Циркуляции металлических расплавов и принципы построения систем нового (четвертого) поколения

 

При производстве черных и цветных металлов, а также их сплавов нередко имеет место неоднородность химического состава полученных слитков (так называемая ликвация; как дендритная, так и зональная), что оказывает вредное влияние на качество продукции металлургического производства, так как приводит к неравномерности распределения физико-химических свойств полученного металла по объему слитка. Отечественный и зарубежный опыт, накопленный в области металлургии в течение ряда последних десятилетий, показывает, что во многих случаях не удается избежать ликвации даже при оптимальном подборе видов добавок и присадок к сплаву, идеальном весовом соотношении всех компонентов расплава, оптимальном алгоритме кристаллизации слитка и наличии так называемой «естественной» электромагнитной циркуляции металла в расплаве (наблюдающейся, например, в индукционных канальных плавильных печах, индукционных тигельных печах с однофазным индуктором, вакуумных дуговых печах с медным кристаллизатором и соленоидом, электрошлаковых печах и т.д.) [1, 2].

Наличие явления ликвации в сплаве приводит к тому, что определенная часть полученного слитка отбраковывается и отправляется на повторную переработку, что, естественно, приводит к увеличению времени, материальных затрат и затрат электроэнергии, требующихся для получения необходимого количества металла, и (в конечном итоге) к повышению себестоимости изготовления продукции металлургического производства.

Многолетний опыт, накопленный в нашей стране и за рубежом в области черной и цветной металлургии, показывает, что устранение ликвации (проявляющейся даже при оптимальном подборе типов и количества добавок и присадок к сплаву) возможно путем обеспечения интенсивной, так сказать, «принудительной» циркуляции в массиве расплава всех его компонентов (помимо «естественной» электромагнитной их циркуляции) за счет применения механического (контактного) или электромагнитного (бесконтактного) перемешивания расплава [1-7]. При этом системы электромагнитного перемешивания жидких металлов и сплавов по своей сути относятся к разряду асинхронных электромеханических систем.

Системы, обеспечивающие «принудительную» циркуляцию (СПЦ) в массиве расплава всех его компонентов, непрерывно совершенствуются на протяжении многих десятилетий, и в настоящее время все их можно разделить на несколько поколений (в порядке хронологии их разработки и создания). Следует отметить, что в данный момент в области металлургии находят практическое применение (широкое или ограниченное из-за своих недостатков) все перечисленные ниже поколения систем перемешивания жидких металлов и сплавов.

К первому поколению СПЦ относятся системы механического (контактного) перемешивания металлических расплавов. Область применения этих систем ограничена следующими основными факторами: высокой температурой плавления и (или) высокой химической активностью хотя бы одного из компонентов расплава, а также малыми геометрическими размерами «рабочей» зоны плавильной печи (т.е. зоны, в которой происходит процесс плавления металла; например, внутренней части тигля – в случае тигельной индукционной печи).

В принципе, все эти факторы не являются непреодолимыми препятствиями для реализации механического способа перемешивания расплавов. Однако наличие хотя бы одного из вышеперечисленных факторов обуславливает либо недостаточно высокое качество получаемого изделия, либо высокие затраты на изготовление и эксплуатацию системы механического перемешивания металлических расплавов.

Ко второму и последующим поколениям СПЦ относятся так называемые магнитогидродинамические (МГД) системы, реализующие принцип электромагнитного (бесконтактного) перемешивания упомянутых выше токопроводящих веществ, находящихся в жидкой фазе, за счет соответствующего воздействия на расплавленный металл магнитного поля, создаваемого индуктором СПЦ. В общем случае МГД-системы могут реализовывать либо только функцию электромагнитного перемешивания металлического расплава, либо одновременно две функции – и электромагнитный (индукционный) нагрев металла и других компонентов расплава (до температуры плавления и выше), и упомянутое перемешивание последнего. Обобщенная функциональная схема СПЦ второго и последующих поколений, имеющая m -фазный индуктор (где в общем случае ), показана на рис. 2.1.

