2.2.3. Электромагнитное перемешивание металла в тигле.

Взаимодействие тока в индукторе с током, индуцированным в поверхностном слое жидкого металла в тигле, приводит к возникновению электродинамических сил F, действующих на жидкий металл и направленных к оси тигля (рис.2.9.).

Под действием электродинамических сил возникает двухконтурная циркуляция металла, интенсивность которой можно визуально оценить по высоте выпуклого мениска Hm на свободной поверхности ванны металла.

Выводы теории индукционного нагрева, подтверждаемые практикой, показывают, что высота мениска прямо пропорциональна удельной, мощности передаваемой в садку, и обратно пропорциональна корню квадратному из частоты тока:

, где: (2.13)

- высота мениска; k – коэффициент пропорциональности; - удельная мощность, передаваемая в садку; f - частота тока.

В результате электромагнитного перемешивания происходит выравнивание температуры и химического состава металла в объёме ванны. Быстрее проходят процессы растворения легирующих элементов и науглероживания. Однако чрезмерная интенсивность перемешивания приводит к нарушению сплошности шлакового покрова, так как шлак стекает к стенкам тигля. В результате этого увеличиваются угар металла, растворение в нём газов и газо-металлические выбросы. По этой причине удельная мощность печей промышленной частоты, до 80-х годов ХХ столетия не превышала 230…300 кВт/т. Учитывая, что расход энергии на плавку чугуна в крупных электропечах составляет ≈ 500 кВт^.час./т, производительность ИТП промышленной частоты не превосходила половины её ёмкости в час. Конструктивные решения, рассматриваемые в главе 8, позволили увеличить удельную мощность печей промышленной частоты до 400кВт. Из формулы 2.13 следует, что увеличение частоты тока в индукторе позволяет увеличивать удельную мощность печи и её производительность, не допуская чрезмерной интенсивности перемешивания.

4. Электрический кпд системы индуктор – садка

Управление электротермическими режимами работы ИТП основано на понимании степени влияния параметров процесса на электрический КПД системы индуктор – садка печи (η_эл.). Садкой печи называют совокупность металлических материалов, находящихся в тигле в данный момент плавки. Это – кусковая шихта в начале плавки, частично расплавившаяся шихта и погружённые в неё твёрдые куски, жидкий металл на режиме перегрева и т.п.

Для изучения зависимости (η_эл.) от многочисленных параметров этого процесса необходимо уяснить основные положения теории индукционного нагрева. К ним относятся понятие о понятие настила тока в системе индуктор – садка и закон полного тока.

Настил тока в системе индуктор – садка

На первом этапе изучения вопроса исходят из допущения о том, что система индуктор – садка имеет бесконечную длину. В этой системе (рис. 2.10) выделяют участок единичной высоты (в единицах СИ эта высота равна 1м). Обозначим глубину проникновения тока в садку –Δ_Э.С.. Поверхностный эффект в индукторе проявляется в виде катушечного эффекта, который заключается в том, что ток протекает по стороне проводника, обращённой к оси катушки. Толщина этого слоя называется глубиной проникновения тока в индуктор и определяется формулой:

где: ρ_и- удельное электрическое сопротивление индуктора, Ом*м; μ_и - относительная магнитная проницаемость индуктора; f – частота тока.

Число витков индуктора, расположенных на 1м высоты системы индуктор -садка называют удельным числом витков индуктора - w_1,0 . Размерность этой величины – в/м, т.е. витков на метр. Известно (рис.2.8.), что в коротком колебательном контуре протекает как активный таки реактивный ток. Обозначим активный ток индуктора– I_и.а , а реактивный (индуктивный) ток - I _{и L} . Величина полного тока в проводнике индуктора равна векторной сумме активного и реактивного токов:

(2.14)

Произведение полного тока в проводнике индуктора на удельное число витков называется настилом тока в индукторе: (2.15.)

Настилом тока в садке, по аналогии, называют полный ток, протекающий в слое садки высотой в 1м – I _о.с.1,0.

(2.16)

Рис. 2.10. Система индуктор - садка

Закон полного тока

Закон полного тока утверждает, что интеграл по замкнутому контуру от напряжённости магнитного поля равен полному току, охваченному этим контуром:

(2.17)

Определим значение этого интеграла для контура 1-2-3-4-1. Учитывая, что напряжённость магнитного поля H является векторной величиной, выражение (2.17) можно представить в виде:

(2.18)

Все члены левой части этого уравнения равны 0, т.к. напряжённость магнитного поля снаружи бесконечно длинного соленоида H _1-2 и на глубине большей глубины проникновения тока в металл Δ_эс равны 0. Кроме того, cos90 и cos270 также равны нулю. Следовательно, полный ток, охваченный контуром 1-2-3-4 также равен нулю.

Из этого следует важнейший вывод:

настил полного тока в садке I_о.c1,0 по абсолютной величине равен настилу полного тока в индукторе

I_о.и.^•w _1,0 , но противоположен ему по направлению.