УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
ELECTROMAGNETIC CIRCULATION DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству электромагнитного перемешивания для электропроводящего вещества в расплавленном состоянии, например расплавленного металла. Более конкретно, изобретение относится к устройству электромагнитного перемешивания для выполнения бесконтактного перемешивания электропроводящего материала в расплавленном состоянии, например расплавленного металла, посредством использования электромагнитной силы.
Уровень техники
В процессе рафинирования металла добавки по возможности однородно смешиваются с металлом для получения заметных количественных и качественных улучшений, причем расплавленный металл должен в достаточной степени перемешиваться. Перемешивание такого расплавленного металла необходимо также и в других областях металлургического производства, например в производстве композитных материалов с дисперсными металлическими частицами, в производстве сверхчистых металлических веществ посредством полного выделения включений из металла, и производстве металлических веществ высокой чистоты посредством использования операции рафинирования высокого уровня, а также в производстве сплавов, в частности, в случае однородного смешивания компонентов сплава, имеющих значительно различающиеся плотности.
К настоящему времени предложены различные варианты электромагнитных устройств для выполнения бесконтактного, интенсивного и однородного перемешивания расплавленного металла, использующие электромагнитную силу. Известно, что при перемешивании расплавленного металла оказывается эффективным не только круговое перемешивание, но также и вертикальное перемешивание. Однако электромагнитное перемешивание, использующее вращательное (круговое) распространение магнитных полей, имеет недостатки. Когда этот метод применяется для перемешивания расплавленного металла в емкости, то поверхность жидкости по существу искажена из-за вращения и большая часть мощности не может быть задействована. Кроме того, только при вращательном движении расплавленный металл ведет себя подобно вращению твердого тела, и перемешивание расплавленного металла оказывается недостаточным. Кроме того, из результатов эксперимента было установлено, что по сравнению с вращательным движением расплавленного металла движение в осевом направлении (вертикальном направлении) испытывает большое сопротивление, и достаточный эффект не может быть получен только из ротационного движения посредством вращающегося магнитного поля.
В последние годы предлагались устройства электромагнитного перемешивания, в которых электромагнитная сила использовалась так, чтобы одновременно выполнять не только вертикальное перемешивание, но также и круговое перемешивание. В качестве перемешивающего устройства, одновременно выполняющего вертикальное и круговое перемешивание с использованием электромагнитной силы, предложено перемешивающее устройство (Патентный Документ 1) с двумя типами индукционных катушек (соленоидов), а именно с катушками трехфазного переменного тока. Катушки, соответственно, генерируют вертикально распространяющееся бегущее магнитное поле и круговое магнитное поле и расположены снаружи емкости, в которой эффект индукции используется для получения вертикальной и круговой электромагнитной силы, посредством которой одновременно выполняется вертикальное и круговое перемешивание.
Кроме того, известно электромагнитное приводное устройство индукционного типа (Патентный Документ 2). Приводное устройство имеет конструкцию, в которой катушка (далее "ротационный соленоид") для обеспечения вращающегося магнитного поля в расплавленном металле в емкости расположена диагонально относительно оси емкости в виде спирали на железном сердечнике, причем поперечное магнитное поле прикладывается при подключении трехфазного переменного тока, тем самым, обеспечивая аксиально-распространяющееся магнитное поле (бегущее магнитное поле) одновременно с вращающимся магнитным полем.
[Патентный Документ l] Японская выложенная патентная заявка No.2003-220323.
[Патентный Документ 2] Японская выложенная патентная заявка No.2000-152600.
Решаемые изобретением задачи
Однако в устройстве электромагнитного перемешивания, представленном в Патентном Документе 1, соответствующие соленоиды трехфазного переменного тока для получения вертикально распространяющегося бегущего магнитного поля и кругового бегущего магнитного поля накладываются с внешней стороны емкости. Таким образом, объем соленоидов увеличен и, тем самым, увеличен размер устройства, также делает устройство дороже необходимость в катушках двух типов.
В случае устройства электромагнитного перемешивания, представленного в Патентном Документе 2, поскольку соленоид для обеспечения вращающегося магнитного поля расположен спирально, ток, текущий в расплавленном металле, не образует замкнутую петлю в устройстве. Таким образом, возникающая электрическая энергия не дает вклад в приводную силу, и возможность перемешивания остается низкой.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить устройство электромагнитного перемешивания, способное создать потоки, обеспечивающие одновременное выполнение осевого и кругового перемешивания только посредством соленоида, создающего аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле.
