Кристалізація злитків

ІНДУКЦІЙНІ ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНІ ПРИСТРІЇ ДЛЯ МЕТАЛУРГІЇ

БИЧКОВ С.А., студ., СОКУНОВ Б.А., канд. техн. наук, САРАПУЛОВ С.Ф., д-р техн. наук, ФРІЗЕН В.Е., канд. техн. наук

Наведено аналіз фізичних процесів та результати розрахунків електротехнологічних пристроїв.

Ключові слова: металургія, електромагнітний перемішувач, розплав, магнітне поле.

Індукційні пристрої як загальнопромислового, так і спеціального призначення застосовуються в металургії при плавленні та лиття кольорових та чорних металів.

До основних способів фізичного впливу на розплав як у печі, так і при позапічній обробці відносяться механічне, вібраційне, ультразвукове та електромагнітне перемішування металу. Механічне перемішування, засноване на використанні струменів інертних газів або спеціальних конструктивних елементів, занурених у розплав, обмежене насиченням розплаву газів або необхідністю використання жаростійких або жаростійких конструкцій для перемішування; вібраційні і ультразвукові види перемішування немає цих недоліків, проте, проти електромагнітним перемішуванням, де вони мають комплексністю на рідкий метал, тобто. не є універсальними.

Розглянемо три типи електротехнологічних пристроїв: індукційна печь тигельна (рис. 1); індукційний пристрій для перемішування розплаву в кристалізаторі ковзання (рис. 2) та пристрій електромагнітного перемішування спеціальних сплавів у закритому об'ємі (у реторті) (рис. 3).

Мал. 1. Схема індукційної печі тигля: а - однофазне харчування; б – трифазне харчування; 1 – напрямок руху розплаву; 2 – напрямок електродинамічних сил; 3 – обмотка індуктора; 4 – тигель

Для всіх трьох пристроївзагальним є перетворення електричної енергії на теплову та механічну. За визначенням, індукційна плавильна піч призначена для плавки металів, отже електромагнітне перемішування в тиглі є вторинним. В установках електромагнітного перемішування основним технологічним ефектом є безконтактний силовий вплив на розплав, а вторинним – виділення теплової енергії.

В індукційній печі тигельної електромагнітне перемішування за рахунок електродинамічних сил створює умови для інтенсифікації нагріву, а також рівномірного розподілу легуючих елементів в обсязі розплаву і більш активної взаємодії шлаку з рідким металом. В індукційній печі тигля рух розплаву може бути організовано як при однофазному живленні - в перерізі тигля спостерігається чотириконтурний рух металу (рис. 1, б), так і при трифазному живленні - в перерізі тигля спостерігається двоконтурний рух металу (рис. 1, а).

Мал. 2. Схема електромагнітного перемішувача, поєднаного з кристалізатором: 1 – напрямок руху розплаву; 2 – магнітопровід; 3 – обмотка індуктора; 4 – рідка фаза зливка

Мал. 3. Схема електромагнітного перемішування в реторті: 1 – напрямок руху розплаву; 2 – реторту; 3 – обмотка індуктора

З погляду металургійних процесів, найефективнішим є четырехконтурное рух металу, тобто. потрібне однофазне харчування індукційної печі тигельної. При однофазному живленні передбачається перетворення трифазної системи напруги в однофазну, тобто крім електропічного трансформатора необхідно пристрій, що перетворює змінну напругу в постійне (випрямляч), і пристрій для перетворення постійної напруги в змінну(Інвертор).

Електромагнітне перемішування (ЕМП) в процесі кристалізації призначене для покращення якості литої структури зливка, а також для отримання спеціальних сплавів, коли за технологією потрібно досить активне перемішування розплаву в реторті, що особливо важливо для отримання сплавів з компонентів, що мають значну різницю в температурах плавлення .

Слід зазначити, що ЕМП, будучи альтернативою механічного перемішування, вібрації, введення мікрохолодильників, забезпечує безконтактну силову дію на метал, що кристалізується, в результаті чого досягається наступне:

безпосереднє перемішування розплаву, що керує тепловідведенням при кристалізації;
формування поверхні злитків (формоутворення злитків);
зменшення чи збільшення сили тяжкості з допомогою електромагнітних сил (так звані левітаційні ефекти);
регулювання руху розплаву у досить широкому діапазоні швидкостей.

