СПОСОБ, УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
MOLTEN METAL MIXING METHOD, DEVICE AND SYSTEM

Настоящее изобретение относится к усовершенствованиям устройства для перемешивания расплавленных металлов и/или способам перемешивания расплавленных металлов.
Из уровня техники известны магнитогидродинамические решения для перемешивания расплавленных металлов. Заявителем выявлен недостаток существующих подходов к перемешиванию небольших объемов расплавленных металлов, в частности, в случаях, когда глубина расплава невелика.
Одна из возможных целей настоящего изобретения, - обеспечить более эффективное перемешивание ограниченного количества расплавленного металла, в особенности при его ограниченной глубине. Другая из возможных целей настоящего изобретения, - обеспечить альтернативный принцип перемешивания расплавленных металлов. Третья из возможных целей настоящего изобретения - обеспечить усовершенствованное устройство для перемешивания расплавленных металлов и/или усовершенствованные способы перемешивания расплавленных металлов.
Согласно первой особенности изобретения, предлагается способ перемещения расплавленного металла, включающий в себя:
а) обеспечение наличия в емкости расплавленного металла, при этом расплавленный металл имеет поверхность, которая образует первую плоскость;
б) обеспечение наличия электромагнитного индуктора, который в рабочем состоянии создает электромагнитное поле, при этом часть электромагнитного поля (магнитный поток) входит в расплавленный металл, при этом электромагнитный индуктор включает в себя по крайней мере две пары электромагнитных полюсов;
при этом полюса в полюсной паре находятся на расстоянии друг от друга в первом направлении, при этом первое направление перпендикулярно первой поверхности, и
одна электромагнитная полюсная пара находится на расстоянии от другой электромагнитной полюсной пары во втором направлении, при этом второе направление параллельно первой плоскости и перпендикулярно первому направлению;
в) обеспечение наличия регулятора для электромагнитного индуктора, посредством которого регулируется величина тока и/или напряжения, прикладываемого к одной или нескольким катушкам полюсов в электромагнитном индукторе, а также фаза приложения к одной или нескольким катушкам полюсов в электромагнитном индукторе, таким образом, чтобы:
i) создать первую составляющую магнитного поля между одним полюсом первой электромагнитной полюсной пары и вторым полюсом другой электромагнитной полюсной пары;
ii) создать вторую составляющую магнитного поля между двумя полюсами одной или нескольких пар электромагнитных полюсов, при этом вторая составляющая магнитного поля создает один или несколько вихревых токов в расплавленном металле, при этом один или несколько вихревых токов являются в целом параллельными первой плоскости.
Первая особенность изобретения может включать в себя любые другие признаки, варианты или возможности, описание которых приводится в других разделах настоящей заявки, в том числе, в разделах, касающихся других особенностей изобретения.
Электромагнитное поле предпочтительно означает магнитный поток.
Этот способ может быть способом для перемешивания расплавленного металла. Этот способ может быть способом для перемещения расплавленного металла, чтобы более равномерно распределить энергию и/или один или несколько химических компонентов внутри расплавленного металла.
Расплавленный металл может быть алюминием, включая его сплавы.
Емкость может быть оснащена источником тепла: например, печь, например, для загрузки литейного производства. Емкость может быть не оснащена источником тепла: например, удерживающий резервуар, например, для загрузки литейного производства, и/или сосуд для транспортировки, например, ковш. Емкость может быть частью системы непрерывного литья: например, кристаллизатор.
Расплавленный металл внутри емкости имеет глубину, например, считающуюся перпендикулярной первой плоскости. Глубина расплавленного металла может уменьшаться в результате расхода расплавленного металла на нужды других операций, например, литья. Глубина расплавленного металла может увеличиваться, например, в результате перехода металла из твердого состояния в жидкое, например, при пуске печи. Глубина расплавленного металла в емкости на этапе снижения глубины может составлять менее 25 см, в ряде случае менее 15 см, в некоторых случаях менее 10 см и, возможно, даже менее 5 см. Глубина расплавленного металла на этапе, не предусматривающем ее снижения, может быть более 15 см, например, более 20 см и, возможно, более 30 см.
Электромагнитный индуктор может иметь длину, эта длина вытянута вдоль стены емкости, параллельно первой плоскости. Электромагнитный индуктор может включать в себя, по крайней мере, две электромагнитные полюсные пары, при этом пары находятся бок о бок друг от друга. Электромагнитный индуктор может включать в себя одну, две или несколько электромагнитных полюсных пар. У двух, нескольких или всех электромагнитных полюсных пар может быть одинаковая конструкция.