Для выполнения поставленной задачи устройство электромагнитного перемешивания в соответствии с настоящим изобретением включает в себя емкость для помещения в нее электропроводящего вещества в расплавленном состоянии, соленоид, создающий аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле для наложения с внешней стороны емкости магнитных силовых линий в осевом направлении емкости на электропроводящее вещество в расплавленном состоянии, содержащееся в емкости, и магнитную пластину в форме полосы, расположенную между соленоидом и емкостью. Магнитная пластина может быть расположена диагонально поперек соленоида или может быть расположена вдоль осевого направления соленоида.
Устройство электромагнитного перемешивания в соответствии с настоящим изобретением формирует вблизи круговой стенки емкости аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле, используя соленоид. Кроме того, осевая электромагнитная сила формируется вследствие электромагнитной индукции, вызываемой током, протекающим через электропроводящее вещество в расплавленном состоянии, например расплавленный металл. В соответствии с осевой электромагнитной силой расплавленному металлу придается осевое движение вблизи круговой стенки. Вместе с тем, на участке, где помещены магнитные пластины, магнитное поле экранируется этими пластинами, предотвращающими локальное проникновение магнитного поля в расплавленный металл и возникновение соответствующей электромагнитной силы. Соответственно, за счет расположения магнитных пластин вблизи круговой стенки емкости формируются участки/области, в которые магнитное поле не проникает, и участки/области, в которые магнитное поле проникает. При этом между ними формируется градиент давления, включающий в себя круговую компоненту, вызываемую электромагнитной силой, при этом из-за осевой электромагнитной силы формируется поток, отличный от потока расплавленного металла, то есть в расплавленном металле образуется поток, текущий вдоль градиента давления, включающий в себя круговую компоненту. Тем самым, в расплавленном металле вблизи круговой стенки емкости образуются потоки, сформированные при соединении осевого движения, обусловленного осевой электромагнитной силой, и вращательного движения, обусловленного градиентом давления. Таким образом, расплавленный металл одновременно перемешивается вдоль осевого и кругового направлений.
Например, в случае когда магнитные пластины, каждая, расположены по диагонали между соленоидом и емкостью, участки, в которые магнитное поле не проникает, обусловлены диагональным расположением магнитных пластин. Тем самым, формируется круговой градиент давления, и в расплавленном металле образуется круговое вращение. Как следствие, происходит закручивание осевого движения, обусловленного осевой электромагнитной силой, и в расплавленном металле формируются спиральные потоки, и формируется вращательное движение, обусловленное круговым градиентом давления.
Альтернативно, в случае когда магнитный пластины, каждая, вертикально (аксиально) расположены между соленоидом и емкостью, участки/области, в которые магнитное поле не проникает из-за магнитных пластин, и участки/области, в которые магнитное поле проникает, располагаются поочередно вдоль кругового направления. В этом случае поток расплавленного металла в направлении электромагнитной силы создается электромагнитной силой в областях, не охваченных действием магнитных пластин, то есть областях, в которые магнитное поле проникает. Однако в областях, охваченных действием магнитных пластин, создается обратный осевой поток, поскольку между верхними и нижними частями расплавленного металла в емкости возникает разность давления в результате потока, имеющего направление аксиально действующей электромагнитной силы. Тем самым, в расплавленном металле создается конвективный поток, текущий вниз или вверх вдоль круговой стенки емкости к ее центру, и конвективный поток, включающий в себя круговое распространение вдоль круговой стенки емкости. Следовательно, расплавленный металл одновременно перемешивается в осевом и круговом направлениях.
В устройстве электромагнитного перемешивания в соответствии с настоящим изобретением в емкости формируется аксиальная электромагнитная сила посредством использования соленоида, создающего аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле. Одновременно посредством магнитных пластин, расположенных между соленоидом и емкостью, в емкости формируются участки/области, в которые магнитное поле проникает, и участки/области, в которые магнитное поле не проникает, и между ними создается градиент давления. При этом в расплавленном металле образуется поток расплавленного металла благодаря действию осевой электромагнитной силы и поток, отличающийся от осевого потока, то есть поток, текущий вдоль градиента давления, включая в себя круговую компоненту. Тем самым, в расплавленном металле вблизи круговой стенки емкости создаются потоки, образованные скручиванием осевого движения, обусловленные осевой электромагнитной силой, и вращательное движение, обусловленное градиентом давления. Таким образом, расплавленный металл одновременно перемешивается вдоль осевого и кругового направлений.
Поток расплавленного металла может управляться по-разному в соответствии с направлениями и расположением магнитных пластин. Например, в случае когда магнитные пластины расположены по диагонали, в расплавленном металле создаются спиральные потоки, сформированные закручиванием осевого движения, обусловленного осевой электромагнитной силой, вращательным движением, обусловленным круговым градиентом давления, тем самым, обеспечивая выполнение перемешивания расплавленного металла.
