ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОДЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГОРЯЧИХ МАТЕРИАЛОВ
ELECTROMAGNETIC LIFTING DEVICE FOR HOT MATERIALS

Настоящее изобретение относится к магнитным подъемным устройствам и, в частности к электромагнитному подъемному устройству, пригодному для безопасного выполнения операций даже с ферромагнитными материалами при высоких температурах 600-700°С, такими как заготовки квадратного сечения, блюмные заготовки, слябы и сходная стальная продукция.
Известно, что самопроизвольное намагничивание ферромагнитных материалов не происходит, если температура достигает характеристического значения материала, известного как температура Кюри (СТ), которая для ферромагнитных сталей приблизительно составляет 720-770°С. Следовательно, для эффективного намагничивания ферромагнитной стали необходимо, чтобы в условиях эксплуатации ее температура была ниже характеристической СТ рассматриваемой стали. Фактически, увеличение температуры ферромагнитной цепи соответствует уменьшению ее относительной магнитной проницаемости, которая уменьшается до нуля по достижении СТ, в результате чего магнитное сопротивлении цепи стремится к бесконечности и, соответственно, магнитная индукция и подъемная сила стремятся к нулю.
Колебания магнитной проницаемости и, соответственно, подъемной силы электромагнита, который должен перемещать горячие ферромагнитные материалы, являются значительными, в частности, в диапазоне температур 600-700°С, где магнитная проницаемость уменьшается приблизительно на 75-40%, и подъемная сила уменьшается приблизительно на 55-18% (по сравнению со значениями при комнатной температуре).
Электромагнит известного типа для применений в сталелитейной промышленности имеет общую конструкцию, показанную на фиг. 1, с ярмом, выполненным из мягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и образованным горизонтальным сердечником а и двумя вертикальными полюсами b. Вокруг сердечника а обернут контейнер с, содержащий катушки d, которые создают в электромагните магнитодвижущую силу и одновременно генерируют тепло благодаря эффекту Джоуля. Перегородка е из немагнитного материала, как правило, из нержавеющей стали, защищает дно контейнера от воздействия тепла, излучаемого горячим материалом f, подлежащим перемещению, при этом также используется слой g изолирующей смолы, обычно толщиной 7-10 мм.
Часть этого тепла за счет эффекта Джоуля и тепла, получаемого посредством излучения и кондуктивной теплопередачи от горячего материала f, подлежащего перемещению, рассеивается через стенки верхней части контейнера с, содержащего катушки, причем электромагнит, имеющий такую конструкцию, может функционировать только в течение ограниченного времени. Фактически, тепло в течение нескольких часов действия катушек d доводит температуру до значения выше 200°С, поэтому подъемное устройство должно быть остановлено и подвергнуто охлаждению во избежание значительного повреждения катушек и/или изолирующей смолы, которая окружает их внутри контейнера с.
Следовательно, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить электромагнитное подъемное устройство, которое устраняет вышеуказанные недостатки. Эта задача решается с помощью электромагнитного подъемного устройства, снабженного проставками между контейнером с катушками и ярмом, а также немагнитной перегородкой, расположенной на некотором расстоянии от вышеуказанного контейнера, для создания конвективных воздушных потоков, охватывающих все наружные стенки контейнера, тем самым, уменьшая нагрев катушек, когда подъемное устройство выполняет операции с материалами, имеющими высокую температуру вплоть до 600-700°С. Другие преимущественные отличительные признаки перечислены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Таким образом, основное преимущество настоящего подъемного устройства состоит в его способности безопасно функционировать без ограничения по времени, поскольку температура катушек постоянно остается ниже 180°С при условии, что тепло от горячего материала, подлежащего подъему, передается посредством кондуктивной теплопередачи на ярмо электромагнита, но проходит к контейнеру с катушками, по существу, только посредством конвекционного режима. Эта ограниченная передача тепла в сочетании с улучшенным охлаждением контейнера позволяет поддерживать катушки в температурном диапазоне, в котором отсутствует риск повреждения и, следовательно, отсутствует необходимость останова подъемного устройства с целью его последующего охлаждения.
Другим важным преимуществом подъемного устройства по настоящему изобретению является гарантированная максимальная безопасность эксплуатации, обеспечиваемая в предпочтительном варианте выполнения наличием катушек управления, которые обнаруживают связанный магнитный поток и, следовательно, величину подъемной силы с целью соответствия стандартам безопасности.