Электромагнитный индуктор может иметь глубину, эта глубина вытянута перпендикулярно первой плоскости. Устройство согласно изобретению и/или способ согласно изобретению может применяться в частности, когда глубина расплавленного металла в ванне, например, максимальная глубина, меньше или равна глубине индуктора.
Одна, или несколько, или все пары электромагнитных полюсов могут быть устроены так, чтобы один полюс находился на максимальном расстоянии от другого полюса в первом направлении, например, когда первое направление имеет вертикальную ориентацию. Максимальное расстояние может быть одинаковым для всех полюсных пар. Одна, или несколько, или все электромагнитные полюсные пары могут быть устроены так, чтобы один полюс находился на максимальном расстоянии от другой полюсной пары в первом направлении, имеющем невертикальную ориентацию.
Одна, или несколько, или все электромагнитные полюсные пары могут быть устроены так, чтобы их полюса совпадали друг с другом в вертикальной плоскости. Одна, или несколько, или все электромагнитные полюсные пары могут быть устроены так, чтобы их полюса не совпадали друг с другом в вертикальной плоскости. Одна, или несколько, или все электромагнитные полюсные пары могут быть расположены под наклоном относительно вертикали. Одна, или несколько, или все электромагнитные полюсные пары могут быть ориентированы горизонтально. Одна, или несколько, или все электромагнитные полюсные пары могут быть расположены под углом между горизонталью и вертикалью.
Электромагнитные полюсные пары в разных парах могут быть расположены под одним и тем же углом, например, все вертикально. Электромагнитные полюсные пары в разных парах могут быть расположены под одним и тем же углом наклона относительно вертикали. Электромагнитные полюсные пары в разных парах могут быть расположены под одним и тем же углом наклона относительно вертикали, но при этом направления наклона в одном или нескольких случаях может быть различным. Электромагнитные полюсные пары в разных парах могут быть расположены под разным углом относительно вертикали. Например, один или несколько могут быть под углом до 10° относительно горизонтали, а еще один или несколько могут быть под углом до 10° относительно вертикали.
Одна или несколько полюсных пар могут быть сформированы вокруг сердечника.
Сердечник может иметь С-образную форму. С-образный сердечник может включать в себя первый элемент, вытянутый в первом направлении и соединяющий первый конечный элемент и второй конечный элемент между собой, предпочтительно так, чтобы и первый, и второй конечные элементы располагались параллельно первой плоскости. Катушка может быть намотана вокруг сердечника, например, по направлению к одному концу, в идеале на первом конечном элементе. Другая катушка может быть намотана вокруг сердечника, например, по направлению к другому концу, в идеале на втором конечном элементе.
Сердечник может иметь I-образную форму, I-образный сердечник может включать в себя первый элемент, вытянутый в первом направлении и соединяющий первый конечный элемент и второй конечный элемент между собой, предпочтительно так, чтобы и первый, и второй конечные элементы располагались параллельно первой плоскости. Катушка может быть намотана вокруг сердечника, например, по направлению к одному концу, в идеале на первом конечном элементе. Другая катушка может быть намотана вокруг сердечника, например, по направлению к другому концу, в идеале на втором конечном элементе.
Сердечник может иметь L-образную форму. L-образный сердечник может включать в себя первый конечный элемент, расположенный в первом направлении, и, возможно, второй конечный элемент, расположенный перпендикулярно ему. Первый конечный элемент может располагаться параллельно первой плоскости. Катушка может быть намотана вокруг сердечника, например, по направлению к одному концу, в идеале на первом конечном элементе. Другая катушка может быть намотана вокруг сердечника, например, по направлению к другому концу, в идеале на втором конечном элементе.
Сердечник может располагаться на стенке емкости. Сердечник может целиком располагаться на стенке емкости. Одна или несколько частей сердечника могут находиться выше и/или ниже емкости. Один конечный элемент С-образного сердечника может находиться над емкостью, а еще один конечный элемент С-образного сердечника - ниже емкости. Один конечный элемент L-образного сердечника может находиться ниже емкости.
Сердечник может находиться между двумя или несколькими емкостями. Первая составляющая магнитного поля и вторая составляющая магнитного поля от сердечника, по отношению к одному, или нескольким, или всем сердечникам, могут проникать в две или несколько емкостей. Такой сердечник может быть установлен на первой стенке одной емкости и на второй стенке одной или нескольких других емкостей. Одна или несколько частей сердечника может находиться выше и/или ниже первой такой емкости и/или одной или нескольких других емкостей.