Альтернативно, в случае когда магнитные пластины расположены вертикально, в расплавленном металле создается одновременно конвективный поток, направленный вниз или вверх вдоль круговой стенки емкости к ее центру, и конвективный поток, включающий круговое распространение вдоль круговой стенки емкости. Тем самым, хотя перемешивание выполняется посредством конвективного потока, направленного в целом к центру емкости, перемешивание может быть выполнено вблизи круговой стенки емкости посредством конвективного потока, локально распространяющегося вдоль круговой стенки.
Кроме того, круговой градиент давления формируется таким образом, что образуется аксиально-распространяющееся магнитное поле для получения осевого движения, сопровождающегося большим сопротивлением, чем вращательное круговое движение в расплавленном металле, и часть сформированного поля затрачивается на получение вращательного движения. Поэтому нет необходимости в создающем вращающееся магнитное поле соленоиде для получения вращающегося магнитного поля. Следовательно, одновременное перемешивание вдоль осевого и кругового направлений может быть выполнено при компактной конструкции, содержащей только соленоиды, создающие аксиально-распространяющееся магнитное поле и сокращенное число соответствующих компонентов. Кроме того, поскольку создается круговая распространяющаяся компонента (ротационная) посредством первичного использования осевой распространяющейся компоненты, эффективной для перемешивания, конструкция предоставляет большие возможности для перемешивания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает вид сечения одного варианта реализации устройства электромагнитного перемешивания в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - вид одного варианта реализации соленоида, создающего аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле, Фиг.2(A) - расширенный вид, Фиг.2(B) - вид сечения щели и участков железного сердечника соленоида, и Фиг.2(C) - пояснительный вид, показывающий соотношение между электромагнитной силой и градиентом давления.
Фиг.3 - соленоид трехфазного переменного тока, работающий как генератор электромагнитной силы, Фиг.3(A) - вид сечения соленоида трехфазного переменного тока, Фиг.3(B) - картина разности фаз в соленоиде трехфазного переменного тока, и Фиг.3(C) - схема электрической структуры соленоида трехфазного переменного тока.
Фиг.4 - вид сечения, показывающий общую конфигурацию другого варианта реализации устройства электромагнитного перемешивания в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 - вид вертикального сечения, показывающий общую конфигурацию устройства электромагнитного перемешивания.
Фиг.6 - поясняющий вид, показывающий состояние расплавленного металла, текущего вблизи круговой стенки емкости посредством соотношения с магнитными пластинами.
Перечень обозначений
1 - Расплавленный металл (электропроводящее вещество в расплавленном состоянии)
2 - Емкость
3 - Соленоид, создающий аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле
4 - Магнитная пластина
10 - Область/участок, в который проникает магнитное поле
11 - Область/участок, в который магнитное поле не проникает
Предпочтительный вариант реализации изобретения
Сущность настоящего изобретения описывается более подробно в соответствии с вариантами реализации, показанными на чертежах.
Устройство электромагнитного перемешивания в соответствии с изобретением включает в себя емкость для содержания электропроводящего вещества в расплавленном состоянии, соленоид для создания аксиально-распространяющегося бегущего магнитного поля для формирования магнитно-силовой линии по оси емкости для электропроводящего вещества в расплавленном состоянии, содержащегося в емкости, с внешней стороны емкости и магнитные пластины в форме полос, расположенные между соленоидами и емкостью.
Аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле формируется в емкости посредством соленоида. Тем самым, вблизи круговой стенки емкости посредством электромагнитной индукции тока, текущего через электропроводящее вещество в расплавленном состоянии, например через расплавленный металл, формируется осевая электромагнитная сила, придающая расплавленному металлу осевое движение вблизи круговой стенки. Одновременно магнитное поле экранируется от локального проникновения в емкость посредством помещения магнитной пластины. Как следствие, вблизи круговой стенки емкости формируются участки/области, в которые магнитное поле не проникает, и участки/области, в которые магнитное поле проникает. Тем самым, между ними создается градиент давления, включая круговую компоненту, обусловленную электромагнитной силой, посредством чего создается поток, отличный от осевого потока, то есть поток, включающий в себя круговую компоненту и вдоль градиента давления. Затем образуются потоки, сформированные закручиванием осевого движения и ротационным движением, обусловленным градиентом давления, заданным расплавленному металлу вблизи круговой стенки емкости, что образует конвективный поток в сосуде. Таким образом, расплавленный металл одновременно перемешивается вдоль осевого направления и по кругу.
Магнитная пластина может быть расположена или по диагонали относительно соленоида, или вытянута вдоль осевого направления соленоида.