Другие преимущества и отличительные признаки подъемного устройства по настоящему изобретению станут понятными специалистам в этой области из приведенного ниже подробного описания трех вариантов выполнения изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1 - вид в разрезе подъемного устройства по существующему уровню техники;
фиг. 2 - перспективный вид сверху первого варианта выполнения подъемного устройства по изобретению;
фиг. 3 - вид в разрезе подъемного устройства, показанного на фиг. 2;
фиг. 4 - частичный перспективный вид в разрезе из фиг. 3 также с разрезом в продольном направлении по срединной плоскости;
фиг. 5 - схематичный вид сбоку второго варианта выполнения подъемного устройства;
фиг. 6 - схематичный вид спереди подъемного устройства, показанного на фиг. 5;
фиг. 7 - схематичный увеличенный вид контейнера для катушек по третьему варианту выполнения подъемного устройства; и
фиг. 8 - схематичный вид в разрезе контейнера, показанного на фиг. 7.
Со ссылкой на фиг. 2-4 видно, что электромагнитное подъемное устройство по настоящему изобретению имеет в известном смысле конструкцию, сходную с конструкцией, показанной на фиг. 1, с ферромагнитным ярмом в форме перевернутой U, составленным из горизонтального сердечника 1 и двух вертикальных полюсов 2, 2', снабженных соединителями 3 для крепления к подъемному средству (например, крану), а также подъемными катушками 4, намотанными вокруг вышеуказанного сердечника 1 и помещенными в герметичный контейнер 5. Как это очевидно, ярмо выполнено из материалов с высокой магнитной проницаемостью, а именно, из мягкой углеродистой стали, для сведения к минимуму магнитного сопротивления магнитной цепи.
Первый аспект новизны этого подъемного устройства состоит в том, что немагнитная перегородка 6, предпочтительно из нержавеющей стали AISI 316L, предназначенная для защиты контейнера 5 от воздействия тепла, излучаемого горячим материалом МС, подлежащим перемещению, расположена между полюсами 2, 2' на определенном расстоянии от контейнера 5, а не примыкает к нему, как в существующих подъемных устройствах, при этом в пространстве между указанными элементами 5, 6 отсутствует изоляционная смола, и расстояние между указанными элементами 5, 6 преимущественно составляет по меньшей мере 30 мм. Таким, образом, между перегородкой 6 и нижней стенкой контейнера 5 образован канал для прохождения воздуха, который вызывает генерирование конвективного потока между горячими полюсами 2, 2', так чтобы окружающий воздух способствовал охлаждению контейнера 5 и ограничивал нагрев катушек 4.
Второй аспект новизны этого подъемного устройства состоит в наличии боковых проставок 7 и верхних проставок 8, которые удерживают контейнер 5 на удалении, соответственно, от полюсов 2, 2' и от сердечника 1. Эти проставки 7, 8 предпочтительно имеют такие размеры, что пространство между контейнером 5 и ферромагнитным ярмом составляет 10-25 мм, более предпочтительно 14-20 мм.
Таким образом, прохождение тепла между ферромагнитным ярмом и контейнером с катушками происходит, по существу, только в результате конвекции, а не за счет кондукции, как в существующих подъемных устройствах, и воздух может циркулировать вокруг всех стенок контейнера 5, тем самым, улучшая его охлаждение.
Для сведения к минимуму эффекта "теплового мостика» применительно к проставкам 7, 8, они предпочтительно изготавливаются из теплоизоляционного материала, например из стеклокерамического волокна, и имеют минимально возможное сечение. В частности, в показанном варианте выполнения боковые проставки 7 имеют форму колец соответствующей высоты, но уменьшенной толщины, вставленных в соответствующие гнезда, образованные в боковых стенках контейнера 5, в то время как верхние проставки 8 имеют форму прямоугольных стержней, которые проходят между полюсами 2, 2' и прикреплены к ним с помощью винтов 9.
