Developments of the PTIMA NASU in the Field of Magnetohydrodynamics
(History, State, and Prospects — Part I)
There are presented the new magnetodynamic pumps and installations for preparation and pour-ing of metals and alloys. Such multifunctional aggregates were designed in the PTIMA NASU. The magnetodynamic devices realize induction heating, electromagnetic stirring, and electro-magnetic pouring of melts. Using of these equipments allows raising the quality of alloys and castings, providing resource saving, improving the ecology in foundry and metallurgy, and in- creasing the technical and economic indices at metal production.
Физико- технологическому институту металлов и сплавов Национальной академии наук Украины (ФТИМС НАН Украины) принадлежит пальма первенства в создании новых многофункциональных магнитодинамических устройств литейного и металлургического назначения. Они позволили существенно ускорить протекание процессов тепломассопереноса в металлических расплавах, обеспечить независимое управление его температурой и скоростью движения. Исследования ученых составили научную основу новых технологий внепечной обработки металла при получении высококачественных сплавов и их управляемой электромагнитной разливки.
В.И. Дубоделов,
д.т.н., профессор, член- корреспондент НАН Украины,
зав. отделом магнитной гидродинамики,
М.С. Горюк,
к.т.н., старший научный сотрудник отдела магнитной гидродинамики,
ФТИМС НАН Украины, г. Киев
В начале 1960-х годов в Институте литейного производства АН УССР, который в дальнейшем переименовывали в Институт проблем литья АН УССР (1963 г.) и ФТИМС НАН Украины (1996 г.), были начаты исследования по применению средств магнитной гидродинамики (МГД) в литейном производстве. Эти работы возглавил талантливый организатор науки, а впоследствии известный ученый В.П. Полищук. Первоначально это была небольшая группа, состоящая из сотрудников института, которая впоследствии пополнилась кадрами и трансформировалась в отдел магнитной гидродинамики (ОМГД).
На начальном этапе работ исследования проводились на таких металлах как свинец и ртуть, в них принимали участие и специалисты других организаций, в частности КПИ и ИЭД НАН Украины. В качестве первых объектов исследования были приняты однофазные индукционные насосы пульсирующего поля, принцип действия которых основывался на использовании известного в электротехнике эффекта Томпсона, связанного с расталкиванием проводников, по которым протекают разнонаправленные токи. Такой электромагнитный насос состоял из однофазного трансформатора, над первичной обмоткой которого располагался кольцевой канал с жидким металлом, сообщавшийся с емкостью (рис. 1) (работы В.П. Полищука, М.Р. Цина, А.А. Горшкова).
При подаче напряжения на первичную обмотку 2 указанного устройства в ней протекал электрический ток, обуславливающий появление магнитного потока и индуцирование тока в короткозамкнутом витке металла 5 кольцевого канала раздаточной печи 6, являющемся вторичной обмоткой трансформатора 1. Поскольку направление тока в первичной обмотке и жидкометаллическом витке было разным, эти проводники расталкивались. В результате жидкий металл в кольцевом канале поднимался и сливался по желобу 3 в металлоприемник. Кроме того, при протекании электрического тока по жидкометаллическому проводнику в нем выделялась тепловая энергия, что вызывало нагрев расплава, а различные МГД эффекты в канале обуславливали движение в нем жидкого металла.
Существенным недостатком таких электромагнитных устройств было то, что нагрев и перемещение жидкого металла обеспечивались одной и той же трансформаторной системой, а следовательно исключалась возможность независимого регулирования температуры и скорости движения расплава.
Полученный опыт позволил сделать качественно важный шаг в создании новых многофункциональных МГД устройств литейного и металлургического назначения.
Принципиальным их отличием от известных однофазных индукционных электромагнитных насосов и установок для подогрева и транспортировки жидких металлов было наличие наряду с трансформаторной системой, обеспечивающей индуцирование тока IВ в замкнутом жидкометаллическом витке, дополнительного электромагнита, создающего на локальном участке канала (рабочей зоне — р. з.) магнитный поток Ф, направленный по нормали к току (рис. 2).
Взаимодействие тока и магнитного поля приводило к возникновению электромагнитной силы F, величина которой могла регулироваться изменением напряжения на обмотках как индуктора, так и электромагнита. Кроме того, представлялось возможным изменять направление этой силы.
Наиболее важным в таком МГД-устройстве было то, что в нем обеспечивалось независимое регулирование температуры жидкого металла (изменением электрических параметров трансформаторной системы) и скорости его движения (варьированием напряжения на обмотках электромагнита). В случае необходимости созданное в рабочей зоне (р. з.) электромагнитное давление использовалось не только для заполнения литейной формы металлом, но и осуществления силового воздействия на него, в том числе в процессе затвердевания.
Такие устройства получили название магнитодинамических насосов (МДН) и магнитодинамических установок (МДУ). Они не имеют аналогов как в Украине, так и в мире. На этот новый класс оборудования в СССР были получены авторские свидетельства и разработаны специальные ГОСТы, а за рубежом, в том числе в промышленно развитых странах (США, Великобритании, Германии, Франции, Швеции, Италии, Бельгии, Японии) они защищены патентами.
Отличительной особенностью магнитодинамической установки от подобного типа МГД устройств является совмещение в одном агрегате индукционной канальной печи и электромагнитного насоса.
Неочевидность такого внешне простого технического решения, связанного с генерированием скрещенными переменными электрическим и магнитным полями электромагнитной силы, заключалась в том, что в зоне ее формирования отсутствовали твердые стенки, необходимые для создания достаточного для практического использования электромагнитного давления. Оригинальность состоит в том, что роль указанных стенок в жидком металле в канале МДН выполняли стационарные вихревые структуры, возникавшие по бокам рабочей зоны в области спада электромагнитных сил, определяемого снижением индукции приложенного магнитного поля, и существовавшие независимо от транзитного течения расплава. Характерной особенностью магнитодинамических насосов и установок является и то, что в качестве токоподводов в р. з. используется транспортируемый металл. При этом многократно увеличивается эксплуатационная надежность таких устройств по сравнению с кондукционными, в которых торцы токоподводящих электродов окисляются или растворяются. Это обстоятельство особенно важно в случае использования указанного МГД-оборудования для выдержки и электромагнитной разливки химически агрессивных и высокотемпературных металлов, в частности, алюминия, чугуна и стали.
Отмеченные особенности функционирования магнитодинамических насосов и установок были определены в процессе исследований электрических, МГД и гидродинамических процессов в рабочих зонах таких устройств. На физических моделях и натурных установках были получены зависимости, характеризующие распределение в рабочей зоне МДН и МДУ электрического и магнитного полей. Была проведена оценка величин электромагнитной силы, давления, влияния на них вихревых структур, формирующихся по границам рабочей зоны. Такие течения позволяют для Т- образной р. з. увеличить до 10 % создаваемый напор в сравнении с кондукционными устройствами. Были оптимизированы энергические характеристики магнитодинамических устройств (работы Р.К. Горна, В.С. Яковлева, В.И. Шеховцова).
На основе проведенных исследований были разработаны принципиальные технологические схемы базовых конструкций магнитодинамических насосов и установок. При этом среди магнитодинамических насосов наибольшее распространение получили двухзонные устройства типа МДН-4, а среди установок — их модификация МДН-6.
Создание такого МГД оборудования потребовало решения материаловедческих проблем, связанных с обеспечением работоспособности основных элементов МДН и МДУ, контактирующих с жидким металлом. В первую очередь это относилось к таким узлам, как канал, тигель и металлопровод. Если для сплавов свинца, олова и магния можно было использовать нержавеющие коррозионностойкие стали, то для алюминия, цинка, меди, чугуна и стали необходимо было применять специальные огнеупорные материалы. Проведенные исследования показали, что для сплавов алюминия и цинка весьма перспективными оказались литые изделия из калиевого фторфлогопита, разработанные в ИПЛ АН УССР под руководством д.т.н. Б.Х. Хана, для меди и ее сплавов — кварцитовые огнеупорные массы, а чугуна и стали — муллито-корундовые огнеупоры, созданные в УНИИО (г. Харьков).
Важным этапом на пути создания конкурентоспособных магнитодинамических установок стали исследования процессов тепломассообмена в системе «канал — ванна» магнитодинамических устройств.
В качестве базового агрегата была принята магнитодинамическая установка МДН-6, обеспечивающая создание различных схем циркуляции электрического тока и жидкого металла (рис. 3).
Проведенные на физических моделях исследования показали, что структура течений в МДУ носит вихревой характер, за исключением зон транзитного течения расплава из канала в тигель и обратно. Практический интерес представляло также изучение процессов тепло- и массопереноса. При этом, в двухфазной ванне определяющим является взаимодействие металла с расположенной над его поверхностью жидкой или газообразной средой, что характерно для процессов обработки металла жидкими флюсами и при вакуумировании. В гетерогенной ванне жидкий металл содержит значительное количество других фаз (например, в процессах плавки или растворения твердых добавок, продувки газами).
