Improving energy efficiency and environmental friendliness of foundries by introducing EM stirrers into the aluminum industry

Specialists at the Scientific and Production Center of Magnetic Hydrodynamics (RPC MHD) completed a series of research and development projects united by a common goal: efficiency and reliability increasing of technology and equipment for liquid metals electromagnetic stirring in large-scale industrial furnaces, as well as enhancing the operational capabilities of the technical systems based on them.

В современном металлургическом производстве качество продукции и совокупная эффективность всех процессов играют ключевую роль.

Одним из важных аспектов плавильно-литейного производства является равномерное распределение температуры и химического состава расплавленного металла. В этом контексте электромагнитные перемешиватели металла представляют собой высокотехнологичное решение, способствующее значительному преобразованию существующих производственные линий, которое уже нашло широкое применение в металлургической промышленности. Данной оборудование в отечественной металлургии принято называть магнитогидродинамические перемешиватели (МГД-перемешиватель или МГДП), а в международном формате Electromagnetic stirrers (EMS). Компания ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики», расположенная в г. Красноярска, является известным и общепризнанным лидером производства данного оборудования на мировой арене. Коллектив инженеров и ученых компании является носителем уникальных знаний, компетенций и опыта в области разработки, производства, эксплуатации и внедрения оборудования такого типа. Этот опыт являются результатом успешного синтеза современных математических моделей и подходов к исследованию данных процессов, проработанных конструкторских и технических решений, решений в области автоматизации и силовой электроники, лучших практик эксплуатации металлургического оборудования, «Know how» и различных запатентованных решений. Более 120 комплексов МГДП компании установлено на заводах алюминиевой промышленности в Красноярске, Саяногорске, Иркутске, Новокузнецке, Братске, Тайшете, Богучанах, Кандалакше, а также более 60 комплексов на крупных алюминиевых заводах мира.

Наиболее общим назначением электромагнитных перемешивателей является обеспечение равномерного распределения химических элементов и снижение температурных градиентов в объёме расплава в ванне печи. Принцип их работы основан на создании бегущего или вращающегося электромагнитного поля, которое воздействует на расплавленный металл, вызывая его движение и перемешивание. Это также способствует более эффективному теплообмену, что ускоряет процесс плавки и снижает результирующие затраты энергии.

Основными преимуществами применения электромагнитных перемешивателей принято считать: улучшение качества продукции за счёт предотвращения образования неоднородностей и дефектов; оптимизацию процесса плавки; предотвращение ликвации — неравномерного распределения химических элементов в сплаве; увеличение производительности; снижение затрат на энергию и повышение общей эффективности производства.

МГД-перемешиватели устанавливаются в различных частях металлургической печи, в зависимости от требований процесса и особенностей конструкции печи. Чаще всего МГД-перемешиватели подразделяются на две группы: боковой установки для стационарных отражательных печей и донной установки для поворотных отражательных печей. Наиболее современным оборудованием считаются поворотные печи и, в настоящее время, наблюдается тенденция образования каскада плавильных и накопительных печей в пределах одного литейного агрегата с последовательным выполнением операций перемешивания. Это делает целесообразным разработку адаптированных подъемно-транспортных машин (ПТМ) с интегрированной системой вентиляции, способных обеспечить регулярное надежное перемещение индуктора МГДП между печами в соответствующих стадиях.

Подъемно-транспортная машина с электрическим приводов

При этом перемещение требуется осуществлять под печами в условиях повышенной запыленности и учесть потребности оборудования в воздушном охлаждении, которое должно быть интегрировано в ПТМ. Вместе с тем, одной из сильных сторон технологии электромагнитного перемешивания металла являются широкие возможности по контролю и управлению, как непосредственно параметров индуктора, так и комплекса в целом.