Следует принять во внимание, что другие проставки, сходные с верхними проставками 8, также могут быть расположены ниже сердечника 1, но они были бы менее полезными, поскольку достаточно, чтобы внутреннее кольцо контейнера 5 было в достаточной степени выше сердечника 1, при условии, что опора на проставки 8 и давление, оказываемое боковыми проставками 7, уже обеспечивают позиционирование контейнера 5. Следовательно, более преимущественно, чтобы под сердечником 1, где температура выше, чем над сердечником, не было расположено никаких нижних проставок, которые образовывали бы дополнительные тепловые мостики и препятствовали прохождения воздуха, который поднимается вдоль боковых сторон контейнера 5, благодаря пространству, образованному проставками 7.
На фиг. 2-4 также показано, как полюса 2, 2' предпочтительно крепятся с возможностью удаления к сердечнику, например, с помощью винтов 10, с целью облегчения возможного технического обслуживания или замены элементов 4-7, помещенных в ферромагнитное ярмо. Это решение также является преимущественным применительно к производству и сборке электромагнита с двумя идентичными полюсами 2, 2', однако ясно, что для обеспечения легкого доступа к элементам 4-7 достаточно, чтобы по меньшей мере один из полюсов 2, 2' был съемным, в то время как другой может быть выполнен как одно целое с сердечником 1.
Третий аспект новизны подъемного устройства по настоящему изобретению в предпочтительном варианте выполнения, показанном на фигурах, состоит в наличии системы управления, которая обеспечивает безопасное транспортирование материала, подлежащего перемещению, предпочтительно системы такого типа, как описано в документе ЕР 2176871, содержание которого включено сюда посредством ссылки. Эта система содержит пару катушек 11, 11' управления, предназначенных для обнаружения связанного магнитного потока, генерируемого подъемными катушками 4, который проходит в ферромагнитное ярмо и распространяется для замыкания контура в материале, подлежащем подъему. Каждая катушка 11, 11' соединена с соответствующим аналого-цифровым преобразователем, который направляет цифровые данные в блок управления, который выдает разрешение или запрет на транспортирование, эти элементы на фигурах не показаны.
Следует отметить, что катушки 11, 11' управления предпочтительно монтируются на боковых сторонах контейнера 5 рядом с сердечником 1, поскольку в этой области их проще защитить от воздействия механических и термических напряжений, однако эти катушки также могут быть помещены в симметричном положении вдоль полюсов 2, 2' соответственно. В показанном положении катушки 11, 11' управления также считывают часть утечки потока с боковых сторон, значение этой утечки не является критическим, поскольку действующее значение отслеживается посредством алгоритмов, упомянутых в вышеуказанной патентной заявке.
Эта система позволяет обрабатывать алгоритмы, способные указывать с высокой точностью подъемную силу электромагнита на основании значения обнаруживаемого связанного магнитного потока. Это обеспечивает полную безопасность во время маневра при подъеме и транспортировании груза посредством слежения за тем, что уменьшение магнитной проницаемости ферромагнитной цепи подъемного устройства и, в частности, горячего материала МС все же позволяет подъемному устройству соответствовать коэффициенту надежности при подъеме по стандарту EN 13155 (или сходному стандарту, используемому в других странах). В ином случае выдается аварийный сигнал, и операция подъема блокируется посредством возвращения груза на исходное место.
В добавление к подъемной силе электромагнита система управления также обнаруживает динамические аспекты, описанные в ЕР 2176871, с дисбалансом между полюсами 2 и 2' или излишним динамизмом материала в случае перемещения пакетов металлических листов небольшой толщины с зазорами, открывающимися между листами после начала подъема.
В случае перемещения ряда заготовок квадратного сечения, блюмов и т.д., занимающих только часть подъемной поверхности электромагнита, можно вводить определенные алгоритмы, которые принимают в расчет количество и положение поднимаемых элементов. Это осуществляется посредством использования боковых датчиков, таких как датчики, показанные во втором варианте выполнения на фиг. 5 и 6, где по меньшей мере на одном из полюсов 2, 2' расположены датчики 12, 12' и т.д. (оптические, лазерные, инфракрасные датчики и т.д.), пригодные для обнаружения количества и положения заготовок В квадратного сечения. В дальнейшем эти данные передаются в блок управления, который соответственно выбирает алгоритм, который должен использоваться при расчете в случае автоматизированных погрузочно-разгрузочных операций, или оператор выбирает алгоритм, и датчики 12, 12' подтверждают точность выбора (количество датчиков и алгоритмов зависит от количества заготовок квадратного сечения, которое может быть поднято, например, два для 8 заготовок квадратного сечения, три для 12 заготовок квадратного сечения и т.д.).
