ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Движение металла под действием электромагнитных сил из "Индукционные плавильные печи для процессов повышенной точности и чистоты " Электромагнитные силы (ЭМС), действующие в индукционных печах, возбуждают движение расплава, интенсивность которого обычно на один или несколько порядков превышает интенсивность термогравитационной конвекции и может существеннейшим образом влиять на технологический процесс в печи. [c.44] Необходимое условие возбуждения движения в геометрически односвязном объеме жидкого металла (которым является расплав в тигле) — наличие в нем зон с завихренным полем ЭМС (F), что математически характеризуется ненулевым значением ротора этих сил rot F = 0. [c.44] Заметим, что ЭМС, возбуждаемые переменным магнитным полем в проводящей среде, действуют на нее в направлении распространения поля. [c.44] Движение в однофазных и многофазных соленоидальных индукторах. [c.44] При однофазном индукторе в идеализированной неограниченно длинной, однородной в продольном направлении цилиндрической (или плоскопараллельной) системе поле в жидком металле распространяется по внутренней нормали к его поверхности и завихренность ЭМС отсутствует, а следовательно, движение не возбуждается. В реальном однофазном индукторе завихрение сил создается неоднородностью распределения индукции на поверхности расплава (за счет концевых эффектов или при неоднородном распределении линейной плотности тока в индукторе A ) либо при переменной кривизне поверхности. При этом подобно идеализированному случаю основной является нормальная к поверхности компонента ЭМС дг. В результате возникает циркуляция металла по замкнутым контурам от зоны больших к зоне меньших значений Fj / (рис. 19). [c.44] При наличии мениска, как указывалось в 2, условия равновесия сил приводят к такому саморегулированию положения расплава в индукторе, что ЭМС на поверхности мениска становятся пропорциональными растоянию точки от его вершины. Это вносит специфику в движение металла. Оси верхнего тороидального вихря ЭМС и соответствующего вихря скорости удаляются от поверхности металла, что уменьшает гидродинамическое сопротивление движению в верхнем вихре. Некоторую роль играет также сползание с мениска поверхностных покровов (окисная пленка, шлак), что меняет граничные условия для движущейся жидкости (прилипание). В результате соотношения интенсивностей верхнего и нижнего вихрей скорости существенно изменяется. На рис. 22 представлены результаты численного исследования гидродинамической функции тока, характеризующей интенсивность потока (замкнутые кривые) при отсутствии и при наличии мениска. В сопоставляемых случаях линейная плотность тока в индукторе одинакова, геометрические параметры близки. Расчет показал, что если в первом случае соотношение между максимальными значениями функций тока в верхнем и нижнем контурах циркуляции равно единице, то во втором случае оно может достигать трех. [c.46] При высоком мениске и удержании расплава на холодном проводящем основании в однофазном индукторе может быть достигнуто одноконтурное движение. [c.46] Наиболее эффективный путь получения одноконтурного движения — использование многофазных индукторов бегущего поля. Типичный характер распределения скоростей в таких индукторах иллюстрируется рис. 23, б. Как видно из рис. 23, б, на протяжении большей части высоты расплава идет равномерное наращивание скорости его движения. При минимальном числе катушек (две) распределение Гц имеет специфику скорости максимальны в средней по высоте части расплава. В пристеночном слое движение всегда направлено в обратную сторону (замыкаясь вблизи дна и зеркала ванны). Во многих случаях в зависимости от относительной длины индуктора и сочетания его параметров (полюсного деления и углов сдвига фаз) радиальные силы могут стать соизмеримыми с тангенциальными. При этом траектории движения усложняются и возможно появление дополнительных вихрей [18]. [c.47] Характерное распределение в горизонтальном сечении расплава показано на