ИНДУКЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ
INDUCTOR UNIT FOR MIXING OF LIQUID METALS

Изобретение относится к области металлургии, в частности к индукционным установкам для перемешивания жидких металлов (расплавов) в печах и миксерах, с целью выравнивания химического состава и температуры расплава во всем объеме ванны, в частности расплава на основе алюминия.
В процессе приготовления металлических сплавов, в частности на основе алюминия, перемешивание многокомпонентного расплава в ванне печи-миксера позволяет выровнять химический состав и температуру расплава во всем объеме ванны и тем самым повысить производительность печи-миксера и снизить энергопотребление на единицу продукции.
Известны установки для перемешивания жидких металлов в печах-миксерах, включающие источник питания и индуктор-источник переменных магнитных потоков, воздействующих на расплав. Индукторы устанавливаются как под подиной, так и с боковой стороны ванны [1]. По характеру создаваемого магнитного поля и соответственно структуры движения жидкого металла можно выделить индукторы, создающие вращательные вихревые и поступательные движения расплава.
По принципу действия индукторы представляют собой линейные индукционные машины, которые вследствие большого немагнитного зазора имеют низкий коэффициент мощности и, соответственно, потребляют большую реактивную мощность. При этом эффективность перемешивания зависит от глубины проникновения электромагнитного поля в расплав. Синусоидальное электромагнитное поле по мере распространения в расплав (ось Z) затухает по экспоненциальному закону [2]. Так зависимость комплексной величины магнитной индукции от координаты (Z) описывается выражением
0
B - величина магнитной индукции на поверхности расплава,
<mrow><munder accentunder="true"><mi>ϕ</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
комплексное значение
равно
τ - полюсное деление индуктора, м;
ω=2πf - угловая частота;
-1
f - частота тока, (с);
0
-7
µ=4π·10 - магнитная постоянная, (Гн/м);
γ - удельная электропроводность расплава, (1/Ом·м);
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt></mrow>
- мнимая единица.
Расстояние, на котором электромагнитное поле уменьшается в e≈2.72 раз (e - основание натурального логарифма), называется глубиной проникновения электромагнитного поля. В соответствии с (2) глубина проникновения электромагнитного поля Δ обратно пропорциональна φ и, при неизменных свойствах расплава, зависит от частоты тока f и полюсного деления индуктора τ. При τ→∞, глубина проникновения электромагнитного поля равна глубине проникновения плоской электромагнитной волны и полностью зависит от частоты тока f [3]
В реальных индукторах величина полюсного деления τ имеет ограниченное значение и обычно выбирается из условия τ≈(3÷5)δ, где δ - величина расстояния от магнитопровода индуктора до расплавленного металла. Чем меньше τ, тем быстрее затухает электромагнитное поле в расплаве. При фиксированном τ глубина проникновения электромагнитного поля также зависит от частоты тока f. Если f=0 (постоянный ток в обмотке индуктора), то, в соответствии с (2), глубина проникновения магнитного поля (также постоянного во времени) будет максимальной и равной
Постоянное магнитное поле не взаимодействует с расплавом. Наведенные в расплаве токи, следовательно, и электромагнитные силы, действующие на расплав, пропорциональны скорости изменения магнитного поля. Следовательно, для увеличения электромагнитных сил, перемешивающих расплав, необходимо увеличивать частоту f, но при этом уменьшается глубина проникновения электромагнитного поля в расплав, и эффективность перемешивания снижается.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является печная установка (далее индукционная установка для перемешивания жидкого металла), содержащая, по меньшей мере, двухфазный источник периодического напряжения, электромагнитную мешалку (далее индуктор электромагнитного поля), включающую магнитопровод и, по меньшей мере, двухфазную обмотку и установленную вблизи резервуара (далее ванны) с жидким металлом [4].
К недостаткам этой индукционной установки можно отнести недостаточно качественное перемешивание расплава металла и низкий коэффициент мощности вследствие использования, как правило, источников синусоидального напряжения. Индукторы, питаемые этими напряжениями, формируют в расплаве ламинарные или крупные вихревые течения, что не позволяет ликвидировать микронеоднородности, особенно в многокомпонентных раплавах. Кроме этого при синусоидальном напряжении установка потребляет из сети значительную реактивную мощность.
В основу настоящего изобретения положена задача повышения эффективности перемешивания жидких металлов в индукционной установке, в частности за счет устранения как макронеоднородностей, так микронеоднородностей многокомпонентных расплавов.
Для достижения этого технического результата в индукционной установке для перемешивания жидких металлов, содержащей, по меньшей мере, двухфазный источник питания периодического напряжения, индуктор электромагнитного поля, включающий магнитопровод и, по меньшей мере, двухфазную обмотку и установленный вблизи ванны с жидким металлом, согласно изобретению, в качестве источника питания использован источник несинусоидального периодического напряжения, при этом обмотка каждой фазы индуктора выполнена с индуктивностью (L) и активным сопротивлением (R), отношение которых соответствует выражению
γ - удельная электропроводность расплава, 1/Ом·м;
τ - полюсное деление индуктора, м.
На фиг.1 схематично изображена заявляемая индукционная установка, на фиг.2 и фиг.3 представлены зависимости периодических мгновенных напряжений и токов от времени для двухфазной и трехфазной установки соответственно, на фиг 4 и фиг.5 представлены зависимости относительных составляющих электромагнитной силы от длительности установившегося состояния для двухфазной и трехфазной обмотки индуктора соответственно, а на фиг.6 - зависимости относительной электромагнитной силы от коэффициента добротности.
Заявляемая индукционная установка для перемешивания жидких металлов содержит, по меньшей мере, двухфазный источник 1 несинусоидального периодического напряжения и индуктор с магнитопроводом 2 и, как минимум, двухфазной обмоткой 3. Индуктор установлен вблизи ванны 4 для воздействия электромагнитным полем на находящийся в ванне жидкий металл 5.
Индукционная установка для перемешивания жидких металлов работает следующим образом.
При включении многофазного источника 1 питания на его выходах появляются несинусоидальные периодические (например, прямоугольные) напряжения с периодом повторения T, под действием которых в обмотках 3 индуктора возникают переходные процессы, длительность которых зависит от параметров обмоток индуктора (L, R), и обусловлены перераспределением энергии на реактивных элементах. На фиг.2а представлены зависимости мгновенных значений напряжения u(t) и тока i(t) от времени за период T в одной из обмоток индуктора, эквивалентная схема замещения которой состоит из последовательного соединения L и R элементов. Как известно из теории переходных процессов в линейных электрических цепях [5], ток в обмотке индуктора (фиг.2а) будет изменяться по закону
m
U - максимальное значение периодического напряжения. В;
T - период периодического напряжения, с;
t - время, с;
в
τ=L/R - постоянная времени, с.
n
в
Длительность переходного процесса (t) зависит от параметров индуктора, то есть от постоянной времени τ и приблизительно равна
y
По окончании переходного процесса в обмотке возникает установившееся состояние длительностью t (фиг.2а), в течение которого ток не меняется, и его величина определяется выражением
Под действием тока в индукторе возникает электромагнитное поле, напряженность магнитного поля H(t) которого определяется законом полного тока
<mrow><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
- вектор напряженности магнитного поля, А/м;
<mrow><mover accent="true"><mi>d</mi><mo>¯</mo></mover><mi>l</mi></mrow>
- вектор, равный по величине элементу контура интегрирования dl и направленный по касательной к контуру, м;
∑i(t) - алгебраическая сумма токов, охваченных контуром интегрирования.
y
n
<mrow><mfrac><mi>T</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>t</mi><mi>у</mi></msub><mo>≤</mo><mfrac><mi>T</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow>
Из выражения (9) следует, что электромагнитное поле будет повторять форму токов. Условно процесс взаимодействия такой формы поля с жидким металлом ванны можно разделить на два. Первый - когда поле не меняется (время t), и оно проникает в толщу металла максимально глубоко, и второй - когда поле меняется во времени с большой скоростью (время t), и в толще металла 5 наводятся кольцевые (вихревые) токи, которые, взаимодействуя с полем, создают силу, приводящую металл 5 в движение. Для эффективного перемешивания жидкого металла в ванне целесообразно на расплав воздействовать бегущим электромагнитным полем. Для этого в индукторе устанавливают две и более обмотки, которые запитываются от источника одинаковым по форме и частоте напряжением, но при этом напряжения сдвинуты по фазе. Например, для двухфазного индуктора (m=2) фазовый сдвиг между напряжениями может быть
(фиг.2а, б), а аналитическое выражение для тока во второй обмотке (при
) имеет вид
В полученных выражениях, для упрощения, взаимная индуктивность между обмотками не учитывалась.
