книги из ГПНТБ / Повх, И. Л. Магнитная гидродинамика в металлургии

Экспериментами установлено, что для воздействия на слитки диаметром ^ 500 мм индуктор целесообразнее устанавливать над поверхностью расплава, для воздей­ ствия на слитки меньших размеров индуктор распола­ гают по периметру кристаллизатора. Для уменьшения экранирующего действия гильзы и корпуса кристалли­ затора последний рекомендуется изготовлять из немаг­ нитного материала с 'Малой электропроводностью (нап­ ример, из стали 1Х18Н9Т), гильзу кристаллизатора из­ готовляют из алюминия или меди. При этом толщина алюминиевой гильзы не должна превышать 7 мм, мед­ ной гильзы ^ 3 мм. В работе [121] механизм влияния электромагнитного воздействия представляется так.

Измерениями с помощью термопар установлено, что электромагнитное перемешивание приводит к 'вы­ равниванию и некоторому понижению температуры рас­ плава в жидкой сердцевине слитка. Так, для чистых металлов и сплавов эвтектического состава и промыш­ ленных сплавов типа МА8 и АМЦ с узким интервалом кристаллизации температура выравнивается до эвтек­ тической или на 2—3°С ниже температуры ликвидуса. Для сплавов с широким интервалом кристаллизации типа Д16, АМГ6, МА2-1 происходит понижение темпе­ ратуры на 10—20°С ниже температуры ликвидуса. В заэвтектических сплавах типа А1—Si достигается пони­ жение температуры, едва превышающее температуру эвтектического превращения.

Сопоставление температурных измерений с измене­ ниями в структуре слитков дает основание сделать вы­ вод, что основное влияние на процесс кристаллизации электромагнитное воздействие оказывает путем вырав­ нивания температуры жидкой сердцевины ниже ликви­ дуса металла или сплава.

При электромагнитном (воздействии вследствие сня­ тия перегрева и выделения тепла при росте в жидкой сердцевине первичных кристаллов значительные измене­ ния претерпевает форма фронта кристаллизации. При низком кристаллизаторе лунка расширяется в донной части, при глубоком — углубляется.

~ По мере увеличения интенсивности перемешивания, т. е. с ростом силы тока, подаваемого в индуктор, про­ исходит увеличение числа центров кристаллизации в лунке (рис. 85,а). При выравнивании температуры во всем объеме расплава дальнейшее увеличение интен­

180

сивности перемешивания уже не приводит к росту до­ полнительных центров кристаллизации, а также к даль­

широко используется в промышленности при литье маг­ ниевых сплавов. Так, при получении плоских слитков из магниевых сплавов MAI, МА8, МА2-1, МА2-2 и МАП сечением 165X544 мм применяли индуктор, располагае­

загрязнением слитка. При 60 кВ-А в слитках из сплава

181

MAI, MA8, MA2-2 и МА11 и при 40 кВ-А в слитках из сплава МА2-1 была (Полностью устранена столбчатая структура, при этом величина зерна уменьшилась более чем в 100 раз, по всему сечению слитка измельчение было равномерное. В слитках из сплава МА8 при 60— 100 кВАвеличина зерна уменьшается в два раза.

Использование электромагнитного перемешивания при литье слитков сплава АМЦ (70— 110 кВ-А) и сплава АМЦ (20 кВ-А) привело к полному устранению столб­ чатых и веерных кристаллов и измельчению зерна -по всему сечению слитка. При этом для круглых слитков сплава АЦМ диаметром < 850 мм и слитков АМГ6 диаметром 650 мм индуктор устанавливали над повер­ хностью жидкой ванны, для слитков сплава АМЦ диа­ метром 300 мм индуктор размещали вокруг кристалли­ затора.

Огрубление ветвей дендрнтов наблюдалось при пе­ ремешивании с N = 150 кВ-А для сплава АЦМ и 40 кВ-А

для сплава АМЦ, когда имело место захолаживание большей части жидкой сердцевины слитка.