Небажані особливості макро- і мікроструктури та дефекти литого металу виникають головним чином через нерівномірність розподілу температурних полів за обсягом зливка, а також внаслідок поступової зміни хімічного складу рідкої ванни в процесі кристалізації та недостатнього підживлення ділянок, що кристалізуються, розплавом. Застосування різних фізичних впливів, що створюють рух розплаву, має оптимізувати структуру та знизити кількість дефектів [3].

У пристроях електромагнітного перемішування, що працюють на промисловій частоті, перевагу можна віддати трифазному живленню, що дозволяє створити магнітне поле, що біжить, і реалізувати рух розплаву в аксіальному напрямку (рис. 1,б).

Поряд з інтенсивністю впливу нарозплав, яка визначається потужністю, що передається, за допомогою електромагнітного поля, електрофізичними і магнітними властивостями матеріалу тигля (кристалізатора, реторти), електрофізичними властивостями розплаву, визначальну роль у технологічному процесі грає схема включення обмоток перерахованих електротехнологічних індукційних пристроїв.

Отримані макроструктури поперечних темплетів сплаву Л63, відлитих із застосуванням електромагнітного перемішування при одному і тому ж лінійному навантаженні на поверхні магнітопроводу і за інших рівних умов (швидкість витягування зливка, тиск охолоджуючої рідини, температура металу, що розливається), але при різних схемах включення обмоток 4).

При класичному варіанті трифазного включення між струмами, що знаходяться в ряду обмотках, що лежать, як правило, реалізується шестидесятиградусна фазна зона.

При варіанті включення обмоток за схемою AZB реалізується 600-600-2400 фазна зона. І тут щодо робочого обсягу можливе існування одного полюса на момент часу, коли три напівхвилі струмів мають однаковий знак, тобто. виникають умови однофазного режиму живлення індукційної печі тиглів (рис. 5).

Мал. 4. Поперечний і поздовжній темплети зливка Л63: а – схема AZBXCY; б - AAZZBB

При такій схемі реалізуються магнітне поле, що біжить і пульсує. У разі реалізації схеми AZBBZA або BZAAZB при трифазному живленні також реалізується варіант однофазного живлення (рис. 1, а). Таким чином, використовуючи трифазне джерело, можна отримати рух розплаву в об'ємі індукційної печі тигельної, кристалізатора ковзання, реторті, аналогічне руху при однофазному живленні.

Мал. 5. Розподіл МДС за пазамимагнітопроводу моделі електромагнітного перемішувача: схема з'єднання обмоток AАZZВB

Розрахунки подібних пристроїв, а саме, розподілу струмів, МДС, зусиль, а також температурного поля при різних схемах включення та відповідних електрофізичних та теплофізичних властивостях елементів конструкції, що знаходяться між джерелом електромагнітного поля та робочим тілом (об'ємом), можуть бути реалізовані за допомогою методик деталізованих електричних магнітних та теплових схем заміщення, розроблених під керівництвом професора Ф.М. Сарапулова на кафедрі ЕЕТС УДТУ – УПІ [1, 2]. Розрахунки МДС, нормальної та аксіальної складових індукції, зусиль, виконані з використанням цих методик [2], підтверджуються результатами досліджень, які проводяться у промислових умовах.

Список літератури

Плавильні комплекси ІТП та їхнє математичне моделювання / В.І. Лузгін, С.Ф. Сарапулов, Ф.М. Сарапулов та ін. – Єкатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ – УПІ, 2006.
Математичні моделі лінійних індукційних машин на основі схем заміщення: Навч. посібник/Ф.М. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, П. Шимчак. -Єкатеринбург: Вид-во УДТУ - УПІ, 2001.
Індукційний пристрій у МГД-технологіях/Б.А. Сокунов, С.Ф. Сарапулов, Ю.С. Прудніков та ін// Питання вдосконалення електротехнологічного обладнання та електротехнологій: зб. ст. № 8. - Єкатеринбург: УДТУ - УПІ, 2000. С. 4-17.
Спеціальні способи лиття: Довідник/За ред. акад. АН УРСР В.А. Єфімова. - М.: Машинобудування, 1991.