Вариант                                                     Вариант                                                 

источника                                            преобразователя                                                                             

  питания                                                     частоты                                                              

 

 

                                            Выпря-       Звено           m -фазный

                                                                  постоян-     автономный

                                            митель    ного тока        инвертор

    Сеть

перемен-

    тока

                                                            Непосредственный                                                  m -фазный                            

                                                              преобразователь                                                                                                        Массив

                                                                    частоты                                                            индуктор                               расплава

                                                                                                                                                                                                                           

 

 

                                                                          

Источник                               Входной              m -фазный

  постоян-                                                               автономный

ного тока                                 фильтр               инвертор

 

                                                                                                                                                                     Система датчиков

 

 

                                                                                   Система управления преобразователем частоты

 

 

Рис. 2.1. Обобщенная функциональная схема СПЦ второго и последующих поколений, имеющая m -фазный индуктор (где в общем случае )

В последние десятилетия МГД-устройства и системы находят широкое применение в нашей стране и за рубежом на предприятиях черной и цветной металлургии (в том числе и при производстве легких и благородных металлов и их сплавов) [1-7]. В частности, на МГД-принципе построены индукционные канальные и тигельные печи, электромагнитные перемешиватели расплавов, индукционные насосы и дозаторы жидкого металла, установки для рафинирования сплавов и другие устройства. Широкое применение МГД-устройств в металлургии обусловлено тем, что их использование позволяет добиться целого ряда положительных эффектов. Так в случае использования бесканальных электромагнитных перемешивателей жидкого металла сокращается время плавки за счет большего теплообмена между слоями расплавленного металла и газовой средой печи и ускорения процесса усвоения легирующих добавок, а также улучшается качество сплава за счет бóльшей равномерности распределения компонентов расплава по всему его объему. Кроме того, при этом уменьшается расход легирующих добавок, укорачивается цикл производства конечного продукта и повышается производительность [1-7]. Высокая экономическая эффективность использования МГД-устройств и быстрая их окупаемость были доказаны на основе анализа результатов промышленной эксплуатации этих устройств [3]. Как показала практика, МГД-системы оказались менее дорогостоящими (как с точки зрения изготовления, так и с точки зрения эксплуатации), чем СПЦ, реализующие принцип механического (контактного) перемешивания металлических расплавов.

В настоящее время в индукционных плавильных печах используются две основные разновидности индукторов, обеспечивающих одновременно и индукционный нагрев (до температуры плавления и выше), и электромагнитное перемешивание металлического расплава: однофазные (с числом фаз m =1) и многофазные (с числом фаз m ≥ 2) индукторы. Однако МГД-системы с однофазными индукторами (когда m =1) не могут быть отнесены к классу СПЦ, поскольку в них осуществляется только «естественная» циркуляция жидкого металла, в основе которой лежит действие соответствующих сил Лоренца на частицы расплавленного металла. Никакой «принудительной» циркуляции расплава в этих системах не происходит.

В случае индукционной тигельной печи однофазный индуктор имеет вид спирали, внутри которой располагается тигель. Перемешивание металла в тигле будет происходить только в том случае, если стенки тигля (печи – в общем случае) будут «прозрачными» для магнитного поля (т.е. если стенки тигля будут выполнены из диэлектрического материала). При этом в массиве расплава будут наводиться вихревые электрические токи (токи Фуко), смещенные по фазе по отношению к току в индукторе на угол, больший, чем 90 электрических градусов.

Вследствие этого возникают силы, отталкивающие частицы металла в расплаве от спирали индуктора, а тем самым – от стенок тигля (природа этих сил та же, что и природа сил, действующих на два параллельно расположенных проводника, электрические токи в которых протекают в разных направлениях). При этом в массиве расплава возникают две четко разделенные тороидальные зоны перемешивания - верхняя и нижняя. Интенсивность перемешивания жидкого металла (которая может быть охарактеризована траекторией и расстоянием, проходимым за единицу времени одной частицей расплава) при m =1 слабее, чем та, что может быть достигнута при m >1. Она зависит от величины активной электрической мощности, подводимой к индуктору от источника питания. Эта мощность имеет предельно допустимое для данного металла или сплава значение, так как неограниченное увеличение мощности приводит к испарению из расплава некоторых его компонентов (или всего расплава в целом).