Таким образом, допустимая погрешность в считывании используемого связанного магнитного потока уменьшается, поскольку, хотя в случае ряда заготовок В квадратного сечения, занимающих всю подъемную поверхность, поток, связанный с катушками управления (не показаны), практически соответствует используемому потоку, связанному с грузом, в случае неполного ряда, как показано на фиг. 5, поток, связанный с катушками управления, больше по величине, чем используемый поток, но при соответствующем алгоритме допустимая погрешность уменьшается.
Следовательно, электромагнитное подъемное устройство, спроектированное и функционирующее подобным образом, может безопасно перемещать такие материалы, как заготовки квадратного сечения, блюмы, слябы и т.д. при температуре 600-700°С и пригодно для выполнения циклов разгрузки охлаждающих плит, расположенных на выходе стана горячей прокатки вышеуказанных продуктов в сталелитейном цехе.
Следующая компоновка, которая предпочтительно применяется в подъемном устройстве по настоящему изобретению, состоит в применении разных материалов для изолирования катушек 4, помещенных внутри герметичного контейнера 5. В обычном подъемном устройстве пространство между катушками и контейнером заполняется материалом, который обеспечивает как тепловую, так и электрическую изоляцию, т.е. теплоизоляционным материалом с высокой диэлектрической прочностью, таким как стеклокерамическое волокно. В настоящем подъемном устройстве такой материал используется только в той части контейнера 5, которая помещена между полюсами 2, 2', где катушки 4 могут получать тепло от ферромагнитного ярма и груза в виде горячего материала МС, в то время как в той части контейнера 5, которая находится выше ярма, предпочтительно использовать смолы, которые являются электроизолирующими, но обладают надлежащей теплопроводностью, например, силиконовые или эпоксидные смолы с добавлением кварцевого порошка для увеличения передачи наружу тепла, выделяемого вследствие эффекта Джоуля.
По третьему варианту выполнения настоящего подъемного устройства, показанному на фиг. 7 и 8, предусмотрен контейнер 5, который не является герметичным и сообщается с окружающей средой через решетки с отверстиями 13 (четыре решетки в показанном примере), образованными в верхней стенке контейнера 5. Предпочтительно, также используется лабиринтная система для предотвращения контакта между катушками 4 внутри контейнера 5 и водой или посторонними предметами, которые могут проходить через отверстия 13. Эта система реализуется с помощью вытяжных труб 14, расположенных возле отверстий 13 и содержащих боковые отверстия 15 и крышки 16, которые закрывают отверстия 15, но расположены на некотором расстоянии от них.
Эта конструкция обеспечивает воздухообмен внутри контейнера 5 во время эксплуатации во избежание образования конденсата, поэтому необязательно размещать изолирующий материал между катушками 4 и стенками контейнера 5, поскольку воздух, если он не имеет высокое содержание влаги, уже сам по себе является хорошим тепловым и электрическим изолятором. В этом случае катушки изолируются снаружи и внутри только с помощью распыления краски с влагонепроницаемым продуктом, например, полимочевины или других эквивалентных смол, который обеспечивает надлежащую стойкость к воздействию химических веществ и коррозии.
И, наконец, следует отметить, что для улучшения прохождения воздуха через этот электромагнит предпочтительно, чтобы электромагнит не содержал никаких крышек или был снабжен решетчатыми крышками 17, которые предназначены только для механической защиты (фиг. 2-4).
Благодаря вышеописанным инновационным характеристикам настоящее подъемное устройство помимо перемещения материала при температурах 600-700°С и достижения на полюсах 2,2' температуры 650°С в зоне захвата и 350°С вблизи сердечника 1, который достигает температуры 300-350°С, будет поддерживать постоянную рабочую температуру в системе катушек 4 до значений ниже 180°С, пригодную для безопасной работы с точки зрения электрических свойств.
Ясно, что варианты выполнения подъемного устройства вышеописанного изобретения являются только примерами, допускающими различные модификации. В частности, точное количество, форма и компоновка магнитных полюсов могут варьироваться в зависимости от конкретного применения, например, посредством получения двухполюсного, трехполюсного, четырехполюсного подъемного устройства и т.д. с двумя или более магнитными диполями вместо только одного магнитного диполя, как показано в настоящих вариантах выполнения.