//Электрика. – 2010. – № 2.– С. 20–24.

Многофункциональный плавильный агрегат

на основе индукционной тигельной печи

Ф. Н. Сарапулов, доктор тех. наук, профессор, зав. Кафедрой, С. Ф. Сарапулов, канд. техн. наук, доцент,

В. Э. Фризен канд. техн. наук, доцент,

Уральский государственный технический университет имени первого

Президента России Б. Н. Ельцина

В современных экономических условиях потребители продукции металлургических предприятий предъявляют всё более высокие требования к качеству первичной составляющей своей продукции, при этом предпочтение отдаётся продукции с меньшей стоимостью. Решение данного вопроса кроется в создании высокопроизводительного электротехнологического оборудования, удовлетворяющего всем требованиям металлургического производства и в то же время – обладающего минимальной стоимостью в производстве и эксплуатации.

Многофункциональный плавильный агрегат (МПА) предназначен для переработки металлической и оксидосодержащей шихты [1], полученной из минерального сырья комплексных руд или концентратов этих руд [2]. Могут переплавляться также отходы металлургического производства: красные шламы глинозёмного и шлаки доменного производства, пыли газоочисток сталеплавильного производства и др. Технологические решения, реализованные в МПА, позволяют извлекать из поступающей на плавку шихты как чёрные, так и цветные металлы. Процессы становятся безотходными, без выделения (или почти без выделения) газовой фазы, что делает их экологически чистыми. Один МПА способен перерабатывать 100–150 тыс. т оксидосодержащей руды в год.

Главной отличительной особенностью предлагаемых металлургических процессов является то, что подготовленная к плавке шихта плавится на заранее расплавленной и приведённой во вращение магнитным полем подложке из электропроводящего материала. Такими жидкими подложками могут быть чугун, сталь, черновой никель или ферроникель, черновая медь, штейн, файнштейн, ферросилиций, титаносодержащая лигатура и другие. Ещё одной особенностью процессов в МПА является применение в качестве восстановителей Al или Si, которые при восстановлении нелетучих металлов не дают газовой фазы. Восстановительные реакции идут с выделением тепла, что немаловажно с учётом энергосбережения.

В большой степени эффективность процессов в МПА (рис. 1) определяется характеристиками специального электрооборудования, к которому относятся: многосекционный индуктор индукционной тигельной печи (ИТП), плоский электромагнитный вращатель металлического расплава (ЭМВ) а также их полупроводниковые источники питания. От показателей этого оборудования, которое не выпускается серийно, зависит энергоёмкость всего агрегата.

                                                                                                                          а                                                                         б

Рис. 1. Общий вид МПА с торцевым (а) и боковым (б) ЭМВ

В табл. 1 приведены основные энергетические характеристики ИТП в составе МПА при питании однофазной или многофазной обмотки индуктора токами с частотой 50 Гц. Расчёты выполнены методом детализированных схем замещения [3].

Как видно, рассмотренные варианты предоставляют достаточно широкий диапазон показателей печи для выбора схем питания обмотки в зависимости от требуемых функций. Например, очевидно, что однофазная схема обеспечивает наибольшую греющую мощность в загрузке, но не позволяет создать осевое усилие, полезное при формировании лунки в жидкометаллической подложке на основной технологической операции МПА.

С другой стороны, индуктор с классической трёхфазной схемой AZBXCY создаёт значительное осевое усилие в расплаве, но малую греющую мощность, что, однако, может быть полезным при выделении в загрузке избыточной тепловой мощности от экзотермических реакций при восстановлении оксидов. Компромиссному требованию создания в загрузке повышенной греющей мощности и наибольшего осевого усилия отвечает "однополюсная" схема AAZZBB (чередование секций по высоте тигля снизу вверх) [6]. Там же показано влияние частоты питающих токов на показатели ИТП.