Вследствие вышесказанного в случае однофазной индукционной печи имеет место неравномерное распределение интенсивности перемешивания расплава по массиву расплава, что сказывается на качестве получаемого сплава. В качестве подтверждения и иллюстрации этого на рис. 2.2 приведены микрофотографии шлифа среза слитка сплава меди и свинца, полученного в ходе выполнения данной работы (состав сплава – 70 % меди и 30 % свинца). Плавка проводилась в однофазной индукционной печи.

Как было отмечено выше, к классу СПЦ могут быть отнесены только многофазные МГД-системы (с m ≥2), способные создавать в массиве расплава бегущее магнитное поле, заставляющее металл двигаться вслед за полем с некоторым отставанием (скольжением). Тем самым осуществляется принцип «принудительного» электромагнитного перемешивания расплава. При этом индуктор (как и в случае, когда m =1) охватывает тигель (с прозрачными для магнитного поля стенками), но состоит не из одной, а из нескольких одно- или многовитковых секций, количество которых равно числу фаз m или более. При m ≥2 траектории движения частиц расплава имеют иной вид, чем в случае применения однофазного индуктора. Вид этих траекторий зависит от конструктивных особенностей индуктора (статора) и способа управления его фазными обмотками. В многофазных МГД-системах, представляющих собой СПЦ второго поколения, интенсивность перемешивания не лимитируется максимально допустимой мощностью, подводимой к индуктору, а зависит в общем случае от частоты электрического напряжения, питающего индуктор, величины фазового смещения между напряжениями соседних фаз индуктора (статора) и разности амплитуд этих напряжений.

Многофазные МГД-системы имеют и другие преимущества перед однофазными:

– при использовании систем первого типа может быть достигнута бóльшая интенсивность перемешивания расплава, чем в системах второго типа (т.е. при m =1), а следовательно и бóльшая (чем в однофазных системах) экономия электроэнергии для обеспечения той же интенсивности перемешивания расплава, а в итоге – для обеспечения необходимого качества выпускаемой металлургической продукции;

 

 

Рис. 2.2. Микрофотографии шлифа среза слитка сплава меди и свинца

– в системах первого типа функциональная зависимость между интенсивностью нагрева металла и интенсивностью перемешивания расплава значительно слабее, чем в системах второго типа.

Бегущее магнитное поле, создаваемое индукторами (статорами) многофазных МГД-систем, является не только дополнительным, но и более существенным фактором, влияющим на поведение частиц расплавленного металла, чем силы Лоренца. Этим объясняется тот факт, что при использовании многофазных МГД-систем появляется возможность для существенной экономии электроэнергии в процессе плавки при обеспечении одинакового качества получаемого сплава (по сравнению со случаем однофазной МГД-системы). При этом степень экономии электроэнергии зависит от интенсивности упомянутого поля, зависящей от конструкции индуктора, частоты и амплитуд напряжений, подводимых к фазным обмоткам индуктора, а также от степени симметричности системы этих напряжений.

Как было отмечено выше, СПЦ второго и последующих поколений основываются на использовании МГД-принципа и строятся на базе многофазных МГД-систем.