На Фиг.1-3 показан пример одного варианта реализации устройства электромагнитного перемешивания в соответствии с настоящим изобретением. Устройство электромагнитного перемешивания включает в себя емкость 2 для помещения электропроводящего вещества в расплавленном состоянии, например металла (далее "расплавленный металл") 1, соленоиды 3, создающие аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле (или далее просто "соленоиды, создающие магнитное поле") для получения аксиально-распространяющегося магнитного поля снаружи емкости 2, и магнитные пластины 4 в форме полос, расположенные между соленоидами 3, создающими магнитное поле, и емкостью 2 и диагонально вытянутые поперек соленоидов 3, создающих магнитное поле. В настоящем варианте реализации направление распространения 12 магнитного поля относится к направлению осевого смещения от верхнего участка к нижнему участку емкости 2.
Емкость 2 выполнена из материала, имеющего температуру плавления выше температуры плавления перемешиваемого расплавленного металла 1 и имеющего высокую магнитную проницаемость для формирования магнитно-силовых линий 13. Материалом может быть любой цветной металл, аустенитная нержавеющая сталь, медь или алюминий, имеющие относительную проницаемость около 1, или так называемый немагнитный материал, например графит или керамика. Емкость 2 выполнена в форме, имеющей достаточный объем и подходящей для перемешивания расплавленного металла 1. Например, емкость 2 может иметь цилиндрическую форму или, более предпочтительно, цилиндрическую форму с полусферическим нижним участком для плавного обращения осевого потока расплавленного металла 1 от нисходящего до восходящему направлению. Естественно, форма не обязательно должна быть цилиндрической. В настоящем варианте реализации емкость 2 имеет возможность покрытия в своем верхнем участке закрывающейся и отрывающейся крышкой 9, через которую расплавленный металл 1 может быть введен или выведен посредством открытия крышки 9. Вместе с тем, конструкция может включать в себя средство подвода или слива в нижней части сосуда, которое позволяет подвести или слить расплавленный металл 1 в зависимости от необходимости перемешивания вещества.
На внешнем участке нижней части емкости 2 имеется нагреватель 8, например соленоид индукционного нагрева для поддержания расплавленного состояния расплавленного металла 1, содержащегося в емкости 2. Нагреватель 8 не обязательно должен быть специальным соленоидом индукционного нагрева, но предпочтительно нагреватель 8 реализует индукционный нагрев для нагрева перемешиваемого вещества, то есть расплавленного металла 1 в емкости 2 без нагрева самой емкости 2. С другой стороны, может быть применена проникающая горелка для непосредственного подвода тепла в расплавленный металл 1, например электрический нагреватель или что-то подобное, в зависимости от перемешиваемого вещества.
Соленоиды 3, создающие магнитное поле, расположены за емкостью 2 посредством вставленного теплозащитного экрана 7. Теплозащитный экран 7 вставлен между емкостью 2 и соленоидами 3, создающими магнитное поле, и предохраняет соленоиды 3, создающие магнитное поле, от нагревания теплом, излучаемым внешней поверхностью стенки емкости 2. Подобно емкости 2, теплозащитный экран 7 выполнен из материала, допускающего проникновение магнитного поля. Этот материал может быть цветным металлом, аустенитной нержавеющей сталью, медью, или алюминием, имеющими относительную магнитную проницаемость около 1, или так называемым немагнитным материалом, например графитом или керамикой. Теплозащитный экран 7 выполнен в форме цилиндра так, чтобы покрывать емкость 2.
Соленоиды 3, создающие магнитное поле, расположены вне емкости 2 таким образом, чтобы покрывать расплавленный металл 1, содержащийся в емкости 2, и формировать аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле 12 для расплавленного металла 1 в емкости 2. В настоящем варианте реализации соленоид 3, создающий магнитное поле, включает в себя цилиндрический железный сердечник 5. Железный сердечник 5 имеет на своей внутренней круговой поверхности кольцевидные бороздки (щели) 6, каждая выполнена открытой в направлении внутрь. Обмотка соленоида 3, создающего магнитное поле, в зависимости от необходимости имеет приблизительно от нескольких витков до 20 витков. Интенсивность магнитного поля определяется в соответствии с перемножением числа витков соленоида и значения протекающего тока. По этой причине число витков соленоида определяется так, чтобы удовлетворить условию получения желаемой интенсивности магнитного поля. Точнее говоря, число витков соленоида определяется так, чтобы удовлетворить условию "(интенсивность магнитного поля)=(число витков соленоида)×(ток)". Применяемый ток для соответствующего соленоида 3, создающего магнитное поле, получается из соотношения "(электрический ток)=(напряжение)/(полное сопротивление)".
