УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ РАСПЛАВЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ
DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC MIXING OF MOLTEN METALS

Изобретение относится к металлургии, в частности к линейным индукционным машинами для перемешивания жидкого металла в технологической емкости, например, в плавильной печи или в миксере, а именно к устройствам для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов в литейном производстве, в частности расплавленного алюминия и его сплавов.
Известно устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе, содержащее магнитопровод с многофазной обмоткой, катушки которой выполнены концентрическими и подключены к разным фазам, в котором в качестве магнитопровода используется ферромагнитная часть кристаллизатора, с верхней и нижней сторон которого расположены по две катушки, причем две катушки, расположенные по разные стороны кристаллизатора симметрично относительно аксиальной оси слитка, подключены к одной фазе встречно, а две другие катушки подключены к другой фазе согласно (RU, патент №2237542, B22D 11/115, B22D 11/049, Опубл. 10.10.2004 г., Бюл. №28). При этом катушки, расположенные по одну сторону кристаллизатора, размещены таким образом, что одна охватывает другую или размещены одна над другой.
Недостатком данного устройства для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе является использование в качестве магнитопровода ферромагнитной части кристаллизатора. Кристаллизатор выполнен из магнитного материала, который не имеет шихтовки и конструктивного разрыва пути прохождения наведенного тока. В процессе работы магнитные потоки обмоток, расположенных ниже и выше, будут пересекать его наводя в нем ЭДС, которая в свою очередь создает ток в контуре кристаллизатора. Так как, контур кристаллизатора короткозамкнутый, то он шунтирует часть магнитных потоков обмоток, снижая эффективность перемешивания. Кроме того, недостатком данного устройства является повышенное энергопотребление, нагрев теплоносителя и механические вибрации. Также следует отметить незащищенность обмотки от теплового воздействия и аварийных проливов расплава.
Известна печь-миксер, содержащая, но меньшей мере, одну ванну с боковыми стенками и днищем и индуктор электромагнитного перемешивателя с магнитопроводом и, как минимум, двухфазной обмоткой, установленный в районе ванны для приложения электромагнитного поля находящемуся в ванне металлу, при этом обмотка индуктора состоит из катушек, активные проводники которых расположены относительно друг друга на расстоянии, равном Δx=lx/(N-1), где lx - длина наибольшей стороны ванны, м, N -количество катушек, определяемое как округленное до ближайшего четного целого числа отношения lx/h, h - глубина расплава металла, м (RU, патент №2465528, F27B 3/00, Опубл. 27.10.2012, Бюл. №30). В печи-миксере обмотку индуктора составляют две группы катушек, одна часть активных проводников каждой группы катушек расположена над металлом в ванне, а другая часть активных проводников расположена под ванной с металлом, при этом верхние проводники каждой группы катушек смещены относительно нижних проводников на величину Δx. В печи-миксере группа нечетных катушек, соединенных согласно и последовательно, образует одну из фаз, а другая группа четных катушек, соединенных согласно и последовательно, образует другую фазу обмотки индуктора. В печи-миксере магнитопровод индуктора может быть расположен над ванной и(или) под ванной. В печи-миксере индуктор электромагнитного перемешивателя с размещенными вокруг магнитопровода катушками может быть установлен под ванной, причем соединенные согласно и последовательно нечетные катушки образуют одну из фаз, а соединенные согласно и последовательно четные катушки образуют другую фазу обмотки, и, по крайней мере, в одной фазе имеется возможность изменения направления электрического тока. В печи-миксере индуктор перемешивателя с размещенными вокруг магнитопровода катушками может быть установлен под ванной, соединенные встречно и последовательно нечетные катушки образуют одну из фаз, а соединенные встречно и последовательно четные катушки образуют другую фазу обмотки, при этом, но крайней мере, в одной фазе имеется возможность изменения направления электрического тока. В печи-миксере в качестве магнитопровода может быть использовано днище ванны.
Недостатком данной печи-миксера является то, что используется индуктор электромагнитного перемешивателя с продольным магнитным потоком, который имеет один магнитопровод и распределенные по его длине обмотки. Установка такого индуктора под подиной печи-миксера требует изменения металлоконструкции подины с целью размещения немагнитного гнезда. Такие изменения в металлоконструкции приводят к ослаблению ее прочности, уменьшению надежности и срока службы всей печи-миксера.