<mrow><mfrac><mi>T</mi><mn>3</mn></mfrac></mrow>
В трехфазном индукторе (m=3) фазовый сдвиг между питающими напряжениями может составлять
(фиг.3), а токи в обмотках в пределах одного периода определяются выражениями
n
Так как длительность переходного процесса t≈3L/R, а длительность установившегося состояния
y
можно получить различные значения t при постоянном значении периода T путем изменения параметров индуктора L и R.
y
С использованием программного продукта ANSIS было проведено численное моделирование электромагнитного поля системы индуктор - ванна с жидким металлом, определены дифференциальные и интегральные электромагнитные характеристики системы. Моделирование проводилось для индукторов с двухфазной и трехфазной обмотками при питании несинусоидальными периодическими токами с различными значениями t. На фиг.4 и фиг.5 представлены зависимости относительных составляющих электромагнитной силы
y
x
z
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>e</mi><mi>x</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>e</mi><mi>z</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
от относительного параметра t/0,5T, соответственно для двухфазной и трехфазной обмоток индуктора. Здесь F и F - тангенциальная (ось x) и нормальная (ось z) составляющие электромагнитной силы соответственно;
и
- единичный вектор, направленный по оси x и z соответственно.
xs
zs
За базовые значения средних за период электромагнитных сил приняты тангенциальная F и нормальная F составляющие электромагнитной силы при питании обмоток синусоидальными токами. То есть
Пунктирные линии на фиг.4 и фиг.5 соответствуют тангенциальным, а сплошные линии соответствуют нормальным составляющим электромагнитных сил.
Как следует из приведенных графиков, при
y
значения как тангенциальной, так и нормальной составляющих электромагнитной силы при несинусоидальном питании обмоток индуктора превосходят аналогичные значения при питании обмоток индуктора синусоидальными токами. Следовательно, если форма питающих обмотку индуктора несинусоидальных токов имеет такое значение длительности установившегося состояния t при заданном периоде T, при котором выполняется неравенство (14), перемешивание будет более эффективным по сравнению с вариантом, в котором обмотка индуктора будет питаться синусоидальными токами.
Подставив (12) в (14), получим неравенство
Величину периода T питающего напряжения можно выбрать из следующих соображений. Известно [2], что зависимость относительной электромагнитной силы от безразмерной величины ε - коэффициента добротности - при различных значениях δ/τ имеет вид, представленный на фиг.6. Здесь δ - расстояние от индуктора до расплава металла 5. Коэффициент добротности определяется как
m
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>э</mi><mi>м</mi></mrow><mo>∗</mo></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>э</mi><mi>м</mi><mtext> </mtext><mi>max</mi></mrow><mo>∗</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>э</mi><mi>м</mi></mrow><mo>∗</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>э</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
При известном значении δ/τ можно определить значение коэффициента добротности ε=ε, при котором относительная электромагнитная сила будет иметь максимальное значение
. Здесь
, где за базисную силу принята
0
0
a
F=µ2pτ··A, [H], где
p - число пар полюсов индуктора;
a
- ширина индуктора, м;
A - линейная токовая нагрузка, А/м.
m
Зная ε, в соответствии с (16) можно определить период (T=1/f), а именно
Подставив (17) в (15), получим
m
Из анализа зависимостей, представленных на фиг.6, можно заключить, что при реальных значениях δ/τ≈0.1÷0.5 значение ε изменяется в пределах от 2 до 4.
m
Подставив эти значения ε в (18), с учетом округления будем иметь:
Следовательно, индукционная установка, обмотка индуктора которой выполнена таким образом, чтобы соблюдалось условие (19), позволяет подобрать частоту многофазного (m=2; 3) источника несинусоидального периодического напряжения (выражение 17), при которой будет возможно максимально эффективное перемешивание металла.
Следует отметить, что при наличии в электрической цепи с последовательным соединением R и L элементов периодического тока i, напряжение на ее зажимах определяется выражением
y
Во время установившегося состояния t изменение электрического тока отсутствует (∂i/∂t=0) и тогда в соответствии с (20)
u=Ri.
В этот период реактивная мощность из сети не потребляется, и, как показали расчеты и измерения на физической модели, в целом потребление реактивной мощности уменьшается по сравнению с вариантом, когда обмотка индуктора питается синусоидальным током.
Таким образом, можно заключить, что заявляемая индукционная установка способствует более эффективному перемешиванию жидких металлов, при этом отмечено снижение потребления реактивной мощности (повышение коэффициента мощности) и сокращение времени перемешивания.
Источники информации
1. Тимофеев В.Н., Христинич P.M., Бояков С.А., Темеров А.А. Опыты работы в области новых технологий и оборудование для цветной металлургии и литейного производства. Алюминиум. Русское издание. Международный журнал для алюминиевой индустрии, 2009, №1, с.16-20.
2. Вольдек А.И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. Л.: Энергия, 1970. - 272 с.
3. Учебник для вузов. Том 2. - 4-е изд. / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. - СПб.: Питер, 2003. - 576 с.: ил.
4. SE 96/00543 (24.04.1996), RU (11) 2157492, опубл. 10.10.2000.
5. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Учебник для вузов. Том 1, - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1981. - 536 с., ил.