Образование интерметаллидоЕ при затвердевании слитков из этих сплавов в значительной степени зави­ сит от интенсивности электромагнитного перемешивания.

Максимум средней плотности сплава АМЦ, отливае­

слитков из сплава АЦМ этот максимум менее заметен. Это объясняется склонностью сплава АЦМ к образова­ нию газовой пористости."

Электромагнитное перемешивание приводит к вырав­ ниванию плотности металла по сечению слитка. Разни­ ца в плотности различных зон обычного слитка состав­ ляет 0,05 г/см3, при электромагнитном перемешивании — 0,02 г/см3. Ликвация элементов при электромагнитном перемешивании слитков из сплавов АЦМ и АМЦ не превышает допустимую. Вследствие измельчения зерна и улучшения условий питания за счет электромагнитно­ го перемешивания уменьшается склонность слитков к образованию горячих трещин.

Исследования показали, что наиболее (целесообразно МГД-воздействие применять для измельчения зерна при литье слитков из сплавов с узким интервалом кри­ сталлизации и для устранения веерных кристаллов.

Формирование слитка электромагнитным полем

182

[122—125]. Установка для формирования слитка элек­ тромагнитным .полем .при непрерывном литье (рис. 86) состоит из индуктора 1, лотка 2, распределительной ко­ робки 3, плавающей чаши 4, предназначенной, для под­

держания постоянного уровня и равномерного распре­ деления расплава, коллектора 5, откуда охлаждающая

жидкость подается по на­ ружной поверхности направ­ ляющего конуса 6 на слиток,

находящийся на поддоне 7. Технологический цикл работы установки состоит из следующих основных при­ емов. Перед подачей метал­ ла внутрь индуктора 1 вво­

дится поддон 7, охлаждае­ мый водой из.коллектора 5. При поступлении расплава на неподвижный поддон за

По достижению слитком определенной высоты ПОДДОН

опускается вниз с постоянной скоростью. Охлаждаю­ щая жидкость поступает, на затвердевшую поверхность слитка. В верхней части слитка сохраняется формируе­ мая электромагнитным полем жидкая зона определенной высоты. Формирование этой зоны является основой по­ лучения качественных слитков. Форма и поперечные раз­ меры зоны должны соответствовать отливаемому слитку с учетом усадки при его затвердевании. На поверхности жидкой зоны должны отсутствовать видимое движение и колебания металла. Уровень металла в процессе литья должен поддерживаться постоянным.

В значительной степени формирование жидкой зоны зависит от частоты тока в индукторе, размеров системы

183

5. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И МГД-ВРАЩЕНИЕ МЕТАЛЛА

Явления, происходящие в проводящих жидкостях

магнитного поля на процессы теплопереноса и затверде­ вания, а также на качество отливаемых слитков. Зна­ чительное количество различных вариантов применения МГД-вращения при непрерывном литье рассмотрено Э. Германном и В. Шварцмайером.

В Советском Союзе в 1960 г. были выполнены ис­ следования по использованию вращающегося магнитно­ го поля при отливке стального непрерывного слитка диаметром 280 мм.

Ведутся работы .по электромагнитному перемешива­ нию непрерывных слитков сечением 280X280 и 280Х Х420 мм из сталей 20НМ, 40Х, 40ХН, ЗОХГСА, 20ХНЗА [33, с. 62]. Для перемешивания используются враща­ тели с явно выраженными полюсами. Питание вращате­ лей осуществляется переменным током низкой частоты

(1,6-2,5 Гц).

Эффективно применение вращающегося магнитного поля при кристаллизации отливок, получаемых литьем по выплавляемым моделям [44, с. 16]. У отливок слож­ ной конфигурации из стали 1Х18Н11БЛ и сплава ЭИ 268, обработанных реверсируемым и иереверсируемым вра­ щающимся магнитным полем, достигнуто измельчение зерна по всему объему отливок, а также получено по­ вышение их гидроплотности.

