Сверхпроводящие индукторы для электромагнитного перемешивания расплавленного металла
2008, Tом 5, выпуск 3
Тематика: ВТСП устройства
Электромагнитное перемешивание расплавленного металла начало широко использоваться в металлургии c 70-х годов. На сегодняшний день существует целый ряд систем для магнитного перемешивания в электродуговых печах (рис. 1) и в процессе отливки слитков (например, системы ABB SEMS и MEMS). За счет электромагнитного перемешивания удается существенно снизить температурные градиенты в электродуговых печах, что улучшает качество выплавляемого металла, сокращает длительность технологических процессов и приводит к экономии электроэнергии. Электромагнитное перемешивание при отливке слитков позволяет добиться хорошей однородности свойств по всему объему слитка и сократить число дефектов.
Конструктивно системы для электромагнитного перемешивания представляют собой один или несколько индукторов с медными или алюминиевыми обмотками, создающими переменные магнитные поля, вызывающие завихрения расплавленного металла. Существуют также системы с постоянным магнитным полем, тормозящие поток расплавленного металла, втекающего в кристаллизатор, для того чтобы сделать его течение турбулентным и вызвать перемешивание. Однако индукторы с медными обмотками способны создавать лишь сравни-тельно слабые магнитные поля. Омические потери в подобных индукторах также велики, значительная часть потребляемой мощности попусту тратится на нагрев самих обмоток. Использование в системах для электромагнитного перемешивания сверхпроводящих индукторов позволит не только существенно поднять величину магнитного поля, но и повысить КПД устройства.
Рис. 1. Индуктор ABB AL-EMS на печи для выплавки алюминия.
Исследовательская группа из университета Тохоку и лаборатории CRIEPI (Япония) разработала и испытала небольшую модель индуктора для электромагнитного перемешивания расплавленного металла. Индуктор состоит из шести сверхпроводящих обмоток, включенных в трехфазную сеть таким образом, чтобы создать вращающееся магнитное поле (рис. 2). Обмотки индуктора намотаны из сверхпроводящего провода на основе ниобий-титана и размещены в криостате с жидким гелием. В теплом отверстии криостата размещается тигель с жидким галлием, позволяющий отработать различные режимы перемешивания в комнатных условиях (температура плавления галлия 30°С).
Сверхпроводящий индуктор позволил поднять величину магнитной индукции в 10 раз по сравнению с аналогичным медным индуктором, скорость течения металла в тигле возросла при этом в 3 раза. Удалось добиться растекания всего металла тонким слоем по стенкам тигля (рис. 3), что недостижимо для индукторов с медной обмоткой.
Рис. 3. Поверхность расплава при различных рабочих токах индуктора.
На основании полученного опыта исследовательская группа приступила к проектированию полупромышленной установки для электромагнитного перемешивания расплавленного металла (рис. 4).