К недостаткам данной печи-миксера можно также отнести большие линейные размеры индуктора электромагнитного перемешивателя, поскольку индуктор электромагнитного перемешивателя занимает всю длину ванны печи. Исходя из описанного соотношения кратности числа пазов глубине и длине ванны вытекает, что чем меньше глубина расплава, то тем меньше полюсный шаг. Поэтому на малых уровнях расплава необходимо значительно понижать частоту питающего напряжения или уменьшать футеровку, что приводит к снижению ее механической прочности.
Также следует отметить, что на практике эксплуатации металлургических печей зачастую не соблюдается требование равномерности внесения лигатуры и флюсов. Имеет место локальное внесение компонентов, которое влечет за собой необходимость интенсивного массопереноса во все части ванны с расплавом. Данная печь-миксер с этой задачей справляется не эффективно.
Известно устройство электромагнитного перемешивания, содержащее соленоид с внешней стороны емкости для содержания электропроводящего материала в расплавленном состоянии, который создает аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле для формирования магнитно-силовых линий в осевом направлении упомянутой емкости в содержащемся в емкости электропроводящем материале в расплавленном состоянии, и магнитную пластину в форме полосы, расположенную между соленоидом и упомянутой емкостью (RU, патент №2373020, B22D 11/115, F27D 23/04, Опубл. 20.11.2009 г., Бюл. №32). Магнитная пластина может быть расположена диагонально поперек соленоида или может быть расположена вдоль осевого направления соленоида. Магнитная пластина находится в контакте с сердечником соленоида, создающего аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле. Соленоид, создающий аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле, представляет собой кольцевой соленоид, расположенный концентрически вдоль осевого направления, причем он представляет собой соленоид трехфазного переменного тока, использующий прямо намотанные соленоиды и встречно намотанные соленоиды, причем между соседними соленоидами имеется 60-градусная разность фаз. Соленоид, который создает аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле, расположен для воздействия на электропроводящее вещество в расплавленном состоянии, содержащееся в упомянутой емкости, вдоль ее внешней круговой поверхности. В зависимости от конкретного случая соленоиды располагаются в круглом кожухе, заполненном охладителем, например, охлаждающим маслом, во избежание перегрева из-за теплового действия электрического тока. Трехфазный переменный ток произвольной частоты подводится к соленоидам, создающим аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле, от коммерческого блока питания трехфазным переменным током посредством регулируемого частотного инвертора или подобного.
Недостатком данного устройства электромагнитного перемешивания является значительная удаленность индуктора от объема перемешиваемого металла (индуктор располагается за внешней стенкой печи) и как следствие сильное снижение магнитного поля и уменьшение эффективности воздействия, а также потребление большой электрической мощности (сотни кВт), сложность конструкции, необходимость использования дополнительного оборудования для охлаждения соленоидов во избежание перегрева из-за теплового действия электрического тока.
К недостаткам данного устройства электромагнитного перемешивания следует также отнести ограниченность его применения. Устройство может быть применено только для малых емкостей (ковши, тигельные печи, технологические емкости и т.д.) с упрощенной формой ванны (тигля), например цилиндр. Для применения на больших печах (плавильных печах и миксерах) с более сложной геометрией ванны, например, усеченной пирамиды, является не целесообразным из-за сложности и громоздкости конструкции.
Наиболее близким к заявленному является устройство для перемешивания расплавленного алюминиевого сплава в ванне, в котором индуктор электромагнитного поля выполнен в виде секции полых труб, количество которых кратно трем и не менее шести, установленных под ванной в плоскости, параллельной днищу ванны, и соединенных с источником трехфазного переменного тока со смещением фаз в соседних трубах, причем каждая труба снабжена устройством принудительной вентиляции ее внутренней поверхности (RU, патент №2567970, B22D 11/115, Опубл. 10.11.2015 г., Бюл. №31). Для повышения эффективности охлаждения на входе каждой горизонтально установленной трубы может быть установлено устройство для закручивания воздушного потока в виде лопаток под углом 30-45 градусов к оси трубы. Для охлаждения пропускают по трубам принудительно с помощью компрессора воздух. Возможно использовать, как вариант, термогравитационную конвекцию. Для этих целей к горизонтально расположенным трубчатым шинам с одной стороны прикрепляют вертикальные патрубки. В этом случае нагретый в трубчатых шинах и вертикальном патрубке легкий воздух вытесняется через трубчатые шины холодным тяжелым (внешним) воздухом.
Недостатком данного устройства для перемешивания расплавленного алюминиевого сплава в ванне является использование индуктора электромагнитного поля, выполненного в виде секции полых труб, количество которых кратно трем и не менее шести, установленных под ванной в плоскости, параллельной днищу ванны, и соединенных с источником трехфазного переменного тока. Такое расположение токопроводящих полых труб может привести к снижению надежности футеровки ванны из-за возможного возникновения локальных трещин в процессе работы, что в свою очередь приведет к выходу из строя и футеровки ванны, и индуктора электромагнитного поля.
Кроме того, конструкция данного устройства связана с необходимостью размещения труб в непосредственной близости от расплава, что приводит к снижению его надежности.
К недостаткам данного устройства следует также отнести отсутствие ферромагнитного магнитопровода, что отрицательно сказывается на эффективности перемешивания.
Следует также отметить, что поскольку трубы представляют со одновитковую катушку, то для создания рабочего тока прикладывается низкое напряжение, что в свою очередь требует использования для электропитания данного устройства специальных источников питания.
К недостаткам данного устройства следует отнести предложенную систему воздушного охлаждения, поскольку она не позволяет создать достаточной линейной токовой нагрузки индуктора для обеспечения эффективного перемешивания, особенно для большой глубины расплава.
В основу изобретения положена техническая проблема, заключающаяся в создании устройства для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов, устанавливаемого на миксеры и плавильные печи емкостью от 3 до 120 т и характеризующегося повышением силового воздействия на жидкий металл, увеличением надежности крепления блоков катушек индуктора и удержания их от продольного смещения, снижением вибрации блока катушек индуктора, уменьшением контактного давления на блоки катушек индуктора при сохранении большой удерживающей силы, уменьшением износа поверхности контакта катушек индуктора и витков между собой, уменьшением вероятности пробоя и повреждения изоляции проводников катушек индуктора, обеспечением надежного и точного позиционирования блока катушек индуктора относительно ярма магнитопровода, увеличением эффективности охлаждения блока катушек индуктора.
При этом техническим результатом является повышение эффективности перемешивания расплавленного металла и увеличение эксплуатационной надежности электромагнитной системы устройства для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в устройстве для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов индуктор электромагнитного поля выполнен в виде рамы с отверстиями и с вертикальными стойками, установленными попарно напротив друг друга с каждой стороны вдоль продольной оси индуктора, магнитопровода, закрепленного между вертикальными стойками и состоящего из ярма и по крайней мере четырех зубцов, каждый из которых расположен между вертикальными стойками, образующими соответствующую пару, и выполнен шириной, равной 1-1,5 ширины ярма, и блоков катушек, каждый из которых размещен в пространстве между соседними парами вертикальных стоек с соответствующими зубцами, при этом каждый блок катушек состоит из стянутых между собой шпильками отдельных катушек при помощи внешних щек и дистанционных перемычек, выполненных из электроизоляционного материала и размещенных как между соседними катушками, так и между крайними катушками и внешними щеками, каждый блок катушек зафиксирован на раме в пространстве между вертикальными стойками с помощью по крайней мере четырех прижимов, установленных попарно напротив друг друга с каждой стороны индуктора в соответствующих соседних вертикальных стойках для каждого блока катушек, каждый прижим включает в себя как минимум по одному контактному, прижимному и направляющему элементу, ярмо магнитопровода является общим сердечником для блоков катушек, каждый блок катушек сверху закрыт кожухом, который служит для направления охлаждающей среды к проводникам катушек, поступающей через отверстия рамы.
Для электропитания индуктора может быть использован источник питания с режимом поддержания постоянного уровня и фаз токов с циклическим изменением частоты питающего напряжения в диапазоне от 0,1 до 1,5 Гц и интервалом цикла в диапазоне от 0,1 до 5 минут.
