СПОСОБ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ НА РАСПЛАВ МЕТАЛЛА И ИНДУКТОР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR IMPACTING A METAL MELT BY AN ELECTROMAGNETIC FIELD AND INDUCTOR FOR IMPLEMENTATION THEREOF

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области электротехники, в частности может быть использовано в индукционных магнитогидродинамических (МГД) насосах и электромагнитных перемешивателях с бегущим магнитным полем для силового воздействия на электропроводные жидкости при их перемешивании, транспортировке по транспортным лоткам или дозировании из стационарных печей или миксеров при литье с одновременным интенсивным перемешиванием расплава, например, для очистки от загрязнений.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известны способы и устройства для транспортирования и перемешивания расплава металла. Известна низкочастотная линейная индукционная машина для воздействия бегущим магнитным полем на расплавы металлов в сталеплавильных печах (Вольдек А.И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. Л.: Энергия, 1970. –с. 152-153). Указанная машина содержит двухфазную обмотку, которая помещена на гладкой поверхности индуктора с отгибом лобовых частей на боковые поверхности сердечника, а с целью выравнивания индуктивных сопротивлений фаз число витков во 2-ой фазе берут на 25-30 % меньше, чем в 1-ой фазе. Обмотки выполнены из медных трубок и имеют водяное охлаждение. В процессе эксплуатации обмотки сердечника при питании переменным напряжением низкой частоты создают переменное бегущее магнитное поле, которое индуктирует в расплаве металла, находящегося в резервуаре, токи. Возникающие в результате взаимодействия индуктированных токов с магнитным полем электромагнитные силы действуют на расплав металла, перемешивая его.
Недостатком такого способа перемещения жидкого металла является недостаточные возможности регулирования соотношения гидравлической и тепловой мощности в объекте воздействия индуктором (расплаве), а также ограниченные технологические возможности по созданию различных режимов турбулентного перемешивания в разных точках расплава.
Известен способ дозирования жидкого металла с помощью электромагнитных сил бегущего электромагнитного поля предложенный Л. А. Верте в авторском свидетельстве СССР № 113 697. Согласно этому авторскому свидетельству, струя жидкого металла, вытекающая из плавильной емкости (аппарата или резервуара), управляется воздействием бегущего магнитного поля, наводящего в ней электромагнитные силы, которые способствуют движению металла или, наоборот, противодействуют ему, закрывая выход металла из плавильной емкости (аппарата или резервуара).
Способ по авторскому свидетельству СССР № 113 697 имеет недостаток, что выделяемая в жидком металле теплота может быть избыточна при обеспечении необходимой величины гидравлического напора, что может приводить к перегреву металла, нарушению технологического процесса приготовления и литья металлов, а, следовательно, снижению качества и браку готовых изделий. Другим риском является недостаток теплоты и застывание металла еще до точки назначения процесса транспортировки.
2
Известен способ электромагнитного рафинирования электропроводного расплава патент РФ № 2 130 502), в соответствии с которым посредством воздействия на него бегущим электромагнитным полем, достаточным для создания вращательно-поступательного движения электропроводного расплава высокой интенсивности и выделения частиц с различной удельной плотностью, воздействуют по спиральной траектории и одновременно пропускают через расплав электрический ток с плотностью не менее 10 А/мм. Воздействие электрического тока посредством электромагнитных сил усиливает разделение частиц расплава с различной удельной плотностью, концентрируя их на различных расстояниях от оси вращения и удерживая там некоторое время, необходимое для выведения примесей из расплава, обеспечивается разделение электропроводного расплава на фракции с высокой, низкой и средней удельными плотностями с последующим выведением фракций с высокой и низкой удельными плотностями из дальнейшего технологического процесса.
Недостатком описанного способа является необходимость надежного подвода электрического тока к агрессивному расплаву, что реализовать технически очень сложно и на практике не применяется.
Наиболее близким к заявленному способу электромагнитного воздействия на расплавленные металлы является способ осуществления плавного регулирования электромагнитного напора, развиваемого электромагнитным насосом, с помощью тиристорного трехфазного регулятора напряжения, описанный в книге Мищенко В.Д., Микельсон А.Э., Круминь Ю.К. «Технология электромагнитного транспортирования легких сплавов». М., – Металлургия, серия «Проблемы цветной металлургии», 1980. – 128 с., ил.
Недостатком описанного способа плавного регулирования электромагнитного напора является отсутствие возможности селективного управления напорных характеристик и активной мощности, выделяемой в расплаве, что приводит к ограниченным технологическим возможностям применения описанного устройства. При изменении напряжения, линейной токовой нагрузки, электромагнитного напора пропорционально изменяется и мощность, выделяемая в перемещаемом жидком металле, то есть они жестко связаны.
РАСРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В основу изобретения положена задача стабилизации температурного режима жидкого металла и поддержания высокого уровня турбулентного перемешивания для интенсивного протекания металлургических процессов в расплаве при электромагнитном воздействии на него индуктором бегущего магнитного поля при его перемешивании, транспортировке, управляемом истечении из стационарных миксеров и печей, запирании расплава в плавильной емкости для предотвращения течения расплава под действием силы тяжести.
Поставленная задача решается тем, что электромагнитный индуктор позволяет менять скорость бегущего электромагнитного поля вдоль активной поверхности за счет регулирования частоты токов электропитания, а также разным включением обмоток в блоке коммутации, изменяющем схему соединения на 2 и 4 пары полюсов по длине, при переключении обмотки в звезду или в треугольник, в зависимости от состояния ключей.
0
2
Включение обмоток индуктора по разным схемам, с неодинаковым числом полюсов и, следовательно, различной величиной полюсного шага, приводит не только к изменению скорости бегущего магнитного поля, но и к изменению магнитного числа Рейнольдса для индукционной машины , где: μ – магнитная проницаемость вакуума; γ – удельная электропроводность жидкометаллического рабочего тела; Vs – скорость скольжения, которая зависит, в том числе, и от частоты напряжения; τ – полюсный шаг индуктора.
Интегральное электромагнитное усилие (F), воздействующее на жидкометаллическое рабочее тело, нелинейно зависит от величины полюсного шага и имеет явно выраженный максимум в области оптимальной величины магнитного числа Рейнольдса ε. Электромагнитный напор F помимо магнитного числа Рейнольдса и полюсного шага зависит от квадрата линейной токовой нагрузки, объема металла в активной зоне индукционного устройства, а также от свойств металла и степени ослабления электромагнитной силы, обусловленной поперечным краевым эффектом.
При воздействии бегущим электромагнитным полем на расплав у стенки металлотракта плотность суммарного электрического тока будет максимальной, а на оси может достигать значений, близких к нулю, что приводит к существенной турбулентности расплава в канале и коагуляции загрязнений в шары, включающие окислы металлов, газы и неметаллические включения. Вещества с плотностью отличной от плотности алюминия или его сплава интенсивно поднимаются на поверхность расплава, откуда их удаляют вручную или специальными механизмами без участия литейщиков.
Кроме функции дозирования с заданной скоростью электромагнитный индуктор должен обеспечивать необходимый уровень выделения тепловой энергии в расплаве для компенсации его тепловых потерь и достаточный уровень турбулентного перемешивания для осуществления процессов рафинирования расплава. Количество выделенной тепловой энергии в расплаве и интенсивность перемешивания зависят от линейной токовой нагрузки в обмотках. В определенный момент времени возникает ситуация, когда линейная токовая нагрузка индуктора снижается до значений, при которых турбулентное перемешивание прекращается. В этом случае предлагается изменить добротность индуктора, ухудшив тем самым его напорные характеристики, но за счет увеличения линейной токовой нагрузки, повысить выделение активной мощности от вихревых токов в нем при сохранении первоначального напора и необходимой величины турбулентности расплава.
Рассмотрим процесс управления истечением расплава из стационарной печи. В начале литья печь полная и нужно максимальное усилие насоса для компенсации гидростатического напора расплава в печи, высотой около метра, которое обеспечивается максимальным током и высокой добротностью индуктора при оптимальной величине полюсного шага. По ходу литья, по мере уменьшения уровня расплава в печи напор индуктора уменьшается, вследствие снижения тока. В определенный момент турбулентность в расплаве исчезает, а температура падает ниже критического уровня. До наступления этого момента необходимо изменить величину полюсного шага и увеличить ток индуктора до такой величины, чтобы при заданном напоре обеспечить необходимую величину турбулентного движения (перемешивания) расплава в канале для проведения необходимых технологических операций. Иногда гидростатический напор в печи уменьшается до такой величины, что скорости расплава не хватает для качественного литья расплава и необходимо поднять напор индуктора. В этот момент необходимо обеспечить включение схемы с оптимальным полюсным шагом и добротностью индуктора и поднять его литейную токовую нагрузку. Таким образом, в процессе литья схема подключения индуктора может изменяться дважды.
