1.4. Электромагнитное перемешивание металла

В восстановительный период плавки скорости процессов раскис­ления и десульфурации металла за­висят от скорости диффузии про­дуктов раскисления сернистого же­леза в шлак, которая в свою очередь является функцией среднего пути частиц окислов и сернистого железа до поверхности шлака., т. е. глубины ванны, а сле­довательно, и емкости печи. Эти скорости можно существенно повы­сить, заставив металл в ванне цир­кулировать так, чтобы нижние слои металла перемещались к слою шла­ка. Такая вертикальная циркуляция желательна и для выравнивания температур жидкого металла в ван­не. Так как тепло выделяется дуга­ми у поверхности ванны, верхние слои металла перегреваются по сравнению с нижними тем больше, чем глубже ванна. В крупных печах температурный перепад по глубине ванны может превышать 100°С. На­конец, направленная циркуляция металла облегчает равномерное рас­пределение легирующих в его тол­ще, что особенно важно при вып­лавке высоколегированных сталей.

Естественное перемешивание металла, вызванное «кипом», ослабевает к концу окислительного периода и прекращается в период восстановления. Теплового переме­шивания в ванне практически нет, так как горячие слои металла находятся наверху у ее поверхности. Поэтому в малых печах металл перемешивают вручную. В печах емкостью 20 т и более ручное перемешива­ние требует слишком много усилий и време­ни и часто не дает нужного результата. Поэтому предпринимались многочисленные попытки организовать искусственное перемешивание жидкого металла ванны: мешал­ками, переливом металла в ковш и обратно в печь, продувкой металла газами, введе­нием в ванну металлического кальция, па­ры которого, выделяясь, перемешивают ме­талл, и, наконец, электромагнитным пере­мешиванием. Все эти способы оказались непрактичными и экономически невыгодны­ми, и лишь последний из них получил распространение.

Электромагнитное перемешивание ван­ны в дуговой печи в целях ускорения реак­ций было впервые предложено в СССР в 1928 г. Л.И.Морозенским, установившим по окружности кожуха печи три (или шесть) катушки, питаемые трехфазным то­ком промышленной частоты и создающие в горизонтальной плоскости вращающееся магнитное поле. Это поле наводит в жид­кой ванне токи, взаимодействие которых с полем вызывает механические силы, приво­дящие металл во вращение в направлении движения поля, аналогично тому, как это имеет место в асинхронном двигателе с массивным ротором. Помимо основного вра­щения металла в горизонтальной плоскости, по идее автора, должны были возникать вихревые движения (в частности, в резуль­тате воздействия растекающихся в металле токов дуг), обеспечивающие и вертикаль­ное перемещение металла.

Расчеты автора были подтверждены экспериментально на опытной печи емко­стью 0,5 т, на которой было достигнуто ус­корение обезуглероживания, дефосфорации и десульфуризации металла. Однако при переносе опытов на большие промышлен­ные печи этого эффекта получить не уда­лось, несмотря на то, что мощность кату­шек доводилась до 20 % мощности печи. Причина заключалась в неудачном выборе направления движения металла (в горизон­тальной плоскости) и в неправильном вы­боре частоты. На частоте 50 Гц, применен­ной Л. И. Морозенским, глубина проникно­вения тока в металле равна всего 7–8 см.

Чтобы возникающие силы были достаточно велики, необходимо, что­бы глубина проникновения тока в металл приближалась к половине глубины ванны. В крупных печах она равна около 1 м, и частота тока питания устройства здесь должна быть равной 1,5–0,5 Гц, исходя из выражения для глубины проникновения тока в металл .

Применение пониженной частоты для питания перемешивателя метал­ла в дуговой сталеплавильной печи было впервые предложено фирмой ASEA (Швеция) в 1939 г. Был раз­работан двухфазный статор, пред­ставляющий собой плоский магнитопровод, устанавливаемый под днищем печи, выполненным из не­магнитной стали. Закрепленные в магнитопроводе катушки питаются двухфазным током пониженной час­тоты и создают бегущее поле, кото­рое наводит токи в металле. Взаи­модействие этих токов с полем вы­зывает движение металла. Катушки выполняются в виде наружной и внутренней; наружная состоит из двух частей, которые можно включать согласно или встречно. При согласном включении половин внеш­ней катушки образуется бегущее поле (рис. 1.19, а), вызывающее движение металла в нижней части от рабочего окна к летке (рис. 1.20, а); в результате верхние слои ме­талла будут двигаться от летки к рабочему окну, увлекая за собой шлак. Это используется для скачи­вания шлака; при наклоне печи в сторону рабочего окна шлак подхо­дит к окну и сам перетекает через порог в шлаковницу, избавляя пер­сонал от тяжелого ручного труда. При встречном включении катушек (рис. 1.19, б) образуется так назы­ваемое расходящееся поле, вызы­вающее интенсивное перемешивание металла (рис. 1.20, б).

Электромагнитные перемешиватели устанавливаются на отечест­венных печах емкостью 25 т и выше и питаются от электромашинных ис­точников пониженной частоты, сос­тоящих из нескольких машин (два генератора пониженной частоты, приводной синхронный двигатель с возбудителем, генератор постоянно­го тока), весьма громоздких и до­рогих. В настоящее время ведутся работы по созданию тиристорных преобразователей частоты, пригод­ных для питания перемешивателей. Неясной пока остается целесо­образность применения перемешивателей на тех печах сверхвысокой мощности, у которых процесс рафи­нирования выносится из печи, так как в этом случае на долю перемешивателя остается лишь функция облегчения скачивания шлака.

Рис. 1.19. Схемы включения обмоток двух­фазного перемешивателя: а — «бегущее» магнитное поле; б — «расходящее­ся» магнитное поле

а б

Рис. 1.20. Движение металла и шлака в дуговой печи при разных режимах работы перемешивателя: а — в режиме скачивания шлака; б — в режиме перемешивания; 1 — шлак; 2 — статор