Шпильки блока катушек могут быть размещены в соответствующих противоположных отверстиях внешних щек как минимум по одной шпильке на каждой стороне блока катушек.
Каждая дистанционная перемычка может иметь как минимум два отверстия для прохода стягивающих шпилек.
В пространстве между ярмом и внутренней частью блока катушек могут быть размещены клинья, выполненные из электроизоляционного материала.
Блоки катушек могут быть выполнены с разным количеством катушек в блоках по пазам индуктора.
Выполнение в устройстве для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов индуктора электромагнитного поля в виде рамы с отверстиями и с вертикальными стойками, установленными попарно напротив друг друга с каждой стороны вдоль продольной оси индуктора, магнитопровода, закрепленного между вертикальными стойками и состоящего из ярма и по крайней мере четырех зубцов, каждый из которых расположен между вертикальными стойками, образующими соответствующую пару, и выполнен шириной, равной 1-1,5 ширины ярма, и блоков катушек, каждый из которых размещен в пространстве между соседними парами вертикальных стоек с соответствующими зубцами, выполнение каждого блока катушек из стянутых между собой шпильками отдельных катушек при помощи внешних щек и дистанционных перемычек, выполненных из электроизоляционного материала и размещенных как между соседними катушками, так и между крайними катушками и внешними щеками, фиксирование на раме в пространстве между вертикальными стойками каждого блока катушек с помощью по крайней мере четырех прижимов, установленных попарно напротив друг друга с каждой стороны индуктора в соответствующих соседних вертикальных стойках для каждого блока катушек, выполнение каждого прижима в виде как минимум одного контактного, прижимного и направляющего элемента, использование ярма магнитопровода в качестве общего сердечника для блоков катушек, наличие закрывающего сверху каждый блок катушек кожуха, служащего для направления охлаждающей среды к проводникам катушек, поступающей через отверстия рамы, обеспечивает повышение силового воздействия на жидкий металл, увеличение надежности крепления блоков катушек индуктора и удержания их от продольного смещения, снижение вибрации блока катушек индуктора, уменьшение контактного давления на блоки катушек индуктора при сохранении большой удерживающей силы, уменьшение износа поверхности контакта катушек индуктора и витков между собой, уменьшение вероятности пробоя и повреждения изоляции проводников катушек индуктора, обеспечение надежного и точного позиционирования блока катушек индуктора относительно ярма магнитопровода, увеличение эффективности охлаждения блока катушек индуктора.
Это позволяет повысить эффективность перемешивания расплавленного металла и увеличить эксплуатационную надежность электромагнитной системы устройства для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов.
Уровень силового воздействия на жидкий металл определяется мощностью индуктора устройства для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов и его техническими характеристиками. Рост уровня силового воздействия при сохранении линейных размерах индуктора и постоянном числе витков катушек обеспечивается в частности увеличением плотности тока в проводниках до уровня 3-5 А/мм2. Однако при увеличении плотности тока в проводниках возникает снижение эксплуатационной надежности, вызванное локальными перегревами проводников, вибрацией катушек на ярме, нагревом стыков зубцов и ярма. Для их исключения или максимального ослабления необходимы равномерный обдув проводников катушек, усиленное механическое крепление катушек на ярме и в блоке и усиленное крепление зубцов относительно ярма.
Благодаря тому, что индуктор электромагнитного поля выполнен в виде рамы с отверстиями и с вертикальными стойками, установленными попарно напротив друг друга с каждой стороны вдоль продольной оси индуктора, магнитопровода, закрепленного между вертикальными стойками и состоящего из ярма и по крайней мере четырех зубцов, каждый из которых расположен между вертикальными стойками, образующими соответствующую пару, обеспечивается плотное прилегание и хорошее позиционирование зубцов относительно ярма, а также жесткость всей конструкции индуктора. Такое решение позволяет исключить вибрации магнитопровода и уменьшить перегрев в зоне стыковки элементов.