В табл. 2 приведены энергетические характеристики торцевого (рис. 1а, индуктор размещён под днищем тигля) и бокового (рис. 1б, индуктор размещается поверх индуктора ИТП или рядом с ним на боковой поверхности

1. Основные энергетические характеристики ИТП

Схема обмотки	Количество фаз	Активная мощность в загрузке, МВт	Суммарное осевое усилие в загрузке, кН	Коэффициент мощности, о. е.
AZBXCY	3	0,207	2,19	0,094
AZBAZB	3	0,632	1,38	0,126
AAZZBB	3	0,82	3,84	0,11
AAZZBB	3	1,1	11,99	0,155
AAAAAA	1	1,34	0	0,122
AAAAAA	1	1,89	0	0,169

                                                                                                Частота питающего тока 20 Гц

тигля) вращателей. Их индукторы выполнены соответственно как индукторы торцевого или обычного кругового асинхронных двигателей. Плотность тока в проводе принята равной 4,4 А/мм², частота тока 5 Гц, площади активных поверхностей индукторов одинаковы. При этом высота индуктора бокового ЭМВ равна 0,33 м, высота индуктора ИТП – 1 м, внутренний диаметр тигля 1 м. Расстояние между индуктором и расплавом в тигле принято равным 0,3 м.

2. Энергетические характеристики торцевого и бокового вращателей

Тип ЭМВ	Активная мощность в загрузке, кВт	Осевое усилие, кН	Наибольшая ско-рость вращения расплава, м/с	Высота лунки, м
Торцевой (четырёхполюсный)	140	9,26	2,5	0,33
Боковой (шестиполюсный)	104	9,26	3,9	0,78
Боковой (шестиполюсный) частота тока 50 Гц	690	6,48	3,0	0,5
Боковой (шестиполюсный) частота тока 50 Гц, высота индуктора 1 м (как в ИТП)	2090	19,62	3,0	0,5

Из рассмотрения этих данных можно заключить, что оба типа ЭМВ обеспечивают одинаковое вращающее усилие. При этом наибольшая скорость вращения расплава в пристеночных слоях оказывается различной, что объясняется различием в распределении удельного вращающего усилия в продольном сечении расплава. Следует также заметить, что при питании индуктора бокового ЭМВ током частоты 50 Гц в расплаве выделяется существенная активная (греющая) мощность, которая может даже превышать мощность ИТП в составе МПА.

Для оценки достоверности полученных результатов были проведены расчёты электромагнитных характеристик ИТП с помощью разработанной авторской модели на основе детализированных схем замещения (ДСЗ) [3], классической методики на основе интегральной Т-образной схемы замещения [4] и с использованием лицензионного полевого пакета ELCUT, созданного НПП "ТОР", г. С.-Петербург (табл. 3). Мощность потерь в обмотке индуктора равна 400 кВт.

Как видно, достоверность выполненных с помощью авторского метода ДСЗ расчётов подтверждается хорошим совпадением полученных результатов с данными расчётов на основе апробированной многолетним практическим опытом классической методики, а также с использованием современного конечно-элементного пакета Elcut.

3. Данные электромагнитных характеристик ИТП

Использованные методы	Мощность, кВА	Напряжение, В	Сопротивление индуктора с загрузкой, Ом	Активная мощность в загрузке, кВт
Классика [4]	1213+j6037	101+j503	0,0084+j0,042		813
Метод ДСЗ [3]	1141+j6065	95,1+j505	0,0079+j0,042		740
Elcut					716,56

В табл. 4 показаны этапы одного из вариантов технологического цикла работы агрегата. Индукторы ИТП и ЭМВ в цикле могут работать отдельно или совместно. Соответственно питание индукторов может осуществляться от одного полупроводникового преобразователя с низкочастотной и высокочастотной составляющими тока или от двух источников с разными частотами питающих токов [3]. Далее этапы повторяются, но ИТП работает с “болотом”.

4. Варианты технологического цикла работы агрегата

№ этапа	Технологическая операция	Работающее электрооборудование и его мощность
1	Подготовка металлической подложки – плавка с заполнением (70-80)% объёма плавильной камеры	ИТП (70 % РЭМВ=1,4 МВт при 50 Гц) ЭМВ как нагреватель (100 % РЭМВ = 2,1 МВт на частоте 50 Гц)
2	Раскручивание жидкометаллической подложки	ЭМВ как вращатель (вращающее усилие 9,2 кН на 5 Гц), ИТП работает с минимальной мощностью (около 0 %)
3	Вращение подложки - загрузка шихты - загрузка восстановителя - процесс восстановления (с лункой в металле)	ЭМВ как вращатель и нагреватель (вращающее усилие 25 % Fвр на 5 Гц) ИТП (100 % РИТП =1,9 МВт на 20 Гц
4	Подготовка к загрузке следующей порции, прекращение вращения	ИТП (30 % РИТП = 0,6 МВт на 20 Гц

