МГД-перемешивание расплава бегущим магнитным полем

Рис. 1

Плавильный узел индукционной установки, представленный на рисунке 1, состоит из тигля 3 с расплавом 1, многовиткового индуктора 2 и МГД перемешивателя, состоящего из перекрещивающихся катушек 4 и магнитопровода 5.

Картины распределения в области тигельной печи действующего значения магнитной индукции, возникающей от индуктора тигельной печи и МГД перемешивателя, представлены на рисунке 2. Поскольку индуктор тигельной печи служит для нагрева, а МГД перемешиватель для приведения расплава в движение, интерес представляет распределение джоулевой энергии (рисунок 3) и электромагнитных сил (рисунок 4 и 5), возникающих от действия индуктора печи и от МГД перемешивателя соответственно.

Как видно из рисунков, магнитное поле с частотой 18 кГц, создаваемое индуктором тигельной печи, полностью экранируется графитовым тиглем, т.е. не оказывает силового действия на расплав и, в этом случае, вынужденная конвекция отсутствует. Бегущее магнитное поле с частотой 50 Гц МГД перемешивателя, частично экранированное индуктором тигельной печи, проникает в объем металла, вследствие чего в расплаве возникают электромагнитные силы, обеспечивающие вынужденную конвекцию.

Поскольку величина и направление векторного поля электромагнитных сил в основном определяют интенсивность и характер течений, представляет интерес зависимость компонент их интегрального значения от таких параметров, как частота тока в катушках и положение МГД перемешивателя относительно тигельной печи. Анализ результатов решения электромагнитной задачи показал, что увеличение частоты приводит к росту электромагнитной силы, при этом соотношение ее тангенциальной (рисунок 7) составляющей к нормальной (рисунок 6) имеет максимум при частоте 5 Гц. Увеличение зазора между тигельной печью и МГД перемешивателем Δ_xТП-МГД приводит к увеличению сопротивления рассеяния, а соответственно снижению электромагнитной силы. Минимально возможная величина этого зазора зависит от конструктивных параметров тигельной печи и, в данном случае, соответствует 75 мм. При перемещении МГД перемешивателя относительно тигельной печи по вертикальной оси происходит также изменение интегральной электромагнитной силы в металле. Максимум силы соответствует расположению, при котором центральный зубец перемешивателя расположен ровно на половине высоты расплава.

На основании полученных в результате решения электромагнитной задачи источниковых членов уравнений движения и энергии, был выполнен расчет и анализ интегральных и дифференциальных характеристик тепловых и гидродинамических процессов, протекающих в тигельной печи и кристаллизующемся слитке.

Полученная картина температурного поля в прогретом тигле представлена на рис. 8. Как видно из рисунка, температурное поле неоднородно по вертикальной оси. В центральной части стенок тигля формируется изотермический слой с температурой 1000 К, в то время как дно тигля прогрето не более 800 К. В результате чего после заливки происходит расслоение температурного поля в расплаве относительно образованного изотермического пояса в тигле.

Для сравнительной оценки влияния МГД перемешивания на процесс приготовления расплава с момента времени 1860 с расчет выполнялся для двух случаев: с МГД воздействием и без него. Динамика температурного поля, для обоих случаев в интервале времени, соответствующем выдержке расплава, представлена на рисунке 9.

Как видно из рисунков, при выдержке расплава в интервале между включениями индуктора тигельной печи, без воздействия МГД перемешивателя, в металле сохраняется расслоение температурного поля по высоте. Силовое действие бегущего электромагнитного поля на расплав приводит его в движение против сил тяжести. В результате чего формируется контур циркуляции, замыкающийся через весь объем и полностью устраняющий перепад температуры в жидком металле за 140 секунд (рисунок 9). Следует отметить, что турбулентный характер течений расплава в печи от МГД воздействия приводит к увеличению эффективной теплопроводности в полтора раза от теплопроводности материала.

При приготовлении расплава в узком диапазоне температур без применения МГД перемешивания, на различных стадиях работы тигельной печи возможен перегрев и застывание металла в тигле, в верхних и нижних слоях соответственно. Поскольку при МГД перемешивании температурное поле в тигле изменяется равномерно во всех точках, приготовление и поддержание температуры расплава возможно в очень узком диапазоне температур.

Таким образом, МГД перемешивание в процессе приготовления расплава позволяет повысить качество сплава за счет устранения зон перегрева и застывания расплава, а также интенсивного массообмена между различными зонами. Это сказывается на химической однородности расплава, от которой в дальнейшем будет зависеть равномерность распределения химических компонентов по длине слитка.

Экспериментальное исследование физических процессов выполнялось на физической модели. Для приготовления и выдержки расплава использовалась индукционная тигельная печь c графитовым тиглем емкостью 10 л. В качестве МГД перемешивателя была использована линейная индукционная машина в двухфазном исполнении с перекрещивающимися обмотками, установленными на магнитопроводе (рисунок 10).

При прогреве тигля контроль над температурой осуществляется по показаниям термопары, снимаемым с его внутренней поверхности (рисунок 11). Как видно из графика прогрева, характер кривой в рамках допустимой погрешности повторяет показания термопары (рисунок 12). Для получения распределения температурного поля в тигле использовалась тепловизионная съемка. Как видно из тепловизионных снимков, в центральной части стенок тигля формируется пояс максимальных температур, что подтверждает результаты, полученные на математической модели (рисунок 13).

ПРИЛОЖЕНИЕ