При этом каждый зубец магнитопровода выполнен шириной, равной 1-1,5 ширины ярма магнитопровода. Это также обеспечивает повышение силового воздействия на расплав за счет увеличения активной площади индуктора. Таким образом, увеличивается активная зона индуктора, пропорциональная площади рабочей (активной) стороны индуктора, примыкающей к технологической емкости. Причем увеличение ширины зубца магнитопровода более чем 1,5 ширины ярма магнитопровода нецелесообразно, поскольку это приводит к увеличению габаритов и массы индуктора. От интенсивности силового воздействия на расплав увеличивается эффективность перемешивания расплавленного металла. Силовое воздействие рационально повышать вплоть до возникновения синхронной магнитному полю скорости расплава.
Благодаря тому, что каждый из блоков катушек размещен в пространстве между соседними парами вертикальных стоек с соответствующими зубцами и выполнен из стянутых между собой шпильками отдельных катушек при помощи внешних щек и дистанционных перемычек, выполненных из электроизоляционного материала и размещенных как между соседними катушками, так и между крайними катушками и внешними щеками, с одной стороны, обеспечивается механическое удерживание катушек в блоке и исключение деформации медных проводников в зоне стягивания, а, с другой стороны, обеспечивается равномерность каналов для прохождения охлаждающей среды. Это в целом способствуют работе индуктора электромагнитного поля при повышенных плотностях тока.
При этом благодаря объединению катушек, каждая из которых размещена в пространстве между соседними парами вертикальных стоек с соответствующими зубцами, в отдельные блоки катушек и выполнению каждого указанного блока катушек из стянутых между собой шпильками указанных катушек при помощи внешних щек и дистанционных перемычек, выполненных из электроизоляционного материала и размещенных как между соседними катушками, так и между крайними катушками и внешними щеками, обеспечивается равномерная передача усилия стягивания от внешних щек к каждой отдельной катушке.
Благодаря фиксации на раме в пространстве между вертикальными стойками каждого из блоков катушек с помощью по крайней мере четырех прижимов, установленных попарно напротив друг друга с каждой стороны индуктора в соответствующих соседних вертикальных стойках для каждого блока катушек, исключаются осевые низкочастотные колебания, вызванные силовым воздействием на блок катушек со стороны магнитного поля. При этом выполнение каждого прижима в виде как минимум одного контактного, прижимного и направляющего элемента обеспечивает прочность крепления, а также удобство установки.
Благодаря тому, что каждый блок катушек состоит из стянутых между собой шпильками отдельных катушек при помощи внешних щек и дистанционных перемычек, выполненных из электроизоляционного материала и размещенных как между соседними катушками, так и между крайними катушками и внешними щеками, тому, что каждый блок катушек зафиксирован на раме в пространстве между вертикальными стойками с помощью по крайней мере четырех прижимов, установленных попарно напротив друг друга с каждой стороны индуктора в соответствующих соседних вертикальных стойках для каждого блока катушек, тому, что каждый прижим включает в себя как минимум по одному контактному, прижимному и направляющему элементу увеличивается эксплуатационная надежность электромагнитной системы устройства для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов, так как увеличивается надежность крепления блоков катушек индуктора и удержания их от продольного смещения, снижается вибрация блока катушек индуктора, уменьшается контактное давление на блоки катушек индуктора при сохранении большой удерживающей силы, уменьшается износ поверхности контакта катушек индуктора и витков между собой, уменьшается вероятность пробоя и повреждения изоляции проводников катушек индуктора, обеспечивается надежное и точное позиционирование блока катушек индуктора относительно ярма магнитопровода, используемого в качестве общего сердечника для блоков катушек.
Благодаря объединению катушек, каждая из которых размещена в пространстве между соседними парами вертикальных стоек с соответствующими зубцами, в отдельные блоки катушек и выполнению каждого указанного блока катушек из стянутых между собой шпильками указанных катушек при помощи внешних щек и дистанционных перемычек, выполненных из электроизоляционного материала и размещенных как между соседними катушками, так и между крайними катушками и внешними щеками, наличию закрывающего сверху каждый блок катушек кожуха, служащего для направления охлаждающей среды к проводникам катушек, поступающей через отверстия рамы, обеспечивается доступ охлаждающей среды к проводникам катушек и их равномерное охлаждение, увеличивая тем самым эффективность охлаждения блоков катушек индуктора. При этом внешние щеки формируют боковые стенки канала для подачи охлаждающей среды к катушкам, а закрывающий сверху каждый блок катушек кожух образует его верхнюю стенку, дистанционные перемычки формируются между катушками каналы для прохода охлаждающей среды (воздуха). Увеличение эффективности охлаждения блоков катушек обеспечивается также за счет уменьшения потерь охлаждающей среды благодаря надежному удержанию и герметичному прижатия блоков катушек к раме с помощью прижимов. Это обеспечивает работу при повышенных плотностях тока, а, следовательно, благодаря этому повышается интенсивность силового воздействия на расплав, что в свою очередь приводит к увеличению эффективности перемешивания.
