В 1916 г. Степан Иванович Тельный, выпускник Екатеринославского горного института (ЕГИ) 1914 г. (профессор этого же института с 1925 г.), и Георгий Евгеньевич Евреинов, доцент ЕГИ (профессор ЕГИ с 1921 г.), совместно предложили в дуговых печах, неподвижных во время плавки, использовать для перемешивания жидкого металла добавочное магнитное поле.
На рис. 3 изображена предложенная ими однофазная «дуговая печь с вращающейся дугой». Рабочее пространство печи окружено кладкой 1, ванна жидкого металла 2 охватывается снаружи катушкой 3, выполненной из медной трубы, заложенной в кладку печи и охлаждаемой водой. Ток, питающий печь, проходит последовательно от источника питания через катушку 3, верхний электрод 5, дугу 4, нижний подовый электрод 6 и возвращается к источнику питания.
Взаимодействие переменного магнитного потока тока катушки с дугой придает ей форму вращающейся со скоростью до 150 об/мин винтовой спирали. При этом дуга сильно удлинялась, достигая 250–300 мм вместо нескольких десятков миллиметров в обычных условиях. Это позволило увеличить напряжение на дуге, улучшило ее устойчивость и передачу тепла от дуги к металлу. Этот же магнитный поток наводил в ванне индуктированный ток, который отталкивался от токов катушки, обеспечивая перемешивание металла.
Первые печи этого типа были установлены в 1919 г. в Екатеринославских железнодорожных мастерских и в 1920 г. на Екатеринославском трубопрокатном заводе, однако «вращающаяся дуга» С. И. Тельного и Г. Е. Евреинова не имела последующего распространения на дуговых сталеплавильных печах, так как получаемый технико-экономический эффект не окупал усложнения и удорожания конструкции.
Весьма трагична судьба Георгия Евгеньевича Евреинова (1880– 1937) — профессора, доктора технических наук, заведующего кафедрой горной электромеханики Днепропетровского горного института. Решением выездной сессии Военной Коллегии Верховного Суда СССР от 14 сентября 1937 г. он был приговорен к высшей мере наказания. Реабилитирован в 1956 г. посмертно.
Идея С. И. Тельного и Г. Е. Евреинова улучшить дуговую печь при помощи добавочного магнитного поля впоследствии привлекла внимание многих исследователей.
В 1928 г. инженер Л. И. Морозенский предложил устройство, предназначенное для управления дугами и одновременно для перемешивания металла. Вокруг ванны жидкого металла в горизонтальной плоскости по окружности кожуха располагают три катушки, питаемые трехфазным током и создающие вращающееся в горизонтальной плоскости магнитное поле, которое наводит в жидком металле ванны индуктированные токи.
Механическая сила между потоком катушек и индуктированными токами приводит в движение металл в направлении вращения магнитного потока катушек. Система подобна асинхронному двигателю: катушки — статор, а жидкий металл — ротор, при этом металл вращается в горизонтальной плоскости. Верхняя часть каждой катушки находится над зеркалом металла и создает механические силы, отклоняющие дуги. Направление выдувания дуг изменяли переключением катушек.
Испытания устройства, проведенные на печи емкостью 0,5 т, дали положительные результаты: расплавление ускорилось в среднем на 30 %, удельный расход энергии уменьшился на 40 %, а обезуглероживание и дефосфация ускорились в 4–5 раз. Однако результаты испытаний, проведенных на промышленной печи 2,5 т завода «Электросталь», оказались неудовлетворительными: продолжительность расплавления и металлургических процессов, а также удельный расход электроэнергии остались прежними, хотя мощность катушек достигала 175 кВА при мощности печного трансформатора 900 кВА. Катушки Л. И. Морозенского не получили практического применения.
В 1935–1937 и 1952–1956 гг. профессор Московского института стали (МИС) Николай Валерьянович Окороков выполнил цикл теоретических и экспериментальных исследований в области электромагнитного перемешивания металла в дуговой сталеплавильной печи, в результате которых были сделаны следующие выводы:
- нижнее расположение катушек под ванной более эффективно по сравнению с боковым их расположением;
- использование токов низкой частоты (от 0,3 до 2,0 Гц) более эффективно, чем использование токов стандартной частоты 50 Гц, на которой индуктированные в ванне токи протекают по нижнему слою металла в ванне, равному всего 8–10 см; на низкой частоте используемых токов глубина проникновения переменного магнитного поля в ванну увеличивается;
- использование двухфазного статора с «расщепленной» фазой наиболее эффективно для создания механических усилий для перемешивания металла в ванне печи.
Магнитопровод перемешивателя по форме напоминает собой дугу статора асинхронного двигателя, которая имеет длину 200–600 см и должна быть не меньше диаметра зеркала металла в ванне. В статоре с так называемой «расщепленной» крайней фазой одна фаза — средняя — состоит из одной большой катушки, а вторая — крайняя — из двух меньших катушек, расположенных по концам статора. В таком статоре можно получить различные виды движения магнитного поля в зависимости от того, как соединены катушки крайней «расщепленной» фазы (согласно или встречно) и как подсоединены начало и конец средней фазы статора (поля, бегущие от края до края в ту или иную сторону, два встречных поля от края к середине и два расходящихся поля от середины к краям перемешивателя). Расходящиеся поля более выгодны для перемешивания, так как они создают больше циклов вращения металла. Поле, бегущее от края к краю, необходимо для организованного подкачивания шлаков.
По техническому проекту МИС завод «Днепроспецсталь» (г. Запорожье) изготовил и ввел в опытно-промышленную эксплуатацию с января 1959 г. перемешиватель металла со статором низкой частоты на печи DCB–18 емкостью до 25 т. Проведенные испытания подтвердили значительное положительное влияние электромагнитного перемешивания на сокращение длительности технологического процесса и повышение качества выплавляемого металла.
Следует отметить, что впервые о промышленном применении электромагнитного перемешивания металла было сообщено в печати фирмой ASEA (Всеобщая Шведская Электрическая Компания) в 1949 г. Эта фирма применила двухфазные статоры с «расщепленной» фазой, питаемые током низкой частоты от 0,35 до 1,5 Гц. В последующее время фирма ASEA установила за рубежом около 40 таких статоров на печах емкостью от 10 до 150 т.
Статья была опубликована в апрельском номере журнала "Наука и техника" за 2019 год
