«Революция» в магнитостроении, или сколько стоит
«дырка от бублика» 

Ломозаготовителям повезло. За последние несколько лет предложение на рынке грузоподъемных электромагнитов, предназначенных для транспортировки металлолома, выросло в несколько раз. В дополнение к трем типам круглых магнитов с медным проводом, выпускаемых ранее в СССР (М22 диаметром 780 мм, М42 Æ1170 мм, М62 Æ1650 мм), на рынке предлагаются электромагниты диаметров 800, 1200, 1400, 1700 и 2000 мм. Магниты выпускаются с медными и алюминиевыми катушками. Вдобавок в 2005 году ООО «Димет-М» первым в России начало производство супертяжелых электромагнитов диаметром 2300 мм массой до 7,5 т, которые превосходят по грузоподъемности электромагниты типа М62 в 3-4 раза, а также электромагниты диаметром 1300, 1550 и 1800 мм.

Однако, если большое предложение электромагнитов является безусловным плюсом для потребителя, достоверность заявленных на них технических характеристик оставляет желать лучшего. Если грузоподъемность на толстой плите (отрывное усилие) более-менее легко можно проверить, то грузоподъемность по скрапу и стружке проверить трудно. Это связано с непостоянной насыпной плотностью металлолома (скрапа), из-за чего возникают трудности при сравнительных испытаниях электромагнитов. Поэтому высокая грузоподъемность по скрапу часто является плодом безудержной фантазии отделов маркетинга соответствующих фирм. Ведь при желании можно подобрать даже такой «скрап», который по своим свойствам мало чем будет отличаться от сплошной плиты. Вряд ли случайно в прайс-листах многих российских производителей не указывается конкретная марка скрапа по ГОСТ.

В то же время за внешне объективным показателем грузоподъемности по плите (отрывному усилию) тоже скрывается немало возможностей для «честного» обмана потребителя. Добросовестные производители изготавливают электромагниты, сбалансированные по содержанию провода и железа. При испытании таких магнитов на отрыв от плиты усилия не будут слишком велики, так как магнитная проводимость железа в них в этом случае находится в насыщении. Например, типовой электромагнит М42 имеет грузоподъемность на плите 16,5 т, электромагнит М62—20 т, М22—6 т. Напротив, при работе со скрапом железо типового магнита в насыщение не входит из-за высокого магнитного сопротивления скрапа. Это правильный подход. Нет никакого смысла значительно повышать отрывное усилие, так как краны, на которых эксплуатируются магниты, имеют грузоподъемность намного ниже, чем их отрывные усилия. Например, для работы с магнитом М42 чаще всего используется кран ГПК-5 грузоподъемностью 5 т, для работы с электромагнитом М62 — мостовые краны грузоподъемностью 10 и 16 т. Крайне редко в России на перегрузке лома можно увидеть краны грузоподъемностью свыше 30 т. Для этих кранов оптимальными будут магниты диаметром 2300 мм и более, в крайнем случае 2000 мм с отрывными усилиями свыше 70 т. Например, по информации наших клиентов, в порту Страсбурга 2 магнита диаметром 2300 мм перегружают 1 млн. тонн металлолома в год.

Нет ничего проще сделать, чем увеличить отрывное усилие магнита. Для этого в нем нужно изменить баланс между количеством провода и железа. Элементарные расчеты показывают, что, например, у магнита диаметром 1650 мм отрывное усилие может быть близким к 100 т. При этом провода в такой «супермагнит» можно намотать значительно меньше, чем в аналогичный типовой магнит М62, в котором при массе магнита 3300 кг содержится 1260 кг меди. Однако грузоподъемность по скрапу и стружке у такого «стотонного» электромагнита будет, увы, значительно меньше, чем у типового М62.

Не углубляясь в дебри высокой теории, можно сказать, что грузоподъемность по скрапу зависит от следующего:

  1. Чем больше расстояние между полюсами магнита, тем больше грузоподъемность по скрапу. В сбалансированном магните объем захватываемого скрапа  примерно равен  объему полусферы с диаметром D, равным диаметру магнита. Если во внутреннем полюсе магнита есть отверстие, то с увеличением диаметра отверстия от нуля до близкого к наружному диаметру D, объем скрапа будет меняться от объема полусферы до объема половинки тора (бублика) с внутренним диаметром тора d, равным расстоянию между полюсами (Рис. 1). Зная насыпную плотность металлолома (от 0,6 до 3,2 т/м3), потребитель в состоянии самостоятельно определить, сколько и какого скрапа (стружки) в состоянии поднять сбалансированный электромагнит заданного диаметра.
  2. Чем больше напряженность магнитного поля, определяемая ампервитками, тем больше грузоподъемность по скрапу. Если напряженность магнитного поля слишком мала, металлолом не заполнит объем нижней полусферы, а сгруппируется у центрального полюса. Если напряженность слишком велика, грузоподъемность сильно не увеличится из-за того, что железо магнита и скрапа войдут в насыщение. При этом напряженность магнитного поля, как правило, пропорциональна количеству  и качеству провода (меди или алюминия) и заданной плотности тока.
  3. Чем меньше магнитное сопротивление магнитопровода, тем больше грузоподъемность магнита. При этом магнитное сопротивление, как правило, пропорционально массе железа. Однако, при заданных размерах магнита, нельзя увеличивать массу железа, не уменьшая массу провода. Провод и железо должны быть сбалансированы.