Следует также отметить, что благодаря тому, что каждый блок катушек сверху закрыт кожухом, который служит для направления охлаждающей среды к проводникам катушек, поступающей через отверстия рамы увеличивается эксплуатационная надежность электромагнитной системы устройства для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов, так как обеспечивается равномерное охлаждения блоков катушек и отсутствие перегрева проводников каждой отдельной катушки.
Использование для электропитания индуктора источника питания с режимом поддержания постоянного уровня и фаз токов с циклическим изменением частоты питающего напряжения в диапазоне от 0,1 до 1,5 Гц и интервалом цикла в диапазоне от 0,1 до 5 минут обеспечивает формирование набегающей волны расплава. Это позволяет реализовать столкновение отраженной и набегающих волн, что в свою очередь способствует более интенсивному перемешиванию расплава.
Размещение шпилек блока катушек в соответствующих противоположных отверстиях внешних щек как минимум по одной шпильке на каждой стороне блока катушек способствует более надежному креплению катушек в блоке между собой.
Наличие в каждой дистанционной перемычки как минимум двух отверстий для прохода стягивающих шпилек обеспечивает ее надежное и точное позиционирование между катушками и внешними щеками.
Размещение в пространстве между ярмом и внутренней частью блока катушек клиньев, выполненных из электроизоляционного материала, обеспечивает надежное и точное позиционирование блока катушек относительно ярма.
Выполнение блоков катушек с разным количеством катушек в блоках по пазам индуктора обеспечивает выравнивание значений токов блоков катушек, размещенных в центральной части индуктора и размещенных в крайних пазах индуктора, что в свою очередь способствует выравниванию токов источника питания и тепловых режимов работы блоков, при которых они греются равномерно, поскольку падение напряжений по блокам становится одинаковым и мощность в отдельно взятых катушках выравнивается.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 изображен индуктор устройства для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов (с кожухами блоков катушек), общий вид; на фиг. 2 - то же (со снятым кожухом среднего блока катушек), общий вид; на фиг. 3 - то же (с кожухами блоков катушек), вид сбоку; на фиг. 4 - то же (с кожухами блоков катушек), вид сверху; на фиг. 5 - прижим блока катушек, вид сбоку; на фиг. 6 - блок катушек (без кожуха), общий вид; на фиг. 7 - разрез А-А на фиг. 4; на фиг. 8 - разрез Б-Б на фиг. 7 (без магнитопровода); на фиг. 9 - разрез В-В на фиг. 8 (без магнитопровода); на фиг. 10 изображена зависимость кратности увеличения тангенциальной (тяговой) составляющей электромагнитной силы от кратности увеличения ширины зубца α' относительно ширины ярма α магнитопровода.
Устройство для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов включает индуктор электромагнитного поля, выполненный в виде рамы 1 с вертикальными стойками 2, установленными попарно напротив друг друга с каждой стороны вдоль продольной оси индуктора, магнитопровода, закрепленного между вертикальными стойками 2 и состоящий из ярма 3 и по крайней мере четырех зубцов 4, каждый из которых расположен между вертикальными стойками 2, образующими соответствующую пару, и блоков катушек 5, каждая из которых размещена в пространстве между соседними парами вертикальных стоек 2 с соответствующими зубцами 4. Каждый зубец 4 магнитопровода выполнен шириной α', равной 1-1,5 ширины α ярма 3 магнитопровода. Ярмо 3 магнитопровода является общим сердечником для блоков катушек 5.
Каждый блок катушек 5 зафиксирован на раме 1 в пространстве между вертикальными стойками 2 с помощью по крайней мере четырех прижимов 6, установленных попарно напротив друг друга с каждой стороны индуктора в соответствующих соседних вертикальных стойках для каждого блока катушек 5.
Каждый блок катушек 5 сверху закрыт кожухом 7, который служит для направления охлаждающей среды к проводникам катушек, поступающей через отверстия 8 рамы 1.
Каждый прижим 6 включает в себя как минимум по одному контактному 9, прижимному 11 и направляющему 10 элементу. Контактной элемент 9 прижима 6, выполненный, например, в виде пластины, соединен посредством прижимного элемента 11, выполненного, например, в виде винтовой пары, и направляющего элемента 10, выполненного, например, в виде пары шток-втулка, с соответствующей стойкой 2.
Каждый блок катушек 5 состоит из стянутых между собой шпильками 12 отдельных катушек 13, внешних щек 14 и дистанционных перемычек 15, размещенных как между соседними катушками 13, так и между крайними катушками и внешними щеками 14. Шпильки 12 блока катушек 5 размещены в соответствующих противоположных отверстиях внешних щек 14 как минимум по одной шпильке 12 на каждой стороне блока катушек 5.
При этом по длинным сторонам блока шпильки 12 устанавливаются попарно (напротив друг друга) с внешней (наружной) и внутренней (ближайшей к магнитопроводу) сторон блока катушек 5, а по боковым (коротким) сторонам блока катушек 5 (в зоне действия прижимных элементов 11) шпильки 12 установлены только с внешней стороны блока катушек 5.
Внешние щеки 14 и дистанционные перемычки 15 выполнены из электроизоляционного материала, например, стеклотекстолита.
Внешние щеки 14 образуют стенки канала для прохода охлаждающей среды (воздуха), а дистанционные перемычки 15 каналы между катушками 13.
Толщина δ дистанционных перемычек 15 равна 1,5-8 мм. При толщине перемычек менее 1,5 мм возможно увеличение аэродинамического сопротивления в пространстве между соседними блоками катушек, а при толщине более 8 мм возможно снижение скорости потока воздуха и уменьшение коэффициента заполнения паза.
Каждая дистанционная перемычка 15 для обеспечения надежного и точного позиционирования между катушками 13 и внешними щеками 14 имеет как минимум два отверстия для прохода стягивающих шпилек 12.
При этом как минимум по одной группе дистанционных перемычек 15 расположено в зоне силового воздействия прижимов 6 на соответствующий блок катушек 5, т.е. дистанционные перемычки 15 по боковым (коротким) сторонам блока катушек 5 расположены непосредственно под пятном контакта прижимного элемента 11 и внешних щек 14 (на оси действия прижимных элементов).
Для обеспечения надежного и точного позиционирования блока катушек 5 относительно ярма 3 в пространстве между ярмом 3 и внутренней частью блока катушек 5 размещены клинья 16, выполненные из электроизоляционного материала, например, стеклотекстолита.
Блоки катушек могут быть выполнены с разным количеством катушек в блоках по пазам индуктора, при этом количество катушек в блоках, размещенных в центральной части индуктора, может отличаться от количества катушек блоков, размещенных в крайних частях индуктора.
Для электропитания индуктора использован источник питания (не показан) с режимом поддержания постоянного уровня и фаз токов с циклическим изменением частоты питающего напряжения в диапазоне от 0,1 до 1,5 Гц и интервалом цикла в диапазоне от 0,1 до 5 минут.
Устройство для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов работает следующим образом.
Устройство для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов относится к линейным индукционным машинами для перемешивания жидкого металла и используется для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов, например, расплавленного алюминия и его сплавов, в технологической емкости, например, в плавильной печи или в миксере емкостью от 3 до 120 т, литейного производства. Устройство для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов устанавливается под подиной либо у боковой стенки технологической емкости.
Для электропитания индуктора устройства для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов используется источник питания (не показан) с режимом поддержания постоянного уровня и фаз токов с циклическим изменением частоты питающего напряжения в диапазоне от 0,1 до 1,5 Гц и интервалом цикла в диапазоне от 0,1 до 5 минут.
Блоки катушек 5 подключаются к источнику переменного трехфазного напряжения (не показан) по схеме треугольник. В результате создания в блоках катушек 5 переменного магнитного поля с пространственным сдвигом фаз, в ярме 3 возникает переменный магнитный поток, который замыкается через зубцы 4, каждый из которых выполнен шириной, равной 1-1,5 ширины ярма 3. Математическое моделирование тангенциальной (тяговой) составляющей электромагнитной силы показало увлечение силового воздействия на металл приблизительно в 1,4 раза при ширине каждого зубца 4 магнитопровода, равной 1-1,5 ширины ярма магнитопровода. Магнитный поток воздействует на жидкий металл в технологической емкости индуцируя в нем вихревые токи, что приводит к созданию электромагнитных сил к его перемешиванию.
Катушки 13 устанавливаются на ярмо 3 в виде единого блока катушек 5, состоящего из стянутых между собой шпильками 12 указанных катушек 13, внешних щек 14 и дистанционных перемычек 15, размещенных как между соседними катушками 13, так и между крайними катушками и внешними щеками 14.
Надежное и точное позиционирование блока катушек 5 относительно ярма 3 обеспечивается размещенными в пространстве между ярмом 3 и внутренней частью блока катушек 5 клиньями 16, выполненными из электроизоляционного материала, например, стеклотекстолита.
Во время работы индуктор из-за действия переменного магнитного поля на отдельные катушки 13 в блоках катушек 5 возникает вибрация. Это может привести к смещению блоков катушек 5 относительно рамы 1 и ярма 3, а также к повреждению изоляции катушек 13 и короткому замыканию. Для надежного удержания блока катушек 5 от продольного смещения относительно рамы 1 и снижения вибрации, каждый блок катушек, расположенный на ярме 3 между зубцами 4 сжимается специальными прижимами 6, закрепленными на соседних стойках 2. Прижим 6 воздействует на внешнюю щеку 14 блока катушек 5 контактным элементом 9, который перемещается с помощью прижимного элемента 11, удерживаемого от поперечного смещения и поворота направляющим элементом 10. Контактный элемент 9 служит для передачи и распределения прижимного усилия на блоки катушек 5, а его относительно большая площадь позволяет реализовать значительное усилие сжатия при невысоком контактном давлении на внешнюю щеку 14. Это позволяет предотвратить разрушение материала внешних щек 14 в местах контакта с прижимами 6. Равномерному распределению усилия сжатия между отдельными катушками 13 и предотвращению деформации внешних щек 14 способствует наличие дистанционных перемычек 15 между ними в зоне действия прижимов 6.
В процессе работы индуктора устройства для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов происходит собственный нагрев катушек 13 и их дополнительный нагрев от технологической емкости. Для их эффективного и равномерного охлаждения между катушками 13 с помощью дистанционных перемычек 15 формируются каналы для прохода охлаждающей среды (воздуха), а внешние щеки 14 формируют боковые стенки канала для подачи охлаждающей среды к катушкам. Каждый блок катушек 5 сверху закрыт кожухом 7, который образует верхнюю стенку канала. Охлаждающая среда (воздух) подается внешним вентилятором (не показан) к блокам катушек 5 в пространство, ограниченное внешними щеками 14 и кожухом 7, через окна 8 в раме 1 и далее через каналы между катушками 13 в пространство между ярмом 3 и внутренней частью блока катушек 5. При этом эффективное охлаждение блоков катушек обеспечивается также за счет уменьшения потерь охлаждающей среды благодаря надежному удержанию и герметичному прижатия блоков катушек 5 к раме с помощью прижимов 6. Это обеспечивает работу устройства при повышенных плотностях тока, а, следовательно, благодаря этому повышается интенсивность силового воздействия на расплав, что в свою очередь приводит к увеличению эффективности перемешивания. При этом благодаря равномерному охлаждению блоков катушек 5 и отсутствию перегрева проводников каждой отдельной катушки 13 также увеличивается эксплуатационная надежность электромагнитной системы устройства. При снижении температуры проводников и эффективном охлаждении также увеличивается ресурс работы проводников, механическая прочность изоляции, пробивное напряжение, а также снижается глубина окисления защитного покрытия проводника, что также приводит к увеличению эксплуатационной надежности электромагнитной системы.
Таким образом, предлагаемое устройство повышает эффективность перемешивания и увеличивает эксплуатационную надежность его электромагнитной системы.