Представленная в статье разработка касается области электромагнитного перемешивания расплавов, содержащих микрочастицы. Проводится исследование влияния электромагнитного поля различной конфигурации с целью выявления режима, обеспечивающего максимально равномерное распределение микрочастиц по рабочему объему.
Современное состояние металлургии позволяет получать металлы и сплавы с высокими эксплуатационными характеристиками. Помимо сплавов с высокой механической прочностью, упругостью или пластичностью существуют сплавы совсем иного назначения. К ним относятся материалы, использующиеся в электрохимической сфере. Технологии электрохимии используют специальные металлы и сплавы, обеспечивающие протекание тех или иных химических или
электрохимических процессов и реакций, качество и эффективность которых, напрямую зависит от качества материалов, применяемых для их осуществления. Подобного рода сплавы имеют сложную кристаллическую решетку, представляющую собой матрицу из основного металла, с включениями микрогранул другого материала. Процесс протекания электрохимической реакции обусловлен равномерностью распределения микрогранул по рабочему объему, и даже незначительная разница в концентрации микрочастиц по объему приводит к резкому ухудшению эксплуатационных свойств материала. В этой связи, для получения однородных материалов применяются различные технологии гомогенизации сложных металлических сплавов, в том числе содержащих в готовой структуре, микрочастицы другого вещества. К таким технологиям относятся процессы перемешивания расплава различными способами, например, с использованием механических мешалок или посредством вдувания инертных газов. В связи с тем, что подобные процессы, как правило, проводятся с использованием высокореактивных и небезопасных для здоровья человека материалов, перемешивание расплава должно вестись в замкнутых объемах. Это требование накладывает определенные ограничения на использование вышеуказанных способов перемешивания.
Учитывая специфику процессов, была предложена технология бесконтактного воздействия на расплав в замкнутом рабочем объеме. Наиболее эффективным способом бесконтактного перемешивания расплава является силовое воздействие с помощью электромагнитного поля [1]. Такое воздействие позволяет перемешивать расплав, находящийся в герметичном объеме.
Важнейшим условием проведения процесса является необходимость получения сплава с высочайшей степенью однородности структуры, поэтому электромагнитный перемешиватель должен обеспечивать интенсивное объемное воздействие на расплав, исключающее застойные зоны. Воздействие такого рода может быть получено посредством использования динамически изменяющейся в пространстве сложной системы электромагнитных полей.
Для создания электромагнитного поля необходимой конфигурации был предложен электромагнитный перемешиватель, показанный на рис. 1.
Электромагнитный перемешиватель представляет собой индукционную систему, состоящую из двух индукторов, расположенных друг напротив друга активной частью внутрь (рис.1). В промежутке между индукторами внутри теплоизоляционного контейнера располагается емкость с расплавленным металлом. Каждый магнитопровод содержит 12 элементарных катушек, намотанных через ярмо (катушки кольцевого типа) и уложенных в пазы так, что катушки полностью заполняют эти пазы и создают активную поверхность индуктора, обращенную к емкости с расплавленным металлом. Выводы всех катушек каждого из индукторов выведены независимо на клеммную панель. Клеммная панель служит для коммутации электромагнитного перемешивателя с блоком питания и устройством переключения схем питания обмоток индукторов, которое предназначено для динамического регулирования параметров силового воздействия на расплавленный металл.
Для защиты индукторов от воздействия высоких температур и возможных механических воздействий применяется специальный кожух из непроводящих материалов, в котором предусмотрена система принудительного воздушного охлаждения.
Предложенная конструкция в комплекте со специальным источником питания и системой динамической коммутации обмоток индукторов обеспечивает создание системы электромагнитных полей, вызывающей движение металла по сложной траектории в рабочем объеме [2, 3]. Перемешивание такого рода дает возможность гомогенизации расплава практически любого состава, в том числе с микрочастицами, имеющими гораздо больший, чем у металла, удельный вес.
Расчеты усилий и гидродинамических процессов при различных схемах питания обмоток индукторов были проведены с помощью программы конечно-элементного моделирования процессов FEMLAB в двухмерной постановке задачи в продольном сечении рабочего объема металла (сечение вдоль вертикальной оси емкости овального сечения). В процессе расчета были получены поля усилий, развиваемых в рабочем объеме, а также поля скоростей движения расплава, которые дают представление о траектории движения расплава внутри емкости при различных схемах подключения обмоток индукторов. На рис. 2 и 3 представлены поля скоростей расплава при различных схемах включения обмоток индукторов. Видно, что изменение параметров питания обмоток индукторов независимо друг от друга дает возможность получения фактически любой траектории движения расплава внутри емкости. В процессе работы установки предполагается изменять схемы питания обмоток периодически по определенному алгоритму, обеспечивающему максимальную равномерность расплава.
Разнообразие полученных траекторий движения расплава достигается за счет изменения обмоточных коэффициентов, числа пар полюсов и направления движения бегущего магнитного поля.
На рисунках стрелками обозначены векторы скорости расплава, красным цветом выделены области с максимальными значениями скоростей.
С. Л. НАЗАРОВ, С. Ф. САРАПУЛОВ, В. Э. ФРИЗЕН, А. Я. ВЕЛИКАНОВ, ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет — УПИ».
В. В. ЗАХАРОВ, Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН.
Библиографический список
- Б. А. Сокунов, С. Ф. Сарапулов, В. Э. Фризен. Индукционные МГД — машины технологического назначения / Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования для энергетики, транспорта, нефтяной и газовой промышленности. / Труды 4-го симпозиума «ЭЛМАШ-2002», Ч. 2. М. 2002.
- Poliphase schemes of inductors for electromagnetic treatment of smelts / V. Begalov, A. Bychkov, F. Sarapulov, B. Sokunov. Proceedings of HES-04, Padua (Italy), June, 2004. P. 79-84.
- Схемы питания индукторов для электромагнитного воздействия на жидкие металлы / В. А. Бегалов, Ф. Н. Сарапулов, Б. А. Сокунов. Труды международной НТК APIH-05, 25.05.05-26.05.05, Санкт-Петербург. 138-144 с.
