , поскольку в эти формулы входят коэффициенты вязкости расплава, шероховатости стенок канала и другие величины, имеющие широ

кий разброс в связи с нестабильной температурой и химическим составом расплава и износом футеровки. В металлургическом проектировании выработаны нормативные значения уклонов, обеспечивающие гарантированную работоспособность желобов в различных случаях приагре- гатного транспортирования чугуна и стали. Так, для главных чугунных желобов обычно принимают уклон 4 — 6 % и более (или угол подъема ~ 3°). Для расчета электромагнитых желобов нами введено понятие об эквивалентном угле наклона 0. Это угол, при котором объемные силы гравитации имеют в наклонном (самотечном) желобе продольную составляющую, равную усредненной объемной силе, создаваемой электромагнитным полем в канале горизонтального электромагнитного желоба. Другими словами, при электромагнитных параметрах, обеспечивающих эквивалентный угол наклона 0, электромагнитные силы в канале уравновешивают продольную составляющую веса жидкого металла, если наклонить канал на тот же по численной величине геометрический угол. Условие равновесия определяется выражением

Ф=др$\пв,              (9)

где р — плотность жидкого металла; д — ускорение свободного падения.

Величину 0, необходимую для транспортирования металла по горизонтальному электромагнитному желобу, можно принять непосредственно по нормативам для самотечных желобов. Для наклонного (восходящего) электромагнитного желоба необходимый эквивалентный угол находится сложением указанного нормативного угла с заданным геометрическим углом подъема жидкого металла. Выражение для условия равновесия принимает вид:

Ф = ppsin(0 + 0'),              (10) где 0' — геометрический угол.

Пользуясь усредненным значением электромагнитной силы, необходимо учитывать два обстоятельства, связанные с неравномерным распределением ее по сечению потока расплава.

Это важно для понимания гидродинамических явлений в канале восходящего электромагнитого желоба. Если толщина полосы жидкого металла достаточно велика по сравнению с глубиной проникновения электромагнитного поля (бегущего), то в наиболее удаленных от индуктора верхних слоях индукция поля может быть ослаблена настолько, что для этих слоев условие равновесия (10) не выдерживается. Тогда возможно обратное движение этих слоев расплава, что для некоторых технологических задач нежелательно или даже неприемлемо. В таких случаях необходимо проверить, обеспечивается ли требуемый эквивалентный угол наклона не только в среднем по сечению потока, но и отдельно для слоя металла у поверхности потока в канале желоба. Если не обеспечивается, то необходимо увеличить индукцию поля и удельный расход электроэнергии. В случаях, когда предполагается значительная толщина слоя металла в канале электромагнитного желоба, целесообразно питание его током пониженной частоты. По сравнению с глубиной проникновения плоской волны электромагнитного поля глубина проникновения бегущего магнитного поля несколько меньше:

д'э = \j2l[yj(я/т)4 + (MgCJCT)2 + (7г/т)2] .              (11)

Глубина проникновения бегущего магнитного поля зависит не только от проводимости жидкого металла и частоты, но и от полюсного шага обмотки индуктора. Величина Д'э для чугуна при наиболее употребительной и перспективной частотах 50 и 16,5 Гц приведена в табл. 2. Сопоставляя выражения (11) и (2), нетрудно заметить, что первое переходит во второе при бесконечно большом значении полюсного шага обмотки т, соответствующем плоской волне электромагнитного поля. У краев электромагнитного желоба электромагнитные силы снижаются до нуля и не могут компенсировать гравитацию, вследствие чего у краев канала достаточно крутого восходящего электромагнитного желоба могут образоваться обратные потоки жидкого металла. Эпюра распределения электромагнитных сил в поперечном сечении канала представлена на рис. 3, в (справа). Обратные потоки, уменьшающие производительность электромагнитного желоба и перемешивающие металл в канале, в большинстве случаев нежелательны. Неравномерность поля электромагнитных сил, обусловленная краевыми эффектами (поперечным и тол- щинным), а также поля не рассматриваемых здесь сил, перпендикулярных к плоскости слоя металла, обусловливает высокую степень дополнительной турбулиза- ции потока, турбулентность которого (за исключением начального момента заполнения канала) предопределяется гидродинамическим режимом, характеризующимся числом Рейнольдса. Из гидродинамических явлений, влияющих на работу электромагнитного желоба, следует отметить гидравлический прыжок, возникающий, как следует из теории, при определенных значениях числа Фруда и действительно наблюдавшийся в наших экспериментах.

Более подробное рассмотрение взаимосвязанных электромагнитных и гидродинамических процессов в электромагнитном желобе, а также те* оретическиё основы расчета индуктора, обеспечивающего необходимый эквивалентный угол наклона, составляют предмет теории электромагнитных желобов, изложение которой выходит за рамки задач настоящей книги. Для более детального ознакомления с теорией МГД-устройств и физическими основами прикладной магнитной гидродинамики читателю рекомендуются монографии [3] и [4]. Примеры конструкции некоторых других электромагнитных желобов описаны в последующих главах книги. Основным отличием любого электромагнитного желоба от других

Таблица 2. Эквивалентная глубина проникновения бегущего магнитного поля в жидкий чугун Д'э при f = 1400 °С при различных значениях полюсного шага индуктора (о = 0,67 • 106 См/м)

т, м

Значения Д'э,

мм, при различной частоте f, Гц

10

16,5

50

100

500

0,25

79

77

66

53

26,7

0,5

138

122

81

59

27,3

0,75

165

137

84

61

27,4

1,0

177

143

85

61

27,5

оо (плоская волна)

195

151

87

62

28

МГД-устройств, описанных ниже, является то, что в электромагйитном желобе расплав перемещается в виде безнапорного потока, имеющего свободную поверхность. 

<< | >>
Источник: Beрте Л. А. МГД-технология в производстве черных металлов. 1990

Еще по теме ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЖЕЛОБА:

  1. ФЕРМЕННЫЙ БИОГЕОЦЕНОЗ
  2. К
  3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ФОРМОВОЧНЫХ И СТЕРЖНЕВЫХ СМЕСЕЙ
  4. Изучение СВ в Советском Союзе
  5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЖЕЛОБА
  6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ НАСОСЫ
  7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛИ И ВРАЩАТЕЛИ
  8. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
  9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ДОЗИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ СТРУЯМИ РАСПЛАВОВ
  10. ДИСПЕРГИРОВАНИЕ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
  11. РАЗДЕЛЕНИЕ МЕТАЛЛА И ШЛАКА
  12. Глава 3 ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОТИВОТОЧНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
  13. МАССООБМЕН МЕЖДУ МЕТАЛЛОМ И ШЛАКОМ В ЖЕЛОБНЫХ (ПОДОВЫХ) ПРОЦЕССАХ
  14. ГЛУБОКОЕ РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА
  15. 4. ПРОТИВОТОЧНЫЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ И ДРУГИЕ ПРОЦЕССЫ