Следует отметить, что в последнее время работы по применению МГД-вращения ведутся в направлении по­ вышения к. п. д. способов и устройств, упрощения и по­ вышения надежности конструкций.

С этой точки зрения представляет интерес индукци­ онный вращатель (рис. 89), в'котором роль трехфазного индуктора выполняет собственно кристаллизатор с тремя специальными разрезами [129]. По кристаллиза­ тору пропускается ток большой величины при низком напряжении. Наличие вокруг кристаллизатора шихто­ ванного магнитопровода и отсутствие экрана в виде стенки кристаллизатора на пути магнитного потока обусловливают более эффективное действие электро­ магнитных сил на металл.

1Я5

Более высокий к. п. д. имеет вращатель кондукционного типа (рис. 90). Вращение металла в этом случае осуществляется за счет электромагнитных сил, возни­ кающих при взаимодействии постоянного магнитного поля соленоида и электрического тока, который идет по

жидкой лунке от центрального электрода к кристалли­ затору. Благодаря тому, что постоянное магнитное поле не экранируется твердой корочкой слитка, к. п. д. и эф­ фективность воздействия этих вращателей выше, чем у .вращателей индукционного типа.

Вращатели кондукционного типа могут быть также применены при электрошлаковом переплаве [130].

.Глава VI

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1. СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА

Известно, что скорость массообменных процессов, протекающих в системе шлак — металл, лимитируется главным образом диффузией реагентов к поверхности раздела фаз и от нее. Процессы, требующие для своего завершения нескольких часов при молекулярно-диффу-

186

знойном обмене, ускоряются в сотни и тысячи раз при использовании турбулентной диффузии и конвективного переноса реагентов.

Перемешивание жидкого металла способствует вы­ равниванию температуры и состава в печах, значительно ускоряет переход вредных примесей в шлак, улучшает физическую однородность кристаллизующегося слитка

иотливки.

Внастоящее время разработаны многочисленные спо­ собы интенсификации массо- и теплообменных процес­

сов в существующих 'Металлургических агрегатах, соз­ даны разнообразные установки для внепечной обработ­ ки металлов.

Большинство этих способов предполагает создание определенных условий перемешивания реагентов с по­ мощью определенным образом организованного потока жидкого металла.

Наиболее приемлемой основой для классификации устройств и способов электромагнитного перемешивания является разделение их но характеру течения металла

вустройстве.

Сэтой (гидродинамической) точки зрения электро­ магнитные устройства для интенсификации массо- и теплообмена можно условно разделить на пять групп.

П е р в а я группа объединяет способы .перемешива­ ния в прямолинейном потоке жидкого металла, который можно получить в канале электромагнитного индукци­ онного желоба либо насоса.

На возможность использования вторичных потоков, образующихся в канале индукционных транспортных устройств под действием вихревого поля электромагнит­ ных объемных сил, для интенсификации технологических процессов указывали Л. А. Верте [82] и Н. А. Охременко. Опытно-промышленная проверка способа десульфу­ рации чугуна в электромагнитном индукционном желобе шлаками, стекающими в направлении, противоположном движению чугуна, проведенная Институтом черной ме­ таллургии в Аахене [83], показала высокую его эффек­ тивность. Степень десульфурации достигала 80% при производительности желоба 18,6 т/ч и расходе электро­ энергии 1 кВт- ч/т чугуна на 1 м высоты транспортировки.

Ко в т о р о й группе классификации относятся спо­ собы перемешивания расплава с помощью барботажа ванны. В настоящее время известен единственный элек-

187

тромагннтный способ барботажа [13:1], в котором дега­ зация расплава, сопровождающаяся интенсивным пере­ мешиванием ванны, достигается путем электромагнит­ ного облегчения расплава с помощью скрещенных посто­ янных электрического и магнитного полей. При этом существенно облегчаются условия зарождения и роста газового пузырька, что приводит к интенсивной дегаза­ ции расплава.