рис. 24 (данные эксперимента). [c.48] Относительная частота сс оказывает сильное влияние на интенсивность циркуляции металла (рис. 25), однако сравнительно мало меняет относительное распределение скоростей. Характер зависимости определяется двумя противоборствующими тенденциями. При снижении со загрузка становится прозрачной для поля Рд и го1Рд снижаются при увеличении со уменьшается относительная толщина зоны приложения ЭМС и возрастают градиенты скорости в пристеночном слое, что увеличивает сопротивление движению. [c.48] Все изложенное выше о скоростях движения металла относилось к осредненным значениям. Однако движение, возбуждаемое ЭМС, как правило, имеет турбулентный характер, и мгновенные значения скорости хаотически пульсируют вокруг осредненных значений. Амплитуда пульсаций в ИТП может достигать значений осредненной скорости, а частота их колеблется от десятых долей до единиц герц [18]. [c.48] Аналогичные пульсации наблюдались А.Э. Микельсоном, Л.С. Пана-сюком, Н.М. Слюсаревым и В.Е. Явич (см. [40]) в сосуде со ртутью при комбинированном индукторе (с донной и охватывающей катушками) бегущего поля Относительная интенсивность турбулентности в разных слоях металла колебалась от 25 до 80 %. [c.48] При переменном токе проявляется скин-эффект, создающий неоднородность распределения сил, дополнительно увеличивающую rot F. [c.49] Необходимо отметит ,, что при плоскопараллельном (двумерном) растекании эпектрического тока пОле ЭМС имеет безвихревой характер и электровихревой эффект не возникает. [c.49] Движение, возникающее во внешнем постоянном магнитном поле. В электропечах, расплав которых пронизывается постоянным рабочим током, зачастую организуют перемехыивание металла, накладывая дополнительное внешнее постоянное магнитное поле. В частности, при. верхнем дуговом или электроплазменном нагреве в осесимметричной ванне применяют соосный с ней индуктор постоянного тока. В таких печах ток в расплаве протекает между центральной частью зеркала (так называемое анодное пятно) и кольцевой зоной токосъема, расположенной на внешней боковой поверхности расплава вблизи его верхнего или нижнего торца. Движение в таких ваннах исследовано на моделях Л.А. Волохонским и др. (см., например, [42]). Ток в расплаве имеет радиальную составляющую, взаимодействие которой с аксиальным полем индуктора вызывает азимутально ориентированные ЭМС. Пример распределения ЭМС для случая верхнего токосъема приведен на рис. 27. Как видно из кривых, плотность ЭМС максимальна вблизи анодного пятна и снижается при удалении от него по радиусу г и вниз - в осевом направлении г. Изменения скоростей движения показали, что они максимальны на зеркале металла (в его средней части) и снижаются к периферии и дну тигля. В центре зеркала наблюдается воронка, причем частицы металла на зеркале движутся по спирали, перемещаясь от периферии к центру. [c.50] Соотношения толщин гарнисажа (бокового 85, донного 5д) и глубины проникновения тока составляли 5д/Дэ = 0,4-г0,55 бд/Дд = = 1,1-И, 4. Показано, что при таком гарнисаже умеренное перемешивание металла с помощью охватьшающего соленоидального индуктора реально получена относительная скорость движения на оси тигля до 0,15 ( 0 = 0 65 для неэкранированных ванн с оптимальными геометрическими пропорциями). В плоской ванне во всех случаях образуется лишь один контур движения (по высоте), причем при бегущем поле направление движения может определяться как продольными ЭМС (при Хр/с/р = 0,23), так и радиальными (при Др/й р = 0,13). Увеличение глубины ванны существенно повышает скорость движения. [c.51] Влияние циркуляции расплава на тепломассообмен и на геометрию ванны. Гидродинамическая обстановка в ванне, создаваемая электромагнитной циркуляцией, может определяющим образом влиять на технологический процесс. Влияние ее столь же многообразно, как и сами процессы, причем возможны как положительные, так и отрицательные воздействия. В данном разделе рассматриваются лишь основные физические механизмы этих воздействий. [c.52] Вернуться к основной статье