Внедрение электромагнитных перемешивателей оказывает значительное влияние на производственные процессы в металлургии. Во-первых, они способствуют повышению однородности расплава, что критически важно для получения высококачественных металлических изделий. Во-вторых, ускоряя процесс плавки и улучшая распределение химических элементов, эти устройства помогают сократить время производства и повысить производительность печей. Кроме того, электромагнитные перемешиватели способствуют снижению количества отходов и повышению энергоэффективности. Равномерное распределение тепла и химических элементов уменьшает вероятность образования нежелательных примесей и дефектов, что, в свою очередь, снижает необходимость повторной переработки или дополнительной обработки металла.

Программируемые «рецепты» перемешивания расплавов:
1 – автоматическое управление мощностью, 2-4 – список режимов, 5 – настройки реверсирования, 6 – параметры режимов (синус/импульс, параметры импульсов (крутизна фронта ~ ударные воздействия), направления и интенсивность, электротехнические параметры)

В Сибирском федеральном округе производится до 6% мирового алюминия, что составляет порядка 4 млн. тонн в год. Из них более 1 млн. тонн в год производится только в г. Красноярске. Наибольшая часть объема жидкого металла, поступающего с электролизных цехов предприятий, проходит через раздаточные печи в составе литейных агрегатов. При этом в данных печах, как правило, выполняются технологические операции, связанные с приготовлением сплавов. Из-за необходимых конструктивных особенностей таких печей происходит вынужденный перегрев внутреннего пространства, сопровождающийся интенсивным образованием оксида алюминия и дополнительным энергетическими затратами. Известно, что применение технологии МГД-перемешивания расплава позволяет обеспечить снижение энергетических затрат на 5-15%, увеличить производительность на 10-20% и снизить окислообразование со 120 до 40 г/ч на 1 тонну алюминия в пределах цикла выдержки.

Таким образом, электромагнитные перемешиватели являются важным инструментом для обеспечения высокого качества металлических изделий и повышения эффективности металлургического производства. Их внедрение позволяет не только улучшить качество продукции, но и оптимизировать производственные процессы, способствуя развитию металлургической отрасли в целом. Применение электромагнитных перемешивателей открывает новые перспективы для металлургических предприятий, позволяя им достигать более высоких стандартов качества и производительности.

С учетом одновременного присутствия на территории Красноярского края крупнейших производителей алюминия в мире и ведущей научной школы в области прикладной магнитной гидродинамики, задача развития технологий и оборудования электромагнитного перемешивания металла является актуальной и востребованной для региона.

Модернизированный 3-фазный комплекс МГД-перемешивания 

В настоящий момент развитие данного направления и модернизация оборудования МГДП обеспечено за счет решения следующих задач:

• теоретическое исследование и анализ конструктивных и энергетических параметров индуктора МГД-перемешивателя на предмет снижения массогабаритных показателей и повышения эффективности преобразования энергии магнитного поля в кинетическую энергию движение жидкого металла;
• выработка технических решений и разработка конструкторской документации на опытно-промышленный образец индуктора, его производство для дальнейшей опытной эксплуатации в промышленных условиях;
• выработка технических решений и разработка конструкторской документации на опытно-промышленную подъемного-транспортную машину, адаптированную к предложенным разновидностям индукторов МГДП, ее производство для дальнейшей опытной эксплуатации в промышленных условиях;
• разработка новых принципов управления, контроля и диагностика параметров комплекса электромагнитного перемешивания расплава, направленных на повышение технологичности, надежности и энергетической эффективности, и их реализация в рамках создания и изготовления источника питания;
• разработка системы воздушного охлаждения, учитывающей существующие проблемы эксплуатации оборудования данного типа.

Автор: Хацаюк М.Ю. (mkhatsayuk@mhd.center)