В МГД-системах, относящихся к СПЦ второго поколения, конструкция индуктора (статора) и способы управления им, реализуемые преобразователем частоты, позволяют создавать в массиве расплава бегущие, но не изменяемые по своим конфигурациям и направлениям магнитные поля (например, перемещающееся во времени только по траекториям, имеющим форму круга) [1-7]. Тем самым в таких системах в массиве металлического расплава создается не изменяющееся во времени количество и расположение в пространстве вихревых зон (т.е. зон активного перемешивания расплава). Интенсивность перемешивания расплава в этих зонах определяется значением напряженности магнитного поля, создаваемого индуктором (статором), то есть, в конечном итоге, величиной напряжения, питающего фазные обмотки индуктора. СПЦ второго поколения в принципе способны обеспечить значительную интенсивность электромагнитного перемешивания металлического расплава практически при любых типах компонентов. Однако в таких системах количество и расположение в массиве расплава вихревых зон не могут изменяться в процессе управления индуктором. Следствием этого являются высокие (по сравнению с СПЦ третьего и четвертого поколений, описанными ниже) затраты электроэнергии, необходимые для получения продукции требуемого качества. Кроме того, СПЦ второго поколения не обеспечивают необходимой равномерности перемешивания расплава по всему его массиву, что отражается на качестве получаемых слитков. Повышение равномерности перемешивания расплава в СПЦ второго поколения  связано с возрастанием энергопотребления этих систем.

Существующие во все мире требования к повышению энергоэффективности устройств и систем, создаваемых в различных областях деятельности человека (в частности, МГД-систем для металлургического производства), заставляют исследователей и практиков вести непрерывный поиск путей соответствующего совершенствования уже созданных СПЦ. Изыскания, проведенные в этом направлении, показали, что повышение энергоэффективности СПЦ возможно за счет качественного изменения характера процесса электромагнитного перемешивания расплава, в результате чего были сформулированы принципы построения новых (третьего и четвертого) поколений СПЦ [8-20] и начаты работы по созданию соответствующих систем.

Принципиальное отличие СПЦ этих поколений от аналогичных систем второго поколений заключается в следующем. Как отмечалось выше, в СПЦ второго поколения электромагнитное перемешивание расплава происходит с неодинаковой интенсивностью в различных локальных областях массива расплава. Например, в случае индукционной печи, в которой осуществляется электромагнитное перемешивание расплава в горизонтальной плоскости, интенсивность перемешивания снижается по мере удаления от стенок печи к ее центру, что обусловлено чрезмерной простотой геометрии создаваемого индуктором магнитного поля, а также малым значением эквивалентной глубины проникновения магнитного поля в массив расплава, зависящей от круговой частоты вращения указанного поля [21]. Кроме того, было установлено [8], что обеспечение строго фиксированных количества, расположения и конфигурации бегущих магнитных полей, создаваемых магнитной системой СПЦ второго поколения во многих случаях недостаточно для достижения требующегося на сегодняшний день качества сплавов. В СПЦ третьего и четвертого поколений более высокая (чем в СПЦ второго поколения) интенсивность перемешивания металлического расплава достигается за счет усложнения геометрии и алгоритма изменения во времени магнитного поля, создаваемого индуктором (статором), что позволяет (при использовании соответствующих способов управления секциями/фазами индуктора) усложнить картину поля турбулентностей в массиве расплава и изменять ее во времени (то есть изменять во времени количество, расположение и конфигурацию вихревых зон) соответствующим образом. Это в свою очередь позволяет значительно повысить интенсивность и равномерность перемешивания расплава. При этом наблюдается эффект, адекватный увеличению эквивалентной глубины проникновения магнитного поля в массив расплава за счет удлинения траекторий движения частиц расплавленного металла в зонах наиболее активного перемешивания, вследствие чего в процесс интенсивного перемешивания вовлекается бóльший объем металла, чем в СПЦ второго поколения. Перечисленные явления способствуют снижению энергопотребления в процессе работы СПЦ при получении слитков нужного веса, обладающих физико-химическими свойствами, соответствующими требованиям существующих стандартов.

В принципе, изменяя во времени количество, расположение и конфигурацию вихревых зон в массиве расплава, можно за определенный интервал времени (длительность которого зависит от скорости названного изменения и геометрии создаваемого магнитного поля) осуществить абсолютно равномерное перемешивание всего массива. Именно достижение этого идеального эффекта и является целью разработки СПЦ третьего и четвертого поколений. Степень приближения к упомянутому выше идеалу зависит в конечном итоге от конструкции индуктора (статора) и используемых способов управления обмотками последнего.

