ИССЛЕДОВАНИЕ НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОВЕДЕНИЯ ТОКОНЕСУЩЕЙ ЖИДКОСТИ В ВАННЕ ДУГОВОЙ ПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНЕГО ВЕРТИКАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

При воздействии внешнего вертикального магнитного поля на токонесущий расплав, находящийся в ванне дуговой печи постоянного тока (ДППТ), возникают объемные электромагнитные силы, которые приводят его в движение. Возникающее течение металла и шлака в ванне дуговой печи может приводить к эффективному их перемешиванию, но может нести и отрицательные моменты, например связанные с повышением износа футеровки в районе подового электрода. Процессы кондукционного перемешивания в ванне ДППТ при выплавке металлов и сплавов остаются слабоизученными. Возникают как теоретические вопросы, связанные с характером течений в ванне под действием внешнего и собственного магнитных полей заданной напряженности, так и практические, связанные с отсутствием простых и надежных источников внешних магнитных полей. Целью данной работы является качественная апробация возможностей физической «прозрачной» модели, изучение на ней характера течений токонесущей жидкости под действием внешнего вертикального магнитного поля и анализ возможности перенесения результатов моделирования на процессы, протекающие в 5-т ванне промышленной дуговой сталеплавильной печи постоянного тока. Показана принципиальная возможность изучения характера течения токонесущего расплава под воздействием внешних магнитных полей на моделях с использованием неметаллических электропроводящих прозрачных жидкостей. В  работе использовался водный раствор поваренной соли, который позволил с помощью видеосъемки провести оценку скорости жидкости на ее свободной поверхности и вблизи подового электрода. Проведено физическое моделирование влияния внешнего вертикального магнитного поля на характер течения токонесущей жидкости в ванне при различных комбинациях подключения подового электрода и разных токах, протекающих через ванну. Установлен характер течения токонесущей жидкости в ванне под действием внешнего вертикального магнитного поля при подключении центрального или смещенного от оси ванны подового электрода. Выявлено, что при смещении оси подового электрода от оси ванны средняя скорость вращения жидкости в горизонтальной плоскости увеличивается. Получена оценка значения напряженности вертикального магнитного поля (около 5 кА/м), при создании которого в ванне металла пятитонной сталеплавильной дуговой печи должно наблюдаться кондукционное перемешивание.

1. Миронов Ю.М. Теоретическая электротехника электрических электродных печей. – Чебоксары: ЧувГУ, 1997. – 232 с.

2. Гельфгат Ю.М., Лиелаусис О.А., Щербинин Э.В. Жидкий металл под действием электромагнитных сил. – Рига: Зинатне, 1975. – 248 с.

3. Повх И.Л., Капуста А.Б., Чекин Б.В. Магнитная гидродинамика в металлургии. – М.: Металлургия, 1974. – 240 с.

4. Верте Л.А. Магнитная гидродинамика в металлургии. – М.: Металлургия, 1975. – 288 с.

5. Электровихревые течения / В.В. Бояревич, Я.Ж. Фрейберг, Е.И. Шилова, Э.В. Щербинин. – Рига: Зинатие, 1985. – 315 с.

6. Власюк В.Х., Шарамкин В.И. О влиянии вертикального магнитного поля на тепло- и массообмен в параболоидной жидкометаллической ванне с током // Магнитная гидродинамика. 1987. № 2. С. 112 – 118.

7. Власюк В.Х. Соотношение электровихревой и гравитационной конвекций // Магнитная гидродинамика. 1988. № 4. С. 75 – 80.

8. Ячиков И.М., Портнова И.В. Поведение магнитного поля в ванне дуговой печи постоянного тока при разной конструкции токоподводящей шины к подовому электроду // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. № 1. С. 76 – 81.

9. Ячиков И.М., Заляутдинов Р.Ю. Исследование магнитного поля в ванне дуговой печи постоянного тока при разной форме токоподводящей шины к подовому электроду// Изв. вуз. Черная металлургия. 2014. № 3. С. 58 – 63.

10. Yachikov I.M. Modelling of electrovortex flows and heat/mass transfer in the dc arc furnace bath // Magnetohydrodynamics. 2016. Vol. 52. No. 1. P. 301 – 310.

11. Ивочкин Ю.П., Тепляков И.О., Гусева А.А., Токарев Ю.Н. Численное и экспериментальное исследование структуры закрученного электровихревого течения // Тепловые процессы в технике. 2012. № 8. С. 345 – 352.

12. Vlasyuk V.Kh., Shcherbinin E.V. Stability of an electrically induced vertical flow in an external magnetic field // Magnetohydrodynamics. 2004. Vol. 40. No. 3. P. 223 – 236.

13. Ивочкин Ю.П., Виноградов Д.А., Тепляков И.О. Численный расчет магнитного поля с использованием технологии CUDA применительно к моделированию электровихревых течений // Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах. 2015. № 2. С. 13 – 18.

14. Ivochkin Yu., Oksman A., Kazak О. etс. Nuclear and experimental investigation of the electrovortex flow in hemispherical container under action of external magnetic field // Proceeding of the 8th Pamir International Conference on Fundamental and Applied MHD. Borgo, Corsica, France. 2011. Vol. 1. P. 85 – 88.

15. Петрунин А.А., Штерн В.Н. Бифуркация полоидального поля в течении, вызванном радиальным электрическим током // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1993. № 2. С. 4 – 11.

16. Ивочкин Ю.П., Тепляков И.О., Гусева А.А. и др. Исследование деформации свободной поверхности и ее влияния на интенсивность электровихревого течения жидкого металла // Тепловые процессы в технике. 2012. Т. 4. № 11. С. 487 – 495.

17. Ивочкин Ю.П., Тепляков И.О., Протоковилов И.В. Физическое моделирование электровихревых течений при ЭШП // Современная электрометаллургия. 2013. № 1. С. 3 – 7.

18. Тепляков И.О. Исследование структуры электровихревого течения жидкого металла в полусферической полости: Автореф. … дисс. канд. техн. наук. – М., 2013. – 24 с.

19. Моделирование электромагнитных процессов в электродуговых печах постоянного тока / И.М. Ячиков, О.И. Карандаева, Т.П. Ларина, И.В. Портнова. – Магнитогорск: МГТУ, 2005. – 139 с.

20. Миллере Р.П., Шарамкин В.И., Щербинин Э.В. Действие продольного магнитного поля на электровихревое течение в цилиндрической ванне // Магнитная гидродинамика. 1980. № 1. C. 81 – 85.