Множество щелей у железных сердечников 5 расположено концентрически вдоль осевого направления железного сердечника 5 с равными интервалами. Соленоид образован концентрической намоткой провода, помещаемого в соответствующую щель 6. То есть соленоид 3, создающий аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле, включает в себя множество соленоидов, концентрически расположенных вдоль осевого направления. Число соленоидов 3, создающих магнитное поле, специально никак не ограничено, но устанавливается произвольно в соответствии с, например, видом и объемом расплавленного металла 1, содержащегося и перемешиваемого в емкости 2, и режимом и интенсивностью перемешивания.
На Фиг.2 и 3 показаны примеры соленоидов 3, создающих магнитное поле, имеющих 20 намотанных витков. В соленоиде 3, создающем магнитное поле, показанном на Фиг.2, имеются три типа соленоидов A, B, и С для соответственного протекания трехфазного переменного тока с относительной 120-градусной разностью фаз и три типа соленоидов X, Y, и Z, соответственно подключенных к A, B, и С соленоидам и намотанных в противоположном направлении относительно них. Таким образом, соответственные соленоиды, соответствующие фазам трехфазного переменного тока, обозначены буквами A, B, и С, и соответственные соленоиды, намотанные в противоположном направлении относительно них, обозначены буквами X, Y, и Z. В этом случае, как показано на Фиг.3(B) и 3(C), например, имеется соответствующее соединение между A и X, между В и Y и между С и Z и соленоиды расположены в порядке "A→Z→В→X→С→Y→A→...→Y" к аксиально более низкой стороне емкости, чтобы иметь взаимно противоположное позиционное соотношение, при котором разность фаз соответственных соленоидов между каждым из соленоидов установлена в 60 градусов. Точнее говоря, как показано на Фиг.3(B) и 3(C), когда А установлен на 0 градусов, Z, B, X, С и Y установлены на 60 градусов, 120 градусов, 180 градусов, 240 градусов и 300 градусов соответственно. В итоге соленоид 3, создающий магнитное поле, в настоящем варианте реализации выполнен как включающий множество соленоидов, концентрически расположенных вдоль осевого направления. Дополнительно соленоид является соленоидом трехфазного переменного тока, в котором используются прямо намотанные соленоиды и противоположно намотанные соленоиды, в которых 60-градусная разность фаз обеспечивается между каждым из смежных соленоидов. Следовательно, когда трехфазный переменный ток подается из блока питания (не показан) на соленоиды 3, создающие магнитное поле, как показано стрелкой на Фиг.3(A), например, возникают магнитно-силовые линии 13, которые возвращаются в железный сердечник 5 через сосуд 2 и теплозащитный экран 7 после прохождения через теплозащитный экран 7 и сосуд 2 от железного сердечника 5 и достигают расплавленного металла 1. Тогда как магнитно-силовые линии 13 возникают на элементах соответствующего соленоида, распространяющееся вниз в осевом направлении емкости бегущее магнитное поле 12 формируется из-за, например, разности фаз между смежными соленоидами, направленности их обмоток и вариаций тока, текущего в соответственных соленоидах.
Хотя на чертежах не показано, но в зависимости от конкретного случая соленоиды 3 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 3, создающим аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле, от коммерческого блока питания трехфазным переменным током посредством регулируемого частотного инвертора или подобного.
Магнитные пластины 4 в форме полос для размещения между соленоидами 3, создающими магнитное поле, и емкостью 2 по отдельности устанавливаются таким образом, чтобы быть диагонально вытянутыми поперек соленоидов 3, создающих магнитное поле. Магнитные пластины 4 в настоящем варианте реализации жестко закреплены или установлены так, чтобы быть в контакте с краевыми участками двух сторон щели 6 железного сердечника 5, причем щель содержит соленоид 3, создающий магнитное поле. От двух до четырех магнитных пластин 4 расположено вдоль кругового направления к соленоидам 3, создающим аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле под углом в пределах от 30 до 60 градусов или, предпочтительно, под углом около 45 градусов. Даже когда угол больше или меньше чем пределы от 30 до 60 градусов, круговой градиент давления для формирования спирального потока снижается, так что когда угол составляет почти 45 градусов, может быть получен оптимальный градиент давления для получения спирального потока. Для магнитной пластины 4 предпочтительно использовать, аналогично железному сердечнику, любой из магнитных материалов, имеющих высокую магнитную проницаемость, например мягкие магнитные материалы, включая чистое железо, пластину кремнистой стали, сплавы, например пермаллой, и оксиды, например феррит Mn-Zn или спеченную прессовку из него.
