С полем рассеяния индуктора

Силовое взаимодействие кусковой шихты

На рис. 17.3, б показана верхняя часть тигля индукционной тигельной печи, в которую загружена кусковая шихта. Рассмотрим два простейших случая: в верхней части (например, на уровне верхнего торца индуктора) имеется: А) тонкий диск с диаметром а, расположенный симметрично относительно оси индуктора (показан пунктиром) и Б) диск того же диаметра, расположенный асимметрично (например, целиком в правой части тигля).

А. Диск расположен симметрично относительно оси. Плотность токов, индуцируемых на боковой поверхности диска, одинакова на обеих его сторонах, и электромагнитные силы, действующие на диск слева и справа, одинаковы. Примерный ход силовых линий в верхней части определяем с использованием правила буравчика, а направление сил — по правилу левой руки. Результирующая сила, действующая на диск со стороны магнитного поля индуктора, направлена вверх и стремится выбросить диск из индуктора.

Б. Диск расположен асимметрично в поле индуктора. В этом случае плотность индуцированных токов в правой части диска выше, чем в его левой части (в силу неоднородности поля). Результирующая сила Fs, действующая на диск, направлена вверх и влево, она стремится переместить диск к оси индуктора. Возникает крутящий момент, стремящийся, кроме того, повернуть диск

Р и с. 17.4. Силовые взаимодействия в системе индуктор—загрузка

против часовой стрелки, расположить его вдоль силовых линий, т. е. привести его в такое положение, когда выделяемая в диске мощность уменьшается. Аналогично электродинамическое воздействие поля индуктора на нагреваемые заготовки в установках для сквозного нагрева.

Рассмотренные выше частные случаи являются свидетельством общего закона: электромагнитные силы при индукционном нагреве действуют таким образом, что металл перемещается в зону с минимальной напряженностью магнитного поля, и стремится занять такое положение по отношению к силовым линиям, при котором он потребляет от поля минимальную энергию. Сказанное относится к парамагнитным и диамагнитным материалам. Этот эффект используется, например, для удержания жидкого металла в электромагнитном поле при взвешенной плавке.

Лекция 18

18.1 ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ В ЖИДКОМ МЕТАЛЛЕ

В индукционных тигельных и канальных печах, в установках для бестигельной зонной плавки и других индукционных плавильных агрегатах имеет место силовое взаимодействие расплавленного металла, по которому протекает индуцированный ток, с магнитным полем индуктора.

В индукционных тигельных и канальных печах, в установках для бестигельной зонной плавки и других индукционных плавильных агрегатах имеет место силовое взаимодействие расплавленного металла, по которому протекает индуцированный ток, с магнитным полем индуктора. Среднее за период значение силы, действующей на элементарный, объем жидкого металла dV, може-т быть определено по аналогии с уравнением (5-1) из выражения:

где символ Re указывает, что для определения величины силы необходимо взять действительную составляющую комплексного выражения, стоящего в фигурных скобках. Можно показать, что в общем случае справедливо выражение

Таким образом, удельная электродинамическая сила, приложенная к единице объема жидкого металла, равна, Н/м*

Величина электродинамической силы пропорциональна подводимой к металлу мощности, а ее направление совпадает с на­правлением потока энергии (вектора Умова — Пойнтинга).

Выражение (5-7) является общим, не зависящим от геометрии системы, и дает значение объемной электромагнитной силы. Поверхностная сила dр_эм, действующая на элементарную площадку dq (иначе говоря электромагнитное давление), Н/м'²:

Электромагнитное давление в точке, отстоящей от «активной» поверхности расплава на расстоянии х, равно

Таким образом, и электромагнитная сила, и давление, создаваемое в расплаве этой силой, могут быть определены при любой конфигурации системы индуктор — расплав, если известно соответствующее выражение для удельной поверхностной активной мощности P_пов

Так, в индукционной тигельной печи удельная электромагнитная сила, действующая на расплав в точке с радиусом г, в соответствии с уравнением (5-7) и с учетом выражения (4-10) равна:

График изменения вспомогательной функции F_оц == f( ) приведен на рис. 30.

На рис. 31 показана зависимость удельных сил Pуд (а) и электромагнитных давлений Pэм'(б), отнесенных к их максимальным значениям в металлическом цилиндре от величины

Обратим внимание на тот факт, что на «активной» поверхности цилиндра сила Руд имеет максимальное значение, а электромагнитное давление Pэм = 0; и наоборот, на оси максимально рэм, в то время как силы Руд = 0.

Электромагнитные силы, возникающие в жидком металле при взаимодействии индуцированных в нем токов с магнитным нолем индуктора, оказывают двоякое воздействие на расплав:

статическое силовое воздействие, приводящее к электромагнитному обжатию всего расплава или его части;

динамическое воздействие, приводящее к циркуляции (перемешиванию) расплава в тигле или в канале печи.

Металл, помещенный в сильное магнитное поле, стремится покинуть его или занять место, где напряженность поля имеет минимально возможное значение. Стремление жидкого металла выйти из-под влияния поля проявляется не только в изменении его положения, но также и в изменении формы, в деформации его поверхности. При сильном обжатии расплав стремится принять форму магнитных силовых линий. В индукционных тигельных печах верхняя часть расплава отжимается от стенок тигля и приобретает форму выпуклого мениска, конфигурация которого не является стабильной и зависит от величины Н и взаимного расположения металла и верхнего уровня индуктора. Примерная конфигурация мениска при частичном отжатии расплава от стенок тигля в ИТП показана на рис.18.1.

Наличие большого мениска в промышленной печи является, как правило, нежелательным, особенно на последней стадии плавки, когда проводится технологическая обработка металла шлаками. При этом шлак, покрывающий зеркало, стекает к стенкам тигля и, для того, чтобы все зеркало было покрыто шлаком, приходится увеличивать его количество. Кроме того, стекающий к стенкам шлак химически взаимодействует с футеровкой на большей высоте, чем при отсутствии мениска.

В тигельных печах промышленной частоты, в которых мениск имеет наибольшую высоту, для ее снижения широко используется отрицательный свес индуктора, т. е. расположение верхнего торца его ниже уровня расплава (при номинальном заполнении тигля). В этом случае за счет большего рассеяния магнитного поля в верхней части ослабляется силовое воздействие на расплав в этой зоне и высота мениска уменьшается.

Р и с. 18.1. Примерная конфигурация мениска в ЙТП

Ниже рассматривается взаимодействие расплава с полем индуктора в индукционной тигельной и канальной печах.

18.2. ЦИРКУЛЯЦИЯ МЕТАЛЛА

В ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

Естественная циркуляция металла в тигле ИТП. Как указывалось выше, электромагнитные сжимающие силы, действующие по периметру твердой загрузки, взаимно компенсируются. В жидком металле силовое взаимодействие индуцируемых токов и магнитного поля приводит к взаимному отталкиванию индуктора и отдельных частиц (элементарных объемов) расплава, которое неизбежно приводит к возникновению взаимного пере­мещения объемов расплава внутри тигля, т. е. к циркуляции расплава в тигле, которую также называют электромагнитным перемешиванием металла.

В тигельных печах обычно используются относительно «короткие» индукторы (с отношением высоты к диаметру порядка единицы). В таких индукторах имеет место так называемый продольный краевой эффект, который проявляется в уменьшении значения напряженности (и индукции) магнитного поля у поверхности расплава в зоне верхнего и нижнего торцов индуктора. Следствием проявления краевого эффекта является неравномерное по высоте распределение электромагнитных сил F: в передней части индуктора они максимальны, по краям индуктирующей системы их значения уменьшаются. Это, в свою очередь, приводит к возникновению в расплаве так называемой двухконтурной циркуляции, когда расплав как бы «выдавливается» вдоль оси тигля вверх (в верхнем контуре) и вниз (в нижнем контуре) по отношению к средней плоскости индуктора, и возвращается в обратном направлении вдоль стенок плавильного тигля. Такую циркуляцию расплава, наблюдаемую в обычных тигельных печах, принято называть естественной, в отличие от «искусственной», достигаемой специальными средствами.

]

Рис. 18.3. Схема силовых воздействий на жидкий металл

и характер распределения скоростей в ИТП:

Интенсивность циркуляции характеризуется скоростью движения металла v в той или иной зоне тигля, которая является результатом воздействия на расплав электромагнитных сил и сил вязкого и турбулентного трения. Обычно в качестве характерного значения скорости принимают ее максимальное значение на оси тигля в верхнем контуре. Значения скорости v в промышленных печах разного назначения и конструктивного исполнения могут отличаться в десятки раз, и являются одним из факторов, определяющих пригодность печи для того или иного технологического процесса. Так, они могут составлять как несколько сантиметров в секунду (при выдержке расплава на пониженной мощности, а также при плавке в печах средней частоты), так и несколько метров в секунду (в печах промышленной частоты с относительно высокой удельной мощностью). При этом электродинамические явления могут сопровождаться мощными пульсациями, деформацией поверхности, выбросами частичек расплава из тигля, а также звуковыми эффектами. Скорость движения металла в осевой зоне тигля определяет ход массообменных процессов с вводимыми в расплав компонентами при легировании, рафинировании и модифицировании;

скорость в пристеночном слое оказывает влияние на взаимодействие металла с футеровкой тигля; скорость на зеркале расплава определяет темп плавления шихты (особенно легкой) и интенсивность взаимодействия металла с газоцой фазой и шлаками, и, наконец, скорость движения у дна тигля оказывает существенное влияние на плавление тяжелой кусков шихты и тяжелых добавок.

Дата добавления: 2014-01-07