1.4. Электромагнитное перемешивание жидкого металла в тигле

Взаимодействие тока в индукторе с током, индуцированным в поверхностном слое ЖМ в тигле, приводит к возникновению электродинамических сил, действующих на ЖМ и направленных к оси тигля.

Под действием электродинамических сил возникает циркуляция металла в тигле, интенсивность которой особенно проявляется при частоте тока 50 Гц. Циркуляцию можно визуально оценить по высоте выпуклого мениска на свободной поверхности ванны металла. Высота мениска прямо пропорциональна удельной мощности, передаваемой в осадку, и обратно пропорциональна корню квадратному из частоты тока [4, с. 260].

В результате электромагнитного перемешивания происходит выравнивание температуры и химического состава металла в объёме ванны. Быстрее проходят процессы растворения легирующих элементов и науглероживания. Однако чрезмерная интенсивность перемешивания приводит к нарушению сплошности шлакового покрова, так как шлак стекает к стенкам тигля, и для того чтобы всё зеркало ванны было покрыто шлаком, приходится расходовать больше шлакообразующих. Шлак, скопляющийся у стенок тигля и химически взаимодействующий с футеровкой, разъедает её на большем протяжении, чем при плоской поверхности металла. Кроме того, при циркуляции металла происходит увлечение частиц шлака в глубь металла. Вследствие наличия бесшлаковых участков поверхности ванны увеличивается угар металла, усиливается растворение в нём газов, возможны газометаллические выбросы [4, с. 260; 1, с. 209 – 910]. Далее в книге [1, с. 211 – 213] рассматриваются указанные ниже способы уменьшения чрезмерной интенсивности перемешивания ЖМ.

Простейшим способом уменьшения выпуклости мениска является расположение верхнего торца индуктора ниже уровня ЖМ [1, c. 186 – 187]. В этом случае нормальные к боковой поверхности тигля электродинамические силы в верхней части тигля будут отсутствовать, поэтому электродинамическая циркуляция ЖМ не выходит на поверхность, и поверхность зеркала ванны может быть сделана почти плоской. Однако крупным дефектом низкого расположения индуктора является значительное ослабление поля в верхней части тигля и благодаря этому слабый нагрев металла в данной зоне. Это неизбежно вызывает сплавление отдельных кусков шихты в сплошной «мост», препятствующий сходу холодной шихты в зону плавления, вследствие чего металл под «мостом» перегревается; что создаёт опасность преждевременного выхода из строя тигля.

Для устранения последнего дефекта было предложено использовать двух- или трехсекционные индукторы, верхняя и нижняя секция которых могут включаться порознь. В начале плавки, когда ЖМ ещё мало, сильная циркуляция ускоряет процесс расплавления и её не следует ограничивать; поэтому в начале плавки включаются обе секции индуктора (или две верхние – при трехсекционном индукторе), работающие параллельно и передающие шихте полную мощность. Когда процесс расплавления шихты близится к концу, верхняя секция индуктора отключается (при трехсекционном – взамен верхней включается нижняя секция), электродинамическая циркуляция на поверхности уменьшается, поверхность ванны делается плоской и одновременно уменьшается поглощаемая шихтой мощность.

Печи с регулируемой электродинамической циркуляцией с двух – или трехсекционным индуктором не получили широкого распространения вследствие усложнения, создаваемого необходимостью установки добавочных подводов к индуктору и рубильников на них.

Конструктивно печь будет наиболее простой в том случае, если она имеет только один индуктор, присоединяемый при нагреве металла к источнику тока повышенной частоты, а для перемешивания металла переключаемый (с пересоединением витков) к двух- или трёхфазному источнику тока 50 Гц. При этом нагрев и перемешивание производятся поочерёдно (так как мощность нагрева при частоте 50 Гц слишком мала).