Для других применений устройства, подобный способ управления режимами позволяет повысить технологические возможности индуктора в зависимости от необходимой величины турбулентности расплава, сообразно технологии приготовления сплавов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 – общий вид индукционного МГД-устройства, размещенного в лёточном пространстве стенки миксера;
Фиг. 2 – применение плоского индукционного МГД-устройства для перемешивания расплава в емкости;
Фиг. 3 – общий вид цилиндрического индукционного МГД-устройства предназначенного для перекачивания расплава;
Фиг. 4 – общий вид плоского индукционного МГД-устройства предназначенного для перемешивания расплава;
Фиг. 5 – схема электрическая принципиальная включения трехфазного МГД-устройства с шестью обмоточными группами по варианту треугольника;
Фиг. 6 – схема электрическая принципиальная включения трехфазного МГД-устройства с шестью обмоточными группами, подключенными к инвертору через блок коммутации (БК) по варианту треугольника;
Фиг. 7 – схема электрическая принципиальная включения трехфазного МГД-устройства с шестью обмоточными группами по варианту звезды;
Фиг. 8 – схема электрическая принципиальная включения трехфазного МГД-устройства с шестью обмоточными группами, подключенными к инвертору через блок коммутации (БК) по варианту звезды;
Фиг. 9 – схема подключения индукционного МГД-устройства с блоком коммутации к многофазному инвертору.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
МГД-устройство для перемешивания или транспортирования высокотемпературного расплава из стационарной печи содержит шестизонную обмотку, подключенную к многофазному источнику через блок коммутации (БК). Индуктор электромагнитного устройства (1) устанавливают в леточное пространство в стенке стационарной печи (2) (на фиг. 1 условно не показана) внутри чугунной летки (3), к которой стыкуется участок лотка (4) для транспортировки расплава от печи до литейной машины. Для защиты индуктора электромагнитного устройства (1) от расплава алюминия используют футеровку по ходу движения заднего леточного камня (5), теплоизоляционной трубки (6) и переднего леточного камня (7). Индуктор электромагнитного устройства (1) подключают электрическими кабелями к многофазному источнику питания (ИП) (8) через блок коммутации (БК) (9).
Электромагнитное устройство (10) для воздействия на расплав (11) в стационарной печи (12) содержит шестизонную обмотку (13), подключеную к многофазному источнику питания (8) через блок коммутации (БК) (9) с помощью силовых кабелей (14).
Работа устройства, реализующего способ воздействия на расплав металла и электромагнитное устройство ля его реализации, происходит следующим образом. Дозируемый расплав (жидкометаллическое рабочее тело) перекачивается по теплоизоляционной трубке (6) через канал индуктора электромагнитного устройства. Переменное напряжение подается на обмотки индуктора электромагнитного устройства (1), в результате чего в теплоизоляционной трубке (6) появляется бегущее магнитное поле и наведенные в жидкометаллическом рабочем теле вихревые токи, которые при взаимодействии приводят к появлению электромагнитного напора, которые в зависимости от направления бегущего магнитного поля либо противодействуют истечению расплава из стационарной печи или наоборот способствуют течению, то есть либо сокращают скорость течения расплава, либо ускоряют его. Скорость течения расплава обычно обеспечивается с помощью датчика уровня расплава в лотке после электромагнитного насоса.
При воздействии бегущим электромагнитным полем на расплав, плотность суммарного электрического тока у стенки металлотракта будет максимальной, а на оси может достигать значений, близких к нулю. Такая неоднородность бегущего магнитного поля приводит к турбулентности расплава в канале и коагуляции загрязнений в шары, содержащие неметаллические включения, металлы и газы. Плотность таких шаров меньше плотности расплава алюминия и поэтому они интенсивно всплывают на поверхность расплава, откуда загрязнения удаляют в ручную или специальными механизмами без участия литейщиков. Такой способ воздействия на расплав и отчистки алюминия от загрязнений особенно актуален для вторичной металлургии, где производится переработка алюминиевых ломов, содержащих высокую долю загрязнений.
