Elektromagnētisko, siltuma un vielas pārneses procesu mijiedarbība metalurģiskajās iekārtās

Elektometalurģijas iekārtās, kas tiek izmantotas dažādu metāla sakausējumu ar uzdotu sastāvu iegūšanai, to apstrādei un uzturēšanai izkausētā stāvoklī tālākai izmantošanai vienlaicīgi norit gan elektromagnētiskā iedarbība, gan siltuma un vielas pārneses procesi. Kā raksturīgas šajā iekārtu grupā var minēt

• indukcijas tīģeļkrāsnis;
• indukcijas kanālkrāsnis;
• indukcijas krāsnis ar sekcionētu dzesējamu tīģeli.

Elektromagnētiskā iedarbība, ko nodrošina induktors, galvenokārt paredzēta siltuma enerģijas pārnesei uz darba vielu, ko nodrošina tajā inducētās virpuļstrāvas. Līdztekus tam uz darba vielu un elektrovadošiem iekārtas elementiem darbojas elektromagnētiskie spēki, kas izraisa intensīvu, turbulentu kausējuma kustību un cenšas elektrovadošos elementus atspiest no induktora. Tādējādi lieljaudas iekārtās iespējama būtiskas elektrovadošā apgabala formas izmaiņas:

• metāla brīvās virsmas deformācijas tīģeļkrāsnīs;
• pinča efekts kanālkrāsnīs;
• kausējuma atspiešana no tīģeļa krāsnīs ar dzesējamo tīģeli utt.

Mainoties elektrovadošā apgabala formai būtiski mainās elektromagnētiskā lauka sadalījums telpā, kā rezultātā parasti samazinās iekārtas elektromagnētiskais lietderības koeficients, kā arī izmainās siltuma apmaiņas apstākļi ar krāšņu konstruktīvajiem elementiem un kausējuma plūsmas intensitāte un raksturs. Arī elektrovadošā kausējuma kustība magnētiskajā laukā un ar temperatūras izmaiņām saistītās vadītspējas izmaiņas zināmā mērā atgriezeniski ietekmē elektromagnētiskā lauka sadalījumu telpā un iekārtas raksturlielumus. Lieljaudas iekārtās var veidoties situācijas, kur šī mijiedarbība tieši apdraud iekārtas ekspluatāciju, piem.,

• ļoti stipras kausējuma brīvās virsmas deformāciju un ar to saistīto nestabilitāšu dēļ;
• ļoti lielu kausējuma turbulentās plūsmas ātrumu dēļ;
• pinča, jeb apspiešanas efekta dēļ kanālkrāšņu kanālos.

Virkne citu ar šo mijiedarbību saistīto faktoru savukārt var būtiski saīsināt iekārtu ražīgās ekspluatācijas ilgumu, piem.,

• keramiskā tīģeļa vai kanāla materiāla mehāniskās un ķīmiskās erozijas dēļ, ko būtiski iespaido plūsmas intensitātes, temperatūras un leģējuma sastāva izmaiņas;
• dažādu oksīdu izgulsnēšanās dēļ iepriekš minēto faktoru ietekmē.

Tādējādi tehnoloģisko procesu pilnveidošanai, iekārtu darba mūža un ražības palielināšanai ir būtiska elektromagnētisko, temperatūras un ātruma lauku analīze šajās iekārtās. Ievērojot ļoti sarežģītos eksperimentālo mērījumu apstākļus augstu temperatūru un materiālu agresivitātes dēļ, ļoti būtiska loma šajā izpētē ir minēto procesu matemātiskajai modelēšanai. Elektromagnētisko, siltuma un vielas pārneses procesu mijiedarbības pētījumos laboratorijā ir uzkrāta ļoti liela pieredze un izstrādātas oriģinālas metodikas un programmlīdzekļi. Būtisku darba daļu veido katrā konkrētajā problēmas formulējumā svarīgo faktoru, mijiedarbības veidu un nosacījumu analīze, lai izveidotais matemātiskais modelis no vienas puses pietiekami precīzi atspoguļotu pētāmo mijiedarbību, bet no otras puses būtu pietiekami efektīvi realizējams skaitliski, izmantojot esošo datortehnisko nodrošinājumu. Pētījumos tiek izmantotas arī komerciālā modelēšanas programmatūra (piem., ANSYS, FLUENT).

Pētījumu rezultāti ļauj sniegt rekomendācijas augstražīgu lieljaudas elektrometalurģisko iekārtu projektēšanai un to efektivitātes uzlabošanai, kā arī sekmēt tajās notiekošo fizikālo procesu labāku izpratni.