Сочетание этого способа с вакуумированием распла­ ва, очевидно, должно быть более эффективно.

Все большее применение находят в металлургии ( способы вибрации расплавов ( третья группа), однако трудности, связанные с вводом ультразвуковых колеба­ ний в высокотемпературные расплавы, и низкий к. п. д. ультразвуковых генераторов пока еще ограничивают применение этого метода.

Более перспективным представляется возбуждение звуковых и ультразвуковых колебаний в расплавах с помощью совместного наложения высокочастотных и постоянных магнитных полей [26, с. 61], применение импульсных магнитных полей и осцилляторов на основе пинч-эффекта [132].

циркуляции в ковшах, печах и специальных устройствах для перемешивания.

К этой группе можно отнести многочисленные элек­ тромагнитные способы перемешивания расплавов с по­ мощью устройств, создающих бегущие, вращающиеся и импульсные поля, а также с использованием постоянных скрещенных электрического и магнитного полей.

Широкое распространение получили дуговые статоры фирмы ASEA, устанавливаемые под днищем печи. Ста­ торы питают двухфазным током с частотой 0,35—1,5 Гц, потребляемая мощность составляет от 105 до 750 кВ-А в зависимости от емкости печи. Удельный расход энер­ гии на перемешивание составляет от 6 до 18 кВт-ч/т.

Статор создает бегущее поле, которое, наводя в ван­ не индуцированные токи, заставляет металл циркулиро­ вать в вертикальной плоскости. Это приводит к значи­ тельному сокращению времени, необходимого дляплав­ ки; одновременно упрощается скачивание шлака, так как шлак все время переносится к рабочему окну.

Помимо двухфазного статора, фирма ASEA запа-

188

тентовала перемешивающее устройство, состоящее из двух двухполюсных электромагнитов, установленных под дном печи и вращаемых с некоторой угловой скоростью. В этом случае в ванне возникает циркуляция в горизон­ тальной плоскости в виде двух замкнутых некруговых потоков.

Та же фирма предложила перемешивающее устрой­ ство в виде нескольких статоров.

Сведений о практическом применении последних двух устройств в литературе не имеется.

Американская фирма «Вестингауз Компани» раз­ работала электромагнитное устройство для перемешива­ ния в виде электромагнита постоянного тока, вращаемо­ го под дном печи в вертикальной плоскости двигателем с регулируемым числом оборотов.

Такие .устройства предполагалось применить для пе­ ремешивания металла в ковше при непрерывной раз­ ливке и в ванне дуговых печей разных размеров. Общая мощность, потребляемая устройством, составляет 68— 245 кВт. Характер движения металла в ванне, создава­ емый устройством, мало отличается от циркуляции под действием бегущего ноля.

Подобное поле скоростей может быть также получе­ но при использовании в качестве перемешивателя рото­ ра асинхронного двигателя, размещенного под дном печи.

В СССР работы по созданию индукционных переме­ шивающих устройств для дуговых электропечей систе­ матически ведутся с 1935 г. Московским институтом стали и сплавов.

Перемешивание металла с помощью дуговых стато­ ров нашло также применение в процессе вакуумирова­ ния расплава1.

Г. А. Остроумов предложил интенсифицировать мар­ теновский .процесс, использовав для этого плоский ста­ тор, размещенный под печью.

В Уральском политехническом институте разработа­ но и опробовано устройство для перемешивания в виде двух трехфазных плоских статоров, расположенных вдоль образующей ковша [133]. В зависимости от схе­ мы включения катушек статоров, в ковше может быть создана циркуляция в вертикальной плоскости в виде одного или двух замкнутых потоков.

1 Пат. (США), № 3230073, 1960.

189