В СПЦ третьего поколения [8] названные выше положительные эффекты достигаются за счет применения индукторов (статоров) нетрадиционного типа, имеющими как правило три фазы, и соответствующих способов управления секциями (фазами) этих индукторов. Недостатками СПЦ третьего поколения (по сравнению с СПЦ четвертого поколения, принципы построения которых описаны ниже) является следующее:

– относительная сложность конструкций индукторов (статоров);

– недостаточно высокая управляемость геометрией поля турбулентностей в массиве расплава (т.е. меньшие возможности по варьированию количества, расположения и конфигурации вихревых зон), что в принципе не позволяет добиться абсолютно равномерного перемешивания расплава и обусловлено ограниченными регулировочными возможностями двух- и трехфазных систем [22].

Более перспективными, по мнению авторов данной работы, являются СПЦ нового, четвертого поколения, разрабатываемые в настоящее время коллективом сотрудников ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет (СФУ)» [9, 20], которые имеют практически неограниченные возможности по обеспечению абсолютно равномерного перемешивания компонентов расплава (при достаточной мощности индуктора) по всему массиву одновременно и в горизонтальной, и в вертикальной плоскости. Основной отличительной чертой этих систем является их максимальная энергоэффективность по сравнению с системами других типов. Принципы построения СПЦ четвертого поколения кардинально отличаются от принципов построения СПЦ других поколений и заключаются в использовании следующего:

– полифазных (т.е. имеющих число фаз, равное пяти и более) индукторов и преобразователей частоты;

– модернизированного варианта фазно-полюсного управления (ФПУ) индуктором, которое вначале было разработано для полифазных инверторных электроприводов переменного тока [23, 24], при применении которого, в частности, появляется возможность для изменения в процессе управления СПЦ числа пар полюсов создаваемого индуктором магнитного поля;

– нетрадиционного двухуровневого подхода к управлению фазными обмотками индуктора, при котором результирующее магнитное поле в массиве расплава рассматривается как результат взаимодействия полей, создаваемых так называемыми эквивалентными (виртуальными) фазными обмотками индуктора, формируемыми соответствующими реальными фазными обмотками (питание последних осуществляется от преобразователя частоты);

– способа формирования эквивалентных (виртуальных) фазных обмоток индукторов, также заимствованного из области полифазных инверторных электроприводов переменного тока, описанного в [24, 25] и заключающегося в обеспечении взаимной независимости направлений токов, протекающих в обеих секциях каждой эквивалентной (виртуальной) фазной обмотки индуктора (например, при одной паре полюсов магнитного поля, создаваемого индуктором – в секциях виртуальной обмотки, расположенных в пространстве диаметрально противоположно по отношению друг к другу), за счет стержневой или дугообразной конструкции реальных фаз индуктора.

Большое число фаз (равное пяти и более) и использование обмоток индукторов нетрадиционных конструкций, о которых говорилось выше, необходимы для обеспечения возможности реализации ФПУ в СПЦ, изменение во времени ряда параметров которого позволяет осуществлять непрерывное перемещение и трансформацию магнитных полей в массиве расплава, а тем самым варьировать количество, пространственное расположение и конфигурацию вихревых зон в жидком металле.

Таким образом, в результате проведенного анализа существующие типы СПЦ разделены на три поколения (в соответствии с особенностями их конструкции и функционирования), выявлены пути их дальнейшего совершенствования и разработаны принципы построения СПЦ нового, четвертого, поколения, кардинально отличающихся по своим возможностям от систем аналогичного назначения трех других поколений. Использование СПЦ четвертого поколения (при отмеченных выше условиях) позволяет добиться в процессе электромагнитного перемешивания токопроводящих жидких многофракционных сред максимально возможной равномерности распределения компонентов расплава по всему его массиву, а за счет этого – максимально повысить качество производимого металла (при оптимальных алгоритмах кристаллизации последнего). При этом СПЦ четвертого поколения по своей энергоэффективности превосходят СПЦ других типов.