Как отмечалось выше, ЭМВ порождает в металле вращающееся магнитное поле, которое в расплаве индуцирует токи. Возникают вращающие усилия, которые приводят металл во вращение. Под действием центробежных сил создаётся лунка, в неё засыпают оксиды и восстановитель. Индуктор ИТП может выполняться многофазным, питаться многофазной системой токов [6] и создавать в расплаве осевое усилие, "облегчающее" его пристеночные слои и способствующее увеличению глубины лунки. В результате греющий индуктор частично выполняет функцию ЭМВ.

На рис. 2а показано векторное поле скоростей металла в поперечном сечении тигля при питании трёхфазной обмотки индуктора бокового ЭМВ симметричной трёхфазной системой токов с частотой 5 Гц, а на рис. 3 – распределения по радиусу электромагнитных величин и скорости вращения металла. Можно отметить, что в жидкометаллическом роторе наблюдается существенный поверхностный эффект: индукция, плотность тока и усилия затухают по мере приближения к оси тигля. Угловая скорость также уменьшается по мере удаления от поверхности индуктора, что обусловлено вязким трением слоёв расплава.

а                                                            б

в                                                             г

Рис. 2. Распределение скоростей расплава в поперечном (а) и продольном (б, в, г) сечениях тигля

На рис. 2 б, в, г показаны векторные поля скоростей металла в продольном сечении тигля при различных схемах соединения и питания индуктора ИТП: при питании его трёхфазной обмотки с чередованием секций фаз AZBXCY симметричной трёхфазной системой токов частоты 10 Гц (см. рис. 2, б), трёхфазной "однополюсной" обмотки с чередованием фаз AAZZBB токами 50 Гц (см. рис. 2, в) и при однофазном питании обмотки с чередованием секций соленоида АААААА током 50 Гц (см. рис. 2, г). Легко увидеть, что изменение схемы соединения и питания обмотки индуктора ИТП кардинально изменяет картину векторного поля скорости металла в тигле.

а                                                                                     б

Рис. 3. Распределение по радиусу удельных вращающего F_ud1 и радиального FT_ud усилий (Н/м³), радиальной Bn и касательной Bt (Тл) индукций, плотности индуцированного тока в загрузке IC (А/м²) в соответствии со строкой 2 табл. 2 (а), а также удельного вращающего усилия и скорости вращения расплава при увеличенном токе бокового индуктора (б)

Максимальные значения компонентов магнитной индукции, удельных усилий и активной мощности в загрузке, а также осевой и радиальной составляющих скорости металла при питании индуктора ИТП токами частоты 50 Гц по различным схемам соединения обмотки приведены в табл. 5. Как было отмечено выше, рассмотрены следующие схемы соединения обмоток: 1) однофазная схема (применяется в классических ИТП), 2) трёхфазные однополюсная и 3) двухполюсная схемы, 4) трёхфазные двухполюсные схемы при частоте питающих токов 10 Гц и 5) и при частоте питающих токов 5 Гц.

Из данных таблицы можно заключить, что однофазная схема (1) индуктора обеспечивает наибольшую активную мощность в загрузке, поэтому схема наиболее эффективна с точки зрения нагрева металла в тигле и чаще всего применяется в классических ИТП. С другой стороны, при этом формируется малоэффективная двухконтурная циркуляция металла, не позволяющая перемешивать придонные и поверхностные слои и исключающая реверс при движении расплава. В дополнение к этому из-за больших радиальных усилий, сжимающих металл, на его поверхности образуется мениск, с которым приходится бороться.