Устройство может быть оснащено одним или несколькими концентраторами для первой составляющей магнитного поля и/или второй составляющей магнитного поля.
Индуктор может располагаться на стенке емкости. Индуктор может целиком располагаться на стенке емкости. Одна или несколько частей индуктора может находиться выше и/или ниже емкости. Один конечный элемент С-образного сердечника в составе индуктора может находиться над емкостью, а еще один конечный элемент С-образного сердечника в составе индуктора может находиться ниже емкости. Один конечный элемент I-образного сердечника в составе индуктора может находиться над емкостью, а еще один конечный элемент I-образного сердечника в составе индуктора может находиться ниже емкости. Один конечный элемент L-образного сердечника в составе индуктора может находиться ниже емкости. Одна, или несколько, или все электромагнитные полюсные пары могут быть расположены так, чтобы между ними и следующей электромагнитной полюсной парой сохранялось определенное расстояние, при этом максимальное расстояние находится во втором направлении. Максимальное расстояние между каждой соседней полюсной парой может быть одинаковым.
Регулятор может регулировать ток, приложенный к каждой катушке, по отдельности. Регулятор может регулировать напряжение, приложенное к каждой катушке, по отдельности. Регулятор может регулировать фазу, приложенную к каждой катушке, по отдельности. Регулировка фазы может быть обеспечена для первой составляющей магнитного поля.
Первая составляющая магнитного поля может быть создана путем сдвига фаз во времени между соседними полюсными парами. Первая составляющая магнитного поля может быть создана между первым полюсом, например, верхним полюсом, в одной полюсной паре, и другим полюсом, например, нижним полюсом, в другой полюсной паре. Эти полюсные пары могут быть соседними друг к другу. Фаза может быть использована для управления ориентацией и/или положением первой составляющей магнитного поля. Угол сдвига фазы между одним полюсом и другим аналогичным полюсом в соседней паре может увеличиваться на 90 электрических градусов. Угол сдвига фазы может быть на 180 электрических градусов больше для другого полюса в той же паре.
Первая составляющая магнитного поля может быть создана путем подачи переменного тока с модулированной частотой на катушки. Первая составляющая магнитного поля может быть создана с помощью двух-, или трех-, или многофазной системы.
Таким образом, первая составляющая магнитного поля может возбудить один или несколько вихревых токов в расплавленном металле, при этом такие один или несколько вихревых токов могут быть в целом перпендикулярны первой плоскости. Такие один или несколько вихревых токов, в целом ориентированные перпендикулярно первой плоскости и возбужденные первой составляющей магнитного поля, могут быть меньше, чем один или несколько вихревых токов, параллельных первой плоскости и созданных второй составляющей магнитного поля.
Вторая составляющая магнитного поля может быть переменной или постоянной. Вторая составляющая магнитного поля может быть создана путем сдвига фаз во времени внутри одной или нескольких полюсных пар. Вторая составляющая магнитного поля может быть создана между первым полюсом и вторым полюсом для всех полюсных пар. Вторая составляющая магнитного поля может быть одинаковой для каждой полюсной пары.
Один или несколько вихревых токов могут иметь составляющую, которая параллельна первой плоскости. Максимальная величина такой составляющей для одного, или нескольких, или всех вихревых токов может быть параллельна первой плоскости. Один или несколько вихревых токов могут быть созданы с помощью одной из полюсных пар. Каждая полюсная пара может создать вихревой ток. Вихревой ток или токи, созданные любой полюсной парой, могут обтекать магнитный поток между полюсами. Каждая полюсная пара может создавать вихревые токи, которые являются параллельными первой плоскости, вихревые токи, которые являются перпендикулярными первой плоскости, а также вихревые токи, которые расположены под промежуточным углом к первой плоскости и перпендикулярно первой плоскости. Те вихревые токи, которые расположены параллельно первой плоскости, могут быть наибольшей величины, в частности, предпочтительно, чтобы их величина была больше, чем у токов, идущих перпендикулярно первой плоскости и/или под промежуточным углом. Вихревые токи, параллельные первой плоскости, могут обладать большими размерами и/или быть вытянутыми внутри расплавленного металла, предпочтительно, чтобы они имели большие размеры и/или были бы более вытянутыми, чем токи, перпендикулярные первой плоскости и/или находящиеся к ней под промежуