Управление движением жидкого металла

В ИТП цилиндрические электромагнитные волны, падающие на боковую поверхность металла в тигле, оказывают давление на жидкий металл, величина которого пропорциональна подводимой к металлу мощности Р_м, а направление совпадает с направлением вектора Пойнтинга (см. рис. 81). Собственное магнитное поле вихревых токов, индуктируемых в металле, создает объемные электромагнитные силы, сжимающие жидкий металл аналогично (38). Как уже отмечалось, при силе тока I ≈ 1...10 кА индуктор ИТП создает магнитное поле напряженностью Н = IN₁ ≈ 10...100 кА/м, вследствие чего максимальное (на оси тигля) электромагнитное давление f_сж в жидкой стали (μ_r = 1) при D_м/δ_эм> 10 (k_мР → 1) достигает 0,1...10 кПа:

*, (169)

где q_м – плотность потока активной мощности, Вт/м²; q_м = P_м/(πD_мh_м);
ρ_м в Ом∙м; I – в А; (f_сж)_max – в Па.

Электромагнитные силы оказывают на жидкий металл статическое и динамическое воздействие, в результате чего верхняя часть металла при недостаточном ферростатическом давлении отжимается от стенки тигля и приобретает форму выпуклого мениска, повторяя форму магнитных силовых линий в этой части тигля, а во всем объеме возникает электродинамическая циркуляция (см. рис. 88).

Высота столба металла Δh_м (м), уравновешивающая электромагнитное давление (f_сж)_max ,

^**, (170)

где d – плотность жидкого металла, кг/м³;
g – ускорение свободного падения; g = 9,81 м/с².

В реальных условиях ИТП высота мениска также зависит от взаимного расположения металла и верхнего торца индуктора, поскольку в формуле (170) не учтено влияние двух явлений: ослабления магнитного поля вблизи торцов индукторами и наличия магнитного поля над зеркалом ванны ИТП, когда магнитный поток, выйдя из кольцевого зазора между индуктором и металлом, приобретает горизонтальную составляющую и усиливает деформацию поверхности металла у стенки тигля.

Ослабление электромагнитных сил вблизи торцов индуктора является причиной «выдавливания» жидкого металла из области с давлением (f_сж)_max в места с пониженным давлением, т.е. вверх и вниз; этот металл перетекает радиально от оси к стенке тигля вверху и внизу, возвращаясь к средней плоскости индуктора вдоль стенки тигля и образуя два тороидальных контура циркуляции (см. рис. 88). Такая естественная двухконтурная циркуляция жидкого металла характерна для ИТП с однофазным индуктором. Помимо металлургических преимуществ, естественное ЭМП металла в ИТП имеет ряд серьезных недостатков:

1. Выпуклый мениск затрудняет обработку металла шлаком, поскольку шлак стекает к стенке тигля, что, с одной стороны, увеличивает расход шлакообразующих материалов, а с другой – усиливает коррозионный износ футеровки верхней части тигля. Обычно высоту мениска ограничивают 15 % от высоты металла в тигле, т.е.

, (171)

что, в свою очередь, лимитирует, согласно выражению (170), удельную мощность более крупных ИТП, работающих на меньшей частоте, согласно формуле (152).

2. Достаточно высокая скорость (0,5...1,5 м/с) турбулентного движения металла усиливает эрозионный износ футеровки тигля, особенно в нижней зоне поворота потока жидкого металла (см. рис. 88) при большом ферростатическом давлении. При развитом турбулентном движении жидкого металла, характеризуемом для ИТП числом Рейнольдса более 20 000 (по данным ВНИИЭТО), скорость линейно зависит от настила тока индуктора IN₁, достигая 0,5...1,5 м/с.

3. Двухконтурная циркуляция не обеспечивает гомогенизации ванны по всей глубине, особенно на крупных ИТП, при легировании металла тяжелыми элементами.

Кроме этого, в системе «индуктор – металл» возможно возникновение резонансных механических колебаний с двойной частотой, поскольку мгновенные значения электромагнитных сил, определяемых векторным произведением двух синусоидальных величин согласно (115), пульсируют с двойной частотой 2ω = 4πf, изменяясь дважды за период изменения электромагнитного поля и силы тока индуктора от максимального (амплитудного) значения до нуля. Поэтому в тех случаях, когда собственная частота колебаний металлошихты или элементов металлоконструкций близка к частоте 2ω, амплитуда колебаний (вибраций) в системе ИТП может достичь недопустимо больших значений, что необходимо учитывать при конструировании ИТП, особенно промышленной частоты.

Наиболее распространенный способ уменьшения высоты мениска Δh_м основан, согласно (170), на уменьшении напряженности магнитного поля в верхней части ванны ИТП, в результате чего циркуляция вблизи зеркала ванны ослабляется и подавляется ферростатическим давлением (рис. 92). Однако несимметричное расположение индуктора относительно металла уменьшает теплогенерацию в верхней части тигля и затрудняет плавление металлошихты (отдельные куски шихты свариваются в сплошной «мост», препятствующий сходу холодной шихты в зону плавления). Поэтому целесообразно регулировать электродинамическую циркуляцию по ходу плавки, применяя либо механическое понижение уровня индуктора поднятием тигля или опусканием индуктора, либо электрическое понижение уровня индуктора путем отключения верхних витков.

Рис. 92. Зависимость высоты мениска Dh_м от расстояния между центрами металла
и индуктора при разном их взаимном расположении (позиции А, Б, В и Г)
[по данным Ф. Нортрупа (F.P. Northrup, 1931 г., USA)]

Радикальным решением проблемы улучшения электродинамического перемешивания металла в ИТП ценой значительного усложнения системы ее питания является создание одноконтурной циркуляции с помощью бегущего поля (аналогично ЭМП в ДСП). Бегущее поле, оказывающее силовое воздействие на расплав, создают многофазным током низкой частоты (16 или 50 Гц), а энергию для нагрева передают в металл на более высокой частоте, т.е. ИТП является двухчастотной. Нагрев и перемешивание проводят одновременно или поочередно. В первом случае используют раздельные индукторы – однофазный для нагрева и многофазный для перемешивания, оборудованные фильтрами для защиты источника одной частоты от проникновения другой частоты. Во втором случае печь имеет один секционированный индуктор, подключаемый поочередно с соответствующими переключениями к различным источникам питания. Из условия допустимого снижения температуры жидкого металла время работы перемешивающего устройства не превышает 10 мин, что вполне достаточно для усреднения химического состава при легировании металла.