ЛИТЕРАТУРА

1. Timofeev, V.N. Analytical analysis of electromagnetic processes in system "MHD stirrer - bath with melt" / V.N. Timofeev, M.Yu. Khatsayuk, A.I. Aliferov // Applied Mechanics and Materials. – 2015. –  P. 468-475 (URL: https://www.scientific.net/AMM.792.468)
2. Тимофеев, В.Н. Аналитический расчет дифференциальных и интегральных электромагнитных характеристик МГД перемешивателя / В.Н. Тимофеев, М.Ю. Хацаюк, М.А. Еремин // VII Международный Конгресс «Цветные металлы и минералы». – Красноярск. – 2015. –  C. 1180-1188 ISBN 978-5-85981-344-5 (URL: https://nfmsib.ru/arhiv-publikatsij/).
3. Timofeev, V.N. Transverse Edge Effect in MHD-Stirrers for Liquid Metals / V.N. Timofeev, M.Yu. Khatsayuk, M.A. Eremin // Advanced Engineering Forum. – 2016. –  P. 66-76 (URL: https://www.scientific.net/AEF.17.66).
4. Тимофеев, В.Н. Анализ электромагнитных процессов магнитогидродинамического перемешивания жидких металлов / В.Н. Тимофеев, М.Ю. Хацаюк // Электричество. – 2017. – №1. –  C. 35-44 (URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=27657391).
5. Тимофеев, В.Н. Аналитический расчет дифференциальных и интегральных электромагнитных характеристик МГД-перемешивателя / В.Н. Тимофеев, М.Ю. Хацаюк // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. – 2017. – №1. –  C. 74-84 (URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=28384757).
6. Тимофеев, В.Н. Расширенная аналитическая модель МГД-перемешивателя / В.Н. Тимофеев, М.Ю. Хацаюк, А.А. Максимов // Электрометаллургия. – 2017. – №10. –  C. 28-38 (URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=30297508).
7. Timofeev, V.N. Analysis of the transverse end effect in the MHD stirrer for molten metals / V.N. Timofeev, M.Yu. Khatsayuk, S.P. Timofeev // Magnetohydrodynamics. – 2017. – №3. –  P. 521-536 (URL: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85033694240&origin=resultslist&sort=plf-f&src=s&sid=4322e7de242b3db388f38d3e233a59a0&sot=autdocs&sdt=autdocs&sl=18&s=AU-ID%2856604238300%29&relpos=4&citeCnt=1&searchTerm=).
8. Тимофеев, В.Н. Поперечный краевой эффект в МГД-перемешивателе жидкого металла / В.Н. Тимофеев, М.Ю. Хацаюк // IX Международный конгресс «Цветные металлы и минералы». – Красноярск. – 2017. –  C. 682-696 ISBN 978-5-906314-69-7 (URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=30544365).
9. Хацаюк, М.Ю. Теория и моделирование магнитогидродинамических процессов в электротехнологических комплексах металлургического назначения / М.Ю. Хацаюк // Дис. ... д-ра техн. наук: 05.09.10. – Санкт-петербург: СПбГЭТУ «ЛЭТИ». – 2019. – 338  с. (URL: https://etu.ru/ru/nauchnaya-i-innovacionnaya-deyatelnost/podgotovka-kadrov-vysshey-kvalifikacii/obyavleniya-o-zashitah-doktorskih-i-kandidatskih-dissertaciy/zashhity-doktorskih-i-kandidatskih-dissertacij-v-2020-godu).
10. Khatsayuk, M.Yu. Magnetohydrodynamic stirring for aluminium alloy production / M.Yu. Khatsayuk // Magnetohydrodynamics. – 2020. – №1. –  P. 51-72 (URL: http://mhd.sal.lv/contents/2021/1/MG.57.1.5.R.html).
11. Патент РФ №1809507 Кл. H02K41/025. Индуктор линейной индукционной машины, опубл. 15.04.1993г. БИ №14.
12. Патент РФ №118485 Кл. H02K41/025. Индуктор линейной индукционной машины, опубл. 20.07.2012 г. БИ №20.
13. Патент РФ №109615 Кл. H02K41/025. Индуктор линейной индукционной машины, опубл. 20.10 2011 г. БИ №29.
14. Максимов, А.А. Анализ влияния нормальной составляющей электромагнитных сил в процессе МГД-перемешивания расплава / А.А. Максимов, М.Ю. Хацаюк, В.Н. Тимофеев // Технология легких сплавов. – 2018. – №4. –  C. 106-112 (URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=37072961).