В конечном счете, грузоподъемность магнита по скрапу примерно равна 30% от массы магнита с медной катушкой и 40% от массы магнита с алюминиевой катушкой. Указанные соотношения справедливы для правильно спроектированных магнитов, в которых соотношение массы провода к общей массе близко к (1/3¸1/4) для магнита с медной катушкой, и (1/5¸1/6) – для магнита с алюминиевой катушкой. Уменьшение указанных соотношений ведет к уменьшению относительной грузоподъемности по скрапу, увеличение – к некоторому росту.

В сущности, приведенные выше рассуждения не являются чем-либо новым и известны любому человеку, окончившему курс средней школы.

Поэтому квалифицированный потребитель может по достоинству оценить предлагаемые некоторыми производителями «революционные» и «принципиально новые» электромагниты с фантастически малым количеством провода и с фантастически огромной заявляемой грузоподъемностью. Внешним признаком таких магнитов является большое отверстие в центре. Кроме того, сила тока у таких магнитов снижена по сравнению с типовыми магнитами примерно на 30%, снижена масса магнитов. Поэтому в такие магниты  закладывается примерно вдвое меньше провода, чем по сравнению с типовыми магнитами. Таким образом, эти производители рассчитывают на получение сверхприбыли за счет потребителей. Как указано выше, отрывное усилие магнита нетрудно поднять в 2 раза, например, снизив в 2 раза массу провода и снизив в 4 раза магнитное сопротивление магнитопровода. Магнитное сопротивление снизится в 4 раза за счет выхода из зоны насыщения и увеличения сечения железа, а также уменьшения длины силовых линий. При этом напряженность магнитного поля в промежутке между полюсами сильно не изменится, но будет резко падать в глубину. На захват сплошной плиты мелкое магнитное поле не дает отрицательного влияния. Этот прием давно используется при изготовлении прямоугольных магнитов, как раз предназначенных для захвата сплошных грузов (плит, слябов). Здесь нет никакого фокуса.

Фокус начинается тогда, когда производитель пропорционально увеличению отрывного усилия начинает увеличивать в своих прайсах грузоподъемность по скрапу и стружке. Это неправомерно, так как при уменьшении напряженности магнитного поля в глубине примерно в 2 раза и при уменьшении расстояния между полюсами примерно на 20% грузоподъемность по скрапу должна не увеличиться, а упасть примерно на 30-40% по сравнению со сбалансированными традиционными магнитами такого же диаметра, потому что уменьшение магнитного сопротивления магнитопровода не может скомпенсировать падение грузоподъемности из-за большого магнитного сопротивления скрапа и меньшей глубины магнитного поля.

Потребитель также должен обращать внимание на конструктивное оформление магнитов. Магнит частенько работает как большая кувалда. Поэтому литые корпуса магнитов имеют усиление на наружном полюсе. Толщина наружного полюса литого магнита составляет 50-100 мм. В сварных корпусах такое усиление можно увидеть далеко не всегда. У некоторых производителей толщина наружного полюса составляет всего 20 мм. При интенсивной эксплуатации такой магнит не протянет и года из-за износа и ударов наружного полюса о скрап, а на горячих грузах износ может превысить допустимые пределы и за месяц эксплуатации.

Важным параметром является нагрев катушки магнита во время работы. Некоторые производители, после традиционных для них заклинаний типа «запатентовано», «ноу-хау», «специальные материалы», «передовая технология», уверяют потребителей, что рабочий ток в результате нагрева при эксплуатации их супермагнитов не упадет ниже 90% от номинального тока при 20˚С, благодаря  чему магнит за смену поднимет больше груза, чем традиционный. Однако, правда состоит в том, что для начала эффективного отвода тепла разница температур между катушкой и магнитопроводом должна составлять около 100˚С, что соответствует падению тока до уровня 77% от номинального. Такая температура катушки достигается обычно за первые 2 часа работы магнита при ПВ 60%. При дальнейшем увеличении времени работы температура катушки растет медленно и достигает установившегося значения в среднем через 6-8 часов работы. Ток в установившемся режиме работы составляет 65—70% от номинального, что соответствует средней температуре катушки 130—160˚С. Потребитель должен обращать внимание не на рекламные графики, а на паспортные технические данные, где обычно указывается мощность, рассчитанная для установившегося режима работы. Она находится, как правило, в диапазоне 65—70% от мощности холодного магнита.

Следует отметить, что при повышении режима работы ПВ до 75%, нагрев должен еще больше увеличиться, это нужно учитывать и принимать меры для более эффективного отвода тепла и его рассеивания. Это легко осуществить в электромагнитах с литыми корпусами, применяя сильное оребрение корпуса, что практически невозможно в сварном исполнении.

С уважением, 
главный конструктор ООО "Димет-М" А.В. Воронцов