Рассматривалась задача о вынужденной циркуляции жидкости в системе «канал — ванна» и чисто гидродинамического перемешивания ванны затопленной струей. Для этого применялись методы численного анализа и гидравлического моделирования на прозрачных жидкостях (работы В.И. Дубоделова, В.А. Брискмана, Р.В. Бириха).
Проведенные исследования позволили определить критерии для режимов течения в жидкой ванне (ламинарный, переходной, турбулентный), обусловленные воздействием затопленных струй (рис. 4 и рис. 5), установить рациональное соотношение длины, ширины и глубины ванны (4:2:1), при которых обеспечивается максимальная интенсивность массообменных процессов, а также оценить степень деформации свободной поверхности расплава затопленной струей.
Были также изучены процессы струйного переноса тепла управляемым транзитным потоком металла из канала МДУ — основной зоны тепловыделения — в ванну с металлическим расплавом. Показано, что при этом создаются условия как для обеспечения минимального температурного градиента (до 10 °С) в системе «канал — ванна» магнитодинамической установки (до 10 °С), так и максимального (150 °С) (рис. 6) (работы М.Р. Цина, В.А. Трефняка).
При исследовании массопереноса через поверхность раздела фаз в условиях преобладания гидродинамического фактора над тепловым исходили из того, что процесс принудительного перемещения компонента к границе раздела фаз или от нее происходит со скоростью, на несколько порядков превышающей скорость молекулярной диффузии, а переход компонентов через границу раздела фаз не является лимитирующим.
Результаты этих исследований были положены в основу разработки новых эффективных, реализуемых в МДУ технологий индукционного нагрева и электромагнитного перемешивания расплава при выдержке, плавлении и растворении компонентов сплава в жидкометаллических растворителях, обеспечивающих интенсификацию этих операций в 1,5–3 раза при высокой степени гомогенизации полученных расплавов (работы сотрудников ОМГД с участием Е.А. Марковского, А.К. Билецкого, А.А. Должикова).
Следующий важный комплекс работ, связанных с использованием возможностей МДУ по управлению температурой и скоростью движения жидкого металла, касался создания научных основ процессов рафинирования металлических расплавов, в первую очередь — жидких алюминиевых сплавов, хотя использованная при этом методика имела универсальный характер.
Было проведено физическое моделирование различных схем обработки алюминиевых сплавов жидкими флюсами в МДУ. Предусматривалась возможность осуществления интенсификации межфазных взаимодействий в системе «металл — реагент» в МДУ при различных способах распределения флюса на поверхности алюминиевого сплава. Так, были изучены схемы с наведением реагента тонким слоем на зеркало расплава, концентрацией толстого слоя флюса в локальной зоне, а также с пропусканием капель сплава через флюс (работы сотрудников ОМГД с участием Н.М. Кочегуры,
С.П. Казачкова). В результате были определены основные параметры процесса такой обработки (скорость циркуляции расплава, толщина слоя флюса, диаметр капель металла). Последующие натурные исследования позволили уточнить результаты моделирования и учесть температурный фактор. Практическая реализация предложенных способов рафинирования алюминиевых сплавов позволила повысить плотность вакуумных проб в 2–4 раза, снизить на 60 % содержание в сплавах водорода, на 70 % оксидных включений, повысить на 30 % прочность и в 2 раза — относительное удлинение металла (работы В.И. Дубоделова, В.П. Полищука, С.А. Юдкина).
Были также изучены процессы очистки с помощью вакуумирования алюминиевых сплавов от неметаллических и металлических примесей в разработанных оригинальных вакуумных МГД установках (работы Л.П. Пужайло). Было показано, что многократный подвод с помощью электромагнитных сил обрабатываемого жидкого металла к границе раздела «расплав — вакуум» позволяет в 1,5–2 раза сократить продолжительность процесса рафинирования и существенно повысить полноту удаления из алюминиевых сплавов водорода (остаточное содержание — 0,05 см3/100 г сплава) и оксидных включений (до 0,012 %).
Экспериментами, проведенными в промышленных условиях, установлено, что совмещение МГД и вакуумной обработки позволяет существенно ускорить (в 4–5 раз) процесс и повысить (в 10 раз) полноту удаления цинка из вторичного алюминиевого сплава (работы Л. С. Гольберга).
Упомянутые выше исследования составили научную основу новых технологий внепечной обработки металла при получении высококачественных сплавов.