В соответствии с устройством электромагнитного перемешивания 1, описанным выше, когда трехфазный переменный ток подводится к соленоидам трехфазного переменного тока или соленоидам 3, создающим магнитное поле, образуются магнитно-силовые линии 13, проходящие через обойму вокруг соленоидов, в соответствии с законом Ампера. Магнитно-силовые линии 13, образованные соленоидами, проникают через стенку емкости и входят в расплавленный металл 1, тем самым, формируя магнитопровод. С течением времени при трехфазном переменном токе магнитное поле распространяется вокруг соленоидов. В соответствии с распространяющимся магнитным полем 12 в любой момент времени образуется ток 14 в круговом направлении в расплавленном металле в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. Хотя ориентация тока 14 все время изменяется совместно с изменениями магнитного поля, обусловленными распространением магнитного поля, электромагнитная сила 15 в любой момент времени имеет ту же самую ориентацию и, следовательно, обращена к низу емкости. Точнее говоря, при сформированном и распространяющимся вниз магнитным полем 12 в расплавленном металле около поверхности стенки емкости 2 образуется круговой ток 14, то есть в положении, где магнитные силовые линии проникают через сосуд. Например, в положении P1 на Фиг.3(A) образуется ток в направлении от обращенной стороны к лицевой стороне на плоскости чертежа, в то время как в положении P2 на Фиг.3(A) образуется ток в направлении от лицевой стороны к обращенной стороне плоскости чертежа. Направленная вниз электромагнитная сила 15 образуется от распространяющегося магнитного поля и тока, образованного в расплавленном металле 1 в соответствии с законом Флеминга. Хотя образованный в проводящей жидкости 1 ток обращен по направлению, также направления обмоток соленоидов 3 A, B и С и соленоидов 3 X, Y, Z обращены так, чтобы все время создавалась электромагнитная сила 15.
С другой стороны, на участке, имеющем магнитную пластину 4, хотя магнитные силовые линии входят в магнитную пластину 4, магнитные силовые линии не проникают в расплавленный металл в емкости. Точнее говоря, тогда как на участке без магнитной пластины 4 магнитные силовые линии проникают в расплавленный металл 1 в емкости 2, на участке с магнитной пластиной 4 магнитные силовые линии не проникают в расплавленный металл 1.
По описанным выше причинам в расплавленном металле 1 создается не только осевая электромагнитная сила 15, но также одновременно создается разность кругового давления. При этом в расплавленном металле 1 действует диагональная осевая сила, образованная комбинацией осевой электромагнитной силы 15 и кругового градиента давления 16, что приводит к потоку 17 расплавленного металла 1 вдоль диагонального направления к низу (по направлению к днищу печи). Поток 17 от направления к низу печи обращается в восходящий поток. Поток течет вверх до поверхности жидкости в центре печи и, кроме того, снова обращается на поверхности жидкости в сторону стенки печи. Затем поток, как нисходящий, течет вдоль поверхности стенки печи и создает циркулирующий конвективный поток. Хотя конвективный поток имеет осевое перемещение 18 как главную компоненту, перемещение 18 содержит круговую компоненту 19 вращения и, следовательно, конвективный поток действует как поток для одновременного выполнения осевого и кругового перемешивания.
Возникновение кругового градиента 16 давления, связанного с расположением полосковых магнитных пластин 4, рассматривается ниже в приведенном примере. Рассмотрим, как показано на Фиг.2(C), баланс между электромагнитной силой и давлением, действующим в расплавленном металле вблизи краев A и В магнитной пластины. Электромагнитная сила f и давление p связаны следующим уравнением на участке без магнитной пластины 4:
2
∇p-∇f=0
Величина δp отображает приращение давления, соответствующего пространственному изменению электромагнитной силы из-за влияния магнитной пластины 4, причем приращение составляет
2
δp=∇p-∇f
на краю A, поскольку электромагнитная сила исчезает на участке магнитной пластины,
∇f<0.
Соответственно,
δp>0.
На краю B, поскольку электромагнитная сила, равная нулю на участке магнитной пластины, появляется
∇f>0.
Соответственно,
δp<0.
Таким образом, круговой градиент давления возникает из-за увеличения или уменьшения давления на краю А, В магнитной пластины 4 и объединяется с электромагнитной силой 15, тем самым, формируя диагональный поток 17. Участки/области 11, в которые магнитное поле не проникает из-за магнитных пластин 4, расположены диагонально. Тем самым, круговой градиент 16 давления формируется между участками/областями 11 и участками/областями 10, которые отнесены от магнитных пластин 4 и в которые магнитное поле проникает. В результате в расплавленном металле 1 создаются спиральные потоки, образованные скручиванием осевого движения 18, обусловленного осевой электромагнитной силой 15, и вращательное движение 19, обусловленное круговым градиентом давления, текущие вблизи круговой стенки емкости 2. Спиральный поток вызывает конвективный поток расплавленного металла 1 в емкости 2 для получения, тем самым, не только осевого перемешивания, но также и кругового перемешивания.