1
2
3
4
5
6
11
21
31
12
22
32
13
23
33
Индуктор электромагнитного устройства по предполагаемому способу представляет собой шесть катушечных групп w, w, w, w, w, w (обозначены цифрами 1 ÷ 6), которые могут включаться в треугольник или звезду через блок коммутации (БК), который собран на основе исполнительных элементах (управляемых ключей) к, к, к, к, к, к, к, к, к. Схемотехника первоначального варианта устройства позволяет составить представление о характере переключения секций. Катушки электромагнитного индуктора на схеме изображены как элементы, обладающие тепловым воздействием. И в первоначальной и в модифицированной схеме реализовано три варианта включения. Схема треугольника вполне очевидна. Но возможно соединение обмоток этого же индуктора в сдвоенную звезду или одиночную звезду с сокращённым количеством секций. При этом для коммутации электрической цепи могут быть использованы электромагнитные ключи (реле, шаговые искатели, контакторы, магнитные пускатели), управляемые электронные ключи (электронные лампы, тиристоры, симисторы, транзисторы) и любые другие известные электрические коммутационные аппараты. Входное напряжение цеховой распределительной сети обозначено буквами A, B, C. Использование трехпроводной схемы соединения силовых цепей предпочтительнее перед четырёхпроводной. Секции индуктора пронумерованы в сквозной последовательности и расположены по порядку. Начала всех катушечных групп обозначены буквами н1, н2, н3, н4, н5, н6 и промаркированы точками. Концы секций обмоток обозначены буквами к1, к2, к3, к4, к5, к6. При необходимости для изменения характера распределения магнитных потоков в порядок чередования контактов можно внести инверсию. Клеммные контакты для фазных выводов частотного инвертора обозначены буквами U, V, W и выведена нейтраль.
Порядок управления переключением можно представить совокупностью логических состояний и перевести в матричный вид, удобный для программирования цифровых систем управления. Общий вид матрицы логических состояний системы управления ключами показан ниже.
.
Включенное состояние ключа соответствует значению логической единицы, выключенное состояние соответствует логическому нулю. Присваивание нуля элементам матрицы логического приводит к переходу системы управления в отключенное состояние и останавливает технологический процесс. Программирование логических состояний относят к функции микроконтроллерного управления и выполняют на этапе синтеза системы управления технологическим процессом.
11
21
31
12
22
32
13
23
33
В начале литья в стационарном миксере (печи) уровень расплава максимальный и необходимо противодействовать гидростатическому напору расплава в печи за счет максимального напора F1, который обеспечивается при магнитном числе Рейнольдса ε1 путем включения при параметрах индуктора: количество фаз m = 3, число пар полюсов 2p = 4, число обмоточных групп Z = 6, количество катушек в фазной зоне q = 1, фазная зона α = 120, последовательностью чередования фаз AСBAСB и полюсном шаге τ1, что обеспечивается включением ключей к, к, к блока коммутации (БК) в треугольник и отключенных ключах к, к, к, к, к, к. Матрица логических состояний системы управления ключами для соединения треугольником имеет следующий вид:
.
12
22
32
13
23
33
11
21
31
Электрическая схема включения трехфазной индукционной машины с шестью катушечными группами, обеспечивает переключение обмоток из треугольника в двойную звезду при включенных ключах к, к, к, к, к, к и отключении ключей к, к, к блока коммутации (БК). Матрица логических состояний системы управления ключами для сдвоенной звезды принимает инверсный вид:
.
Таким образом, вариант схемы включения обмоток индукционного МГД-устройства определяется состоянием электрических ключей.
По мере уменьшения уровня расплава, уменьшается и гидростатический напор алюминия, что требует уменьшения напора МГД-насоса уменьшатся за счет уменьшения напряжения с помощью источника питания и, соответственно, тока в катушках индуктора и линейной токовой нагрузки, но при этом снижается и тепловая мощность, выделяемая в жидкометаллическом рабочем теле под действием бегущего магнитного поля индуктора, что приводит к снижению температуры расплава.
12
22
32
13
23
33
11
21
31
Для поддержания уровня тепловой мощности в расплаве в определенный момент проводится переключение МГД-насоса на схему, которая формирует следующие параметры индуктора: количество фаз m = 3, число пар полюсов 2p = 2, число обмоточных групп Z = 6, количество катушек в фазной зоне q = 1, фазная зона α = 60, последовательностью чередования фаз AZBXCY и полюсном шаге τ2, что обеспечивается включением ключей к, к, к, к, к, к блока коммутации (БК) в звезду и отключенных ключах к, к, к.
При увеличении добротности магнитном числе Рейнольдса ε1 до ε2, уменьшается напор МГД-насоса и для того, чтобы обеспечить необходимый напор проводится увеличение линейной токовой нагрузки и соответственно поднимается напор МГД-насоса и тепловая мощность в жидкометаллическом рабочем теле, что позволяет подогревать расплав до требуемой температуры и повысить интенсивность перемешивания расплава.
1
1
2
12
13
22
23
32
33
11
21
31
1
2
Для конфигурации электрической схемы трехфазного МГД-устройства с шестью катушечными группами, в виде звезды также справедлива матрица [A]. Причём при переходе из одинарной звезды в двойную звезду в полной мере справедлив переход от матрицы [A] к матрице [A] и наоборот. Это позволяет говорить о взаимности коммутационных матриц [A]. Включенное состояние ключей к, к, к, к, к, к обеспечивает соединение обмоток в двойную звезду. При этом ключи к, к, к должны быть отключены. Если же пойти по пути дальнейшей модификации схемного соединения двойной звездой, создаваемого блоком коммутации БК, то существует вариант, в котором переходят к упрощению, отключая три катушечные группы. При этом из выражения [B] получают одинарную звезду с коммутационной матрицей [B], представленной ниже.
,
13
23
33
Если уйти из прежнего состояния, переведя в отключенное положение ключи к, к, к то схема примет вид одинарной звезды при блокировке обмоточных секций 1, 3, 5 и резко уменьшенных тяговых свойствах. Матрица логических состояний системы управления ключами в одинарной звезде при этом принимает усеченный вид [B2]. Подобное включение может оказаться предпочтительным для выполнения запорного назначения электромагнитного устройства при инверсном включении обмоток. Достоинства и недостатки каждой схемы можно оценить по совокупности тяговых характеристик индуктора и технологических особенностей управления режимом электропитания обмоток.
В силу характера схемотехники электромагнитного устройства, в матрице логических состояний есть в запрещенные комбинации, чреватые переводом ключей в положение, соответствующее короткому замыканию в системе электропитания. Для исключения аварийных ситуаций, полномочия системы управления следует ограничить. Средством предотвращения аварий при программировании ключей, являются схемотехнические решения, исключающие одновременное включенное положение двух ключей на пути сквозного тока между фазой и нулевым проводом. Пример запрещенного состояния матрицы управления показан ниже:
.
1
1
1
3
5
2
4
6
Характеристики режимов электромагнитных устройств удобно описывать по векторным диаграммам напряжений и токов. Так например, для шестизонного электромагнитного устройства с параметрами m = 3, 2p = 2, Z = 6, q = 1, α = 60 и последовательностью чередования фаз AZBXCY легко показать, что фазная зона токов имеет именно значение π/3, если предположить фазовый сдвиг ϕ тока первой катушки w индуктивным, для характерного, крайне низкого значения коэффициента мощности индукционной машины. Векторы токов катушек w, w, w получают прямым включением катушечных групп. Векторы токов w, w, w получают инверсией включения соответствующей обмотки. Тоже самое характерно для векторной диаграммы шестизонного индуктора с параметрами m = 3, 2p = 4, Z = 6, q = 1, α = 120 и последовательностью чередования фаз AСBAСB. По векторным диаграммам можно получить общее представление о распределении магнитных полюсов в пределах полюсного деления.
Предлагаемый способ управления производительностью литья и воздействия на расплав металла для стационарных печей имеет следующие преимущества перед известными ранее:
1. Позволяет управлять скоростью выдачи алюминия из стационарной печи или миксера в зависимости от уровня расплава в стационарной печи.
2. Позволяет регулировать (увеличивать или уменьшать) величину тепловой энергии в жидкометаллическом рабочем теле (расплаве) и интенсивность перемешивания расплава и, соответственно, рафинировать расплав.