2.3. Электромагнитные дозаторы

Проблема активного целена­правленного управления течениями жидкого металла для дости­жения оптимальных рабочих характеристик процессов и аппара­тов весьма актуальна, а ее решение в конечном счете представляет собой реализацию современных задач всемерной интенсификации и автоматизации промышленного производства, повышения ка­чества получаемых материалов, экономии природных и энергети­ческих ресурсов и широкого использования непрерывных и поточ­ных технологий [27].

Проиллюстрируем сказанное несколькими конкретными при­мерами.

Во многих металлургических процессах непрерывного производства, где по условиям технологии требуется строгая син­хронизация количества металла, последовательно проходящего вдоль агрегатов всей рабочей цепочки, необходимо стабильное уп­равление величиной расхода металла (рис. 30).

В частности, при непрерыв­ной разливке металлов весьма важно регулирование расхода металла, поступающего из промежуточной емкости в кристалли­затор для поддержания зеркала расплава в нем на постоянном, уровне. Не менее значима задача целенаправленного управления величиной и распределением жидкометаллического потока в кристаллизаторе с целью уменьшения глубины проник­новения струи металла в зоне вторичного охлаждения кристалли­зующегося слитка. При использовании жидких металлов (натрия, калия и др.) в ядерных установках необходимо согласовывать потоки в первич­ных и вторичных контурах охлаждающих систем в соответствии с законами изменения нагрузки и мощности атомной электростан­ции, регулировать расход теплоносителя через параллельные ветви теплообменника, предназначенные для сброса тепловых нагрузок с реактора в аварийных случаях (как, например, в установке БОР-60), синхронизировать (выравнивать) расход

Рис. 30. Схема разливки металла в ус­тановке непрерывной разливки вертикаль­ного типа: 1 - разливочная емкость; 2 - стопор; 3 - МГД-дроссель; 4 - кристал­лизатор; 5 - тянущие валки; 6 - слиток

потоков в па­раллельных секциях парогенераторов и т. п. [25].

Управление расходом и скоростной структурой течений в этом случае может существенно улучшить характеристики жидкометаллических теплообменников, интенсифицировать съем и сброс тепла в требуемых зонах атомных энергоустановок с реакторами на бы­стрых нейтронах.

Управление характеристиками потоков жидких металлов со­пряжено в производственной практике со значительными труд­ностями. Используемые в настоящее время различные механиче­ские устройства для регулирования расхода расплавов в метал­лургии (стопорные пары, игольчатые дозаторы и т.п.) и жидкометаллических системах ядерной энергетики (вентили, задвижки) недостаточно надежны и имеют низкие эксплуатационные показатели. Объясняется это высокой агрессив­ностью рабочих сред, образованием наростов и корок на деталях конструкций, сложностью герметизации металлопровода на уча­стке регулирующего органа и т.п.

Существенно нелинейные и нестабильные характеристики этих устройств затрудняют созда­ние систем автоматического управления технологическими про­цессами.

Неоспоримыми преимуществамипо сравнению с механиче­скими средствами регулирования обладают МГД-устройства, осу­ществляющие бесконтактное воздействие на рабочую среду си­лами электромагнитного происхождения [26].

К ним в первую очередь относятся:

- отсутствие механически перемещающихся деталей, контак­тирующих с расплавленным металлом, и герметичность металло­провода;

- управление характеристиками потоков непосредственно из­менением электрических величин (тока, напряжения) и, следова­тельно, дистанционность и плавность регулирования;

- возможность создания простых и надежных систем автома­тического управления технологическими процессами.

Указанные преимущества обусловили появление многочисленных предложений по использованию средств МГД-техники (в ос­новном электромагнитных насосов) для целей регулирования расхода потоков жидких металлов как в металлургии, так и в агрегатах ядерной энергетики

С помощью электромагнитных насосов (ЭМН) возможно регулирование расхода как в большую сторону от его номинального значения (насосный режим), так и в меньшую (тормозной режим), вплоть до полной остановки потока. Наи­более распространены в настоящее время следующие типы ЭМН: индукционные и кондукционные. У первых напряженность электрического поля создается за счет изменения во времени внешнего магнитного поля, у вто­рых - за счет градиента потенциала, созданного внешним источ­ником тока.

Для малых и средних значений расхода (Q < 10³ м³/ч) все из­вестные сегодня конструктивные схемы ЭМН классического типа достаточно подробно исследованы, и на их базе успешно реша­ется проблема транспорта низкотемпературных жидкометаллических расплавов, в частности в охлаждающих системах агрегатов ядерной энергетики. В настоящее время в данной области стоят задачи создания высоконапорных насосов для щелочных метал­лов при весьма больших величинах расхода (Q = (10  20)10³ м³/ч) и решения возникающих при этом вопросов ка­витации, неустойчивости МГД-течений при маг­нитных числах Рейнольдса R_m > l , учета в расчетах резко неоднородных скоростных структур в рабочих каналах и др. [1].

Исследование ЭМН классического типа в задачах металлурги­ческого производства в основном ограничено низкотемператур­ными металлами (ртуть, магний, свинец, олово).

В [27] показано, что цилиндрические с внутренним ферромагнитным сердеч­ником и плоские индукционные насосы достаточно эффективны для транспорта и дозирования жидких металлов.

Основные вопросы, возникающие при конструировании и экс­плуатации, связаны прежде всего с изготовлением надежных ка­налов устройств из существующих огнеупорных материалов, со стабилизацией температурного режима жидких металлов в кана­лах, исключающего возможность их замерзания при малых вели­чинах расхода, и с необходимостью охлаждения или теплоизоля­ции обмоток индукторов.