В состоянии, когда в расплавленном металле 1 создаются потоки, образованные скручиванием осевого движения и ротационным движением, в расплавленном металле 1 создается нисходящий поток, текущий вблизи круговой стенки емкости 2, и в расплавленном металле 1 создается восходящий поток, текущий в центральном участке емкости 2. Кроме того, жидкая поверхность расплавленного металла 1 утапливается вращательным движением, обусловленным круговым градиентом давления в центральной части емкости 2. Как следствие, жидкая поверхность расплавленного металла 1 формируется по существу однородной и поддерживается по существу плоской вдоль радиального направления емкости 2. При этом не происходит перелива расплавленного металла 1 из емкости 2, даже когда создается высокая скорость движения потока в расплавленном металле 1 посредством подачи большого тока в соленоид 3, создающий аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле.
Дополнительно в устройстве в соответствии с настоящим изобретением часть аксиально-распространяющегося бегущего магнитного поля, создаваемого соленоидом 3, не проникает в расплавленный металл 1, и создается круговой градиент давления, тем самым, обеспечивая вращательное движение. По этой причине создание магнитного поля используется как первичный источник для осевого движения, вызывающего большее сопротивление, чем вращательное движение расплавленного металла 1, и вращательное движение, полученное без потери осевого движения, может быть преобразовано в осевое движение. Следовательно, в расплавленном металле 1 может быть получено интенсивное и однородное перемешивание.
Ниже показан пример для алюминия как вещества для перемешивания, причем перемешивание выполнено в соответствии со следующей спецификацией:
Емкость: 50-100 л
Температура: 700-900°C
Напряжение трехфазного переменного тока соленоида: 150-200 В
Сила тока трехфазного переменного тока соленоида: 100-150 А
Частота трехфазного переменного тока соленоида: 10-20 Гц
Магнитное поле (максимальное значение) трехфазного переменного тока соленоида: 2 Тл
На Фиг.4-6 показан второй вариант реализации устройства электромагнитного перемешивания по настоящему изобретению. Устройство электромагнитного перемешивания имеет отличающуюся конфигурацию от рассмотренного выше устройства, или первого варианта реализации, в смысле расположения магнитных пластин 4. Однако другие участки конфигурации подобны или идентичны таковым для первого варианта реализации, и их описание не приводится.
Как показано на Фиг.4, плоские магнитные пластины 4, расположенные между соленоидами 3, создающими магнитное поле, и емкостью 2, располагаются аксиально, то есть вертикально, вдоль внутренней стороны соленоидов 3, создающих магнитное поле. Магнитные пластины 4 в настоящем варианте реализации неподвижно закреплены или установлены, чтобы быть в контакте с краевыми участками двух сторон щели железного сердечника, той щели, которая содержит соленоид 3, создающий магнитное поле. Две магнитные пластины 4 располагаются симметрично с угловым интервалом 180 градусов вдоль окружности емкости 2. Ширина и толщина магнитной пластины 4 и интервал расположения между магнитными пластинами 4 задают размеры области, в которую магнитное поле не проникает. По этой причине предпочтительно, чтобы размерные параметры были надлежащим образом выбраны в соответствии с параметрами устройства, например необходимыми условиями перемешивания, величиной прикладываемого магнитного поля и/или размером емкости. Например, в случае когда требуется заметная разность между областями, где электромагнитная сила активна и неактивна, для получения больших встречных потоков, чтобы тем самым усилить круговое перемешивание, предпочтительно, чтобы ширина и толщина магнитной пластины 4 были большими, соответствуя этому требованию. Для примера, в варианте реализации, показанном на Фиг.4, размерные параметры установлены как подходящие значения так, что ширина магнитной пластины имеет угол θ 45 градусов относительно центра емкости на внутренней поверхности соленоида 3, создающего магнитное поле, и толщину пластины около 5 мм. Однако, естественно, размерные параметры не ограничиваются этими конкретными значениями. Кроме того, в соответствии с настоящим вариантом реализации две магнитные пластины 4 расположены с угловым интервалом 180 градусов и могут быть предусмотрены одна, или три, или четыре магнитные пластины.