Однополюсная трёхфазная схема позволяет организовать эффективную преимущественно одноконтурную схему перемешивания расплава при значительной "греющей" мощности в загрузке и наибольшей осевой скорости движения металла. При необходимости изменение чередования фаз обеспечивает реверс движения расплава. Значительное осевое удельное усилие в пристеночных слоях (29 кН/м³) направлено встречно удельной силе тяжести (77 кН/м³) и ведёт к "квазиоблегчению" металла в этих слоях. В свою очередь это приводит к увеличению глубины лунки во вращающемся расплаве, что полезно для повышения эффективности технологического процесса (в частности, увеличивается площадь активной поверхности контакта шлака и металла, вращающихся с различными скоростями).

Двухполюсная (типичная для индукционных машин) трёхфазная схема обмотки индуктора при питании токами 10 Гц обеспечивает высокую осевую скорость движения металла и малую активную мощность в загрузке. Печь в этом режиме становится эффективным миксером для подготовки расплава необходимого состава к разливке.

5. Экспериментальные данные для разных схем соединения

Схема обмотки	Радиальная индукция, Тл	Осевая индукция, Тл	Удельные усилия: осевое/радиальное, кН/м^3	Удельная греющая мощность, кВт/м^3	Скорости: радиальная/осевая, м/с
АААААА AAZZBB AZBXCY (обычная трёхфазная) AZBXCY, 10 Гц АZBXCY 5 Гц	0,028 0,032 0,02 0,05 0,041	0,176 0,188 0,062 0,08 0,052	32/266 29/153 14,9/32 9,6/9,7 6,7/4,2	8200 4700 1020 160 60	0,9/1,03 (2 вихря) 0,84/1,36 (2 вихря, верхний слабый) 0,5/0,95 (1 вихрь) 0,67/0,99 (1 вихрь) 0,5/0,83 (1 вихрь)

Проведённые исследования показывают, что предлагаемая высокоинтенсивная и экологически чистая технология плавки с вращением и жидкофазным восстановлением (ПВЖФВ) [2], подкреплённая полутора десятками патентов РФ, достаточно эффективно реализуется при использовании описанного выше многофункционального плавильного агрегата [1]. МПА может быть хорошей основой для создания современных металлургических мини-предприятий.

Авторы выражают благодарность доценту Коршунову Е. А. за помощь в подготовке технологической части данной работы, а также профессору Сидорову О. Ю. за участие в гидродинамических расчётах.

Исследования проведены в рамках целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2010 годы)" Министерства образования и науки РФ, проект: "Разработка, технологическое и электрофизическое обоснование процессов получения высоколегированных сплавов при интенсификации перемешивания в агрегате с вращением шлака и металла".

Список литературы

1. Электроплавильный агрегат: патент на изобретение № 2333440 Российской Федерации, МПК F27D11/06, F27D23/04, F27B14/06 / Е.А. Коршунов, С. Ф. Сарапулов, Ф. Н. Сарапулов и др. Опубл. 10.09.2008.

2. Способ переработки концентратов из руды, содержащей оксиды железа, титана и ванадия, и устройство для его осуществления: патент на изобретение № 2350670 Российской Федерации, МПК С22В34/12, С22С33/04, F27B14/06 / Е. А. Коршунов, О. А. Арагилян, Ф. Н. Сарапулов, С. Ф. Сарапулов и др. Опубл. 27.03.2009.

3. Плавильные комплексы на основе индукционных тигельных печей и их математическое моделирование: учеб. пособие / В. И. Лузгин, С. Ф. Сарапулов, Ф. Н. Сарапулов, Б. А. Сокунов, Д. Н. Томашевский, В. Э. Фризен, И. В. Черных, В. В. Шипицын. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2005. 459 с.

4. Фарбман С. А., Колобнев И. Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1968. 496 с.

5. Сарапулов Ф. Н., Сарапулов С. Ф., Сидоров О.Ю. Математическое моделирование МГД-процессов в электромагнитном вращателе расплава / 13-я Междунар. Плесская конфер. по нанодисперсным магнитным жидкостям. Сб. науч. тр. Плёс, Россия, Иваново: ИВЭИ, 2008. С. 244–249.

6. Бегалов В. А., Сарапулов Ф. Н., Сокунов Б. А. Схемы питания индукторов для электромагнитного воздействия на жидкие металлы / Труды междунар. науч.-техн. конф. APIH-05, 25–26.05.05. СПб.: ВНИИТВЧ, 2005. С. 138–144.