Электромагнитное перемешивание металла

Установка электромагнитного перемешивания (УЭМП) является эффективным технологическим инструментом, применяемым на ДСП вместимостью 25 т и более для управления массо- и теплообменными процессами в ванне.

Электромагнитное перемешивание (ЭМП) влияет на кинетику физико-химических процессов и способствует интенсификации плавки в ДСП. По данным Н.В. Окорокова, А.И. Пахомова, А.Г. Зубарева и других исследователей, ЭМП увеличивает скорость удаления серы и кислорода, ускоряет растворение легирующих добавок, способствует гомогенизации жидкометаллической ванны по химическому составу и температуре. Например, по данным Л.А. Мальцева, перепад температуры по глубине ванны ДСП-25 в восстановительный период снижается с 20…50 К (без ЭМП) до 5…20 К (с ЭМП), т.е. в 4–5 раз. Гидродинамическое движение металла при ЭМП ускоряет диффузионное удаление примесей, увеличивает «эффективную» поверхность раздела «металл – шлак», способствует снижению содержания неметаллических включений. Поэтому возможно сокращение длительности восстановительного периода на 20…30 % без ухудшения качества металла.

Применение ЭМП гарантирует легирование металла по нижнему пределу содержания легирующего элемента, что дает экономию ферросплавов. УЭМП позволяет механизировать такие трудоемкие операции по обслуживанию крупных ДСП, как перемешивание жидкого металла и скачивание шлака (при двухшлаковом процессе). Поэтому УЭМП является неотъемлемым элементом АСУ ТП.

В ДСП высокой и сверхвысокой мощности, несмотря на вынос ряда технологических процессов в специализированные агрегаты внепечной обработки стали, применение УЭМП целесообразно для сокращения периода расплавления τ_эн за счет интенсификации массообмена и процесса растворения твердой металлошихты в жидком металле.

Удельный расход электроэнергии на ЭМП составляет 8…10 кВт×ч/т.

Впервые ЭМП (а точнее, электромагнитное вращение) было обнаружено в ДСП с проводящей подиной (см. § 1), питаемых двух- (ДСП фирмы «Электрометалл») или трехфазным (ДСП конструкции инж. Натузиуса) током, в результате чего в ванне возникает вращающееся магнитное поле. Индукционное ЭМП (принцип действия аналогичен принципу действия асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором) на токах промышленной частоты впервые было предложено Л.И. Морозенским (1928 г., статор расположен внутри кожуха вокруг ванны) и Н.В. Окороковым (1935 г., статор расположен вокруг кожуха под ванной). В 1939 г. шведская фирма ASEA применила УЭМП на пониженной частоте с установкой статора под корпусом ДСП с немагнитным днищем.

УЭМП состоит из статора, устанавливаемого обычно под корпусом ДСП вдоль горизонтальной продольной оси уу, в проеме опорной платформы между сегментами (см. рис. 45), токопровода и источника питания, располагаемого в отдельном помещении печной подстанции.

Статор УЭМП (рис. 52) имеет магнитопровод и обмотку, состоящую из трех секций (катушек), расположенных на середине магнитопровода (средняя)и на краях (крайние).

Рис. 52. Схема статора электромагнитного перемешивания:
1 – магнитопровод; 2 – обмотка средней фазы (Ср); 3 – обмотки крайней фазы (1 кр и 2 кр)

Работа УЭМП основана на ЭМГД-воздействии бегущего двухфазного электромагнитного поля на жидкий металл:

1) переменный ток одной фазы источника питания создает соответствующее магнитное поле ;

2) попадая в ванну ДСП, это переменное магнитное поле индуктирует в данной точке жидкого металла ток, характеризуемый комплексным вектором J_м и отстающий по фазе на π/2 от потока (и тока I₁);

3) переменный ток I₂ другой фазы двухфазного источника питания создает сдвинутый на π/2 магнитный поток , также пронизывающий жидкий металл и характеризуемый в данной точке комплексным вектором магнитной индукции В;

4) в результате взаимодействия индуктируемых токов с магнитным полем, пронизывающим жидкий металл, возникают электромагнитные объемные силы (ЭМОС), создающие турбулентное направленное движение металла в объеме ванны. При этом измеряемая скорость движения по зеркалу ванны достигает 0,4…0,6 м/с;

5) величина и направление ЭМОС (Н/м³) определяются (в среднем за период изменения электромагнитного поля УЭМП с частотой w = 2pf) половиной вещественной (англ. Real) части комплекса векторного произведения комплексного вектора плотности индуктируемых токов J_м (А/м²) и сопряженного комплексного вектора магнитной индукции B* (Тл):

е[J_мB*]. (115)

Поскольку переменное электромагнитное поле в жидкометаллической ванне затухает по глубине металла, частоту f тока статора УЭМП выбирают в зависимости от глубины ванны h_м (табл. 8).

Таблица 8

Рациональные значения частоты тока для УЭМП (по данным Н.В. Окорокова)

Вместимость ДСП mo, т	Глубина металла hм, мм	Частота тока f, Гц
		0,95
		0,65
		0,5
		0,3

Для снижения возможного эрозионного износа футеровки откоса ванны при ЭМП рациональная форма статора должна быть подобной профилю ванны ДСП. Поворот вектора В вблизи откоса на 45° обеспечивает согласно уравнению (115) направление силы и, следовательно, движения жидкого металла вдоль образующей откоса ванны.

При установке статора УЭМП под корпусом ДСП днище изготовляют из немагнитной стали для ослабления экранирования электромагнитного поля. Целесообразной является форма днища в виде двойного усеченного конуса с углами образующих с горизонталью 15 и 45°, аналогично профилю статора, что уменьшает воздушный зазор. Футеровку подины делают меньшей толщины согласно формуле (110б), что ослабляет рассеяние магнитного поля в зазоре «статор – жидкий металл».

При установке статора необходим тщательный контроль температуры днища в нескольких точках для предупреждения о возможном аварийном прорыве жидкого металла сквозь футеровку подины, особенно при водяном охлаждении обмотки статора УЭМП.

Размещение крайних и средней катушек вдоль оси статора позволяет создать пространственный сдвиг магнитных потоков в виде бегущего электромагнитного поля (помимо ранее отмеченного временного сдвига, создаваемого двухфазным источником питания):

B , (116)

где В и В_m – комплексная величина и модуль магнитной индукции бегущего магнитного поля;
w – угловая частота колебаний;
β = 2π/λ – волновое число (пространственный период);
р – число пар полюсов (обычно для УЭМП р = 1);
l_cтр – длина статора вдоль горизонтальной продольной оси ДСП (см. рис. 48,а);
l_cтр/2р = 0,5 – полюсное деление статора, равное длине полу- волны электромагнитной волны вдоль статора;
– длина электромагнитной волны.

Подключение одной фазы источника питания к двум крайним катушкам (расщепленная фаза) и реверсивное включение средней катушки ко второй фазе позволяют создать четыре схемы бегущего магнитного поля (рис. 53), расширяющие технологические возможности УЭМП.

Рис. 53. Электрические схемы соединения и графики магнитных потоков Ф для различных типов магнитных полей УЭМП:
а – бегущее вправо; б – бегущее влево; в – сходящееся; г – расходящееся;
Н и К – начало и конец средней (ср)и крайних (1 кри 2 кр) катушек