Установки для электромагнитного обжатия жидкого металла

Обжатие металла силами электромагнитного поля в ИТП, придающее верхней поверхности расплава вид выпуклого мениска, – естественный физический процесс, наблюдающийся при плавке с большими настилами тока в индукторе (см. гл. V, § 3). В 1952 г. было впервые предложено использовать это явление для удержания капли расплава при оплавлении в индукторе верхнего конца металлического стержня.

Основное отличие процесса плавки с электромагнитным обжатием от ПВС состоит в допущении контролируемого контакта расплава с определенными, ограниченными по размеру поверхностями твердых тел при условии отсутствия химического взаимодействия.

Наличие опоры под расплавом позволило исключить нижнюю особую точку, в которой расплав удерживается только силами поверхностного натяжения и которая является основным препятствием увеличения массы металла, расплавляемого во взвешенном состоянии.

В ряде случаев при наличии между металлом и индуктором водоохлаждаемого «холодного» тигля, кристаллизатора или теплового экрана оказывается целесообразным допустить также соприкосновение с этой конструкцией выступающих «складок» жидкого металла, что существенно облегчает задачу стабилизации положения расплава и позволяет значительно (на несколько порядков) увеличить количество металла, удерживаемого в жидком состоянии.

В принципе не исключено применение электромагнитного обжатия металла и в случае керамического тигля, если вызванное отрывом металла от стенок уменьшение загрязнения или сокращение тепловых потерь (например, для стали теплоотдача уменьшается с 1,4 МВт/м² в случае контакта с водоохлаждаемым медным тиглем до 0,4 МВт/м² при электромагнитном обжатии) окажется более существенным, чем технические трудности создания такой установки.

Обжатие жидкого металла магнитным полем протекает устойчиво только при четко выраженном поверхностном эффекте, т.е. при относительно высокой (для данного объема) частоте, что соблюдается практически во всех таких установках.

При электромагнитном обжатии используют вихревое поле ЭМОС (см. гл. V, § 3), что неизбежно вызывает циркуляцию металла. Траектории движения расплава лежат в вертикальных плоскостях и обычно имеют одноконтурный характер (рис. 109, а),хотя при глубокой ванне не исключено образование и второго контура движения в нижней части объема.

Рис. 109. Схема одноконтурного движения (а) и электромагнитного обжатия (б) жидкого металла в индукционной печи:
1 – слиток (гарнисаж); 2 – «холодный» тигель; 3 – индуктор; 4 – жидкий металл;
5 – траектория движения металла

Циркуляция расплава весьма существенна как с магнитогидродинамической, так и с технологической точек зрения. Так, поток металла, стекая по поверхности мениска от его вершины к основанию, препятствует образованию вытекающих из объема расплава струек, обособленных от него и в силу малого сечения не поддающихся воздействию магнитного поля (что вызывает существенные трудности при ПВС). Кроме того, стекающий вниз поверхностный слой металла необходимо направить внутрь этого объема, что при обычно применяемых частотах не может быть осуществлено одними электромагнитными силами и требует устройства механических препятствий (бортик или откос у основания и т.п.). При кристаллизации металла (формировании слитка) в плавильном устройстве с электромагнитным обжатием роль такого препятствия играет край конической части жидкометаллической ванны формирующегося слитка.

При использовании электромагнитного обжатия при ВИП металла в «холодном» тигле, а также при обжатии металла в устройствах для высокотемпературных исследований, не требующих стабильной свободной поверхности расплава, допускается наличие рифов, а высота отжатого мениска Δ h _м достигает 10...13 см. При выполнении защитного тигля необходимой высоты и достаточном диаметре расплава нет принципиальных препятствий к дальнейшему значительному (в 2 раза и более) увеличению высоты мениска. Для получения цилиндрической формы мениска применяют многовитковые конические индукторы, расширяющиеся кверху (см. рис. 109, б).

В устройствах для высокотемпературных исследований, требующих постоянства свободной поверхности металла, принимают значительно меньшую высоту отжатого мениска (обычно менее 5 см) и используют средства стабилизации поверхности металла. В этих условиях рифов не допускают, защитный тигель может потребоваться только в случае аварийного нарушения режима и зачастую не применяется.

Такой принцип электромагнитного обжатия реализован в конструкции электромагнитного кристаллизатора (рис. 110), применяемого для непрерывной разливки алюминия и его сплавов. По данным З.Н. Гецелева, поверхность слитков диаметром 150...500 мм получается гладкой и ровной, что позволило отказаться от последующей механической обработки и увеличить выход годного в среднем на 5 %. Скорость разливки возросла на 10...15 % при сокращении расхода воды в 1,5–2 раза. Дополнительный удельный расход электроэнергии составил 20...40 кВт∙ч/т.

Рис. 110. Схема электромагнитного кристаллизатора:
1 – индуктор; 2 – желоб; 3 – стакан; 4 – плавающая чаша; 5 – водопровод;
6 – направляющий конус; 7 – жидкий металл; 8 – слиток; 9 – поддон