В соответствии с устройством электромагнитного перемешивания 1, сконфигурированного так, как описано выше, когда магнитные силовые линии создаются вокруг соленоидов пропусканием трехфазного переменного тока через соленоиды 3, создающие магнитное поле (соленоиды трехфазного переменного тока), магнитные линии проникают через круговую стенку емкости 2 и входят в расплавленный металл 1, тем самым, формируя магнитопроводы в участках/областях 10, не имеющих магнитные пластины 4 и, таким образом, не подверженных действию магнитных пластин 4. Однако в участках/областях 11, где магнитные пластины 4 присутствуют, магнитные силовые линии попадают в магнитную пластину 4 и, таким образом, не проникают в расплавленный металл в сосуде. Следовательно, вблизи круговой стенки сосуда, в которую магнитные силовые линии 15 входят, электромагнитная сила 15, имеющая всегда одно направление, или распространяющееся к низу магнитное поле в настоящем варианте реализации, формируется током, направленным электромагнитной индукцией, протекающим через расплавленный металл вдоль постоянного кругового направления. Однако электромагнитная сила 15 не создается в участках/областях 11, имеющих магнитные пластины 4. Формирование магнитных силовых линий и механизм создания электромагнитной силы описаны подробно для первого варианта реализации и поэтому здесь не повторяются.
Осевая электромагнитная сила 15 для расплавленного металла 1 вблизи круговой стенки емкости 2 действует следующим образом. Осевая электромагнитная сила 15 действует, чтобы придать осевое движение, или нисходящий поток в настоящем варианте реализации, расплавленному металлу 1. Поток в направлении осевого действия электромагнитной силы 15 вызывает разность давления между верхними и нижними участками расплавленного металла в сосуде. При этом, как показано на Фиг.5, поток большей части расплавленного металла около стенки емкости вызывает конвективный поток 18, который течет вниз вблизи стенки емкости и который течет вверх в центре сосуда. Дополнительно нисходящий осевой поток создается электромагнитной силой 15 на участке, отнесенном от магнитной пластины 4, но электромагнитная сила не создается в областях 11, имеющих магнитные пластины 4. Соответственно, создается обратный осевой поток, текущий от нижнего участка 22 высокого давления к верхнему участку 22 низкого давления в соответствии с разностью давлений, действующей на расплавленный металл, то есть в соответствии с различием давления в расплавленном металле между верхними и нижними частями сосуда. Как следствие, как показано на Фиг.6, часть нисходящего потока расплавленного металла, образованного на участке 10, который отнесен от магнитной пластины и в который магнитные силовые линии вероятно входят, протекает в участок магнитной пластины 4 как круговой поток, направленный на сторону магнитной пластины 4, которая имеется на участке 11, в который магнитные силовые линии не проникают. Затем после изменения на восходящий поток и далее на круговой поток, отделенный от магнитной пластины в верхней части емкости 2, часть нисходящего потока снова создает конвективный поток 20, который включает в себя круговую компоненту вдоль круговой стенки емкости и который изменяется на нисходящий поток электромагнитной силой.
Таким образом, в расплавленном металле 1 имеется созданный конвективный поток 18 (см. Фиг.5), направленный вниз в центр емкости вдоль круговой стенки емкости 2, и конвективный поток 20 (см. Фиг.6), включающий в себя перемещение в круговом направлении вдоль круговой стенки емкости. Тем самым, в дополнение к вертикальному перемешиванию выполняется круговое перемешивание.
Хотя описанные выше соответствующие варианты реализации являются предпочтительными примерами настоящего изобретения, изобретение не ограничивается ими и может быть выполнено модифицированным или измененным различным образом без отступления от существа и объема применения изобретения. Например, хотя вариант реализации описан для случая, когда смещение направления магнитного поля и направления электромагнитной силы является направлением вниз, смещаемое направление магнитного поля может быть установлено как направление вверх в зависимости от конкретного случая. Независимо от направления магнитного поля может быть получен подобный же эффект перемешивания, и направление вверх или вниз электромагнитной силы выбирается в соответствии с требуемыми условиями. Кроме того, в соответствии с вариантом реализации, хотя магнитные пластины 4 установлены на внутреннюю поверхность соленоидов 3, создающих аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле, они могут быть установлены непосредственно на внешнюю круговую поверхность емкости 2 или могут быть расположены в пространстве между емкостью 2 и соленоидами 3, создающими магнитное поле. Кроме того, вариант реализации описан в связи с примером, использующим емкость 2 с дном, используемую для перемешивания вещества, например расплавленного металлического алюминия 1. Однако настоящее изобретение не ограничивается этим и, конечно, может быть применено к емкостям, допускающим перетекание металла.
Кроме того, в соответствии с вариантом реализации аксиально-распространяющееся бегущее магнитное поле формируется с использованием соленоидов трехфазного переменного тока, которые создают пространственное распределение усредненных магнитных полей. Однако настоящее изобретение может быть выполнено с двухфазными соленоидами, поскольку они также являются соленоидами переменного тока.
Кроме того, в описанном варианте реализации для перемешивания использовался металл в расплавленном состоянии как электропроводящее вещество. Однако вещество не обязательно должно быть таким металлом, но также могут быть перемешаны электропроводящие пластические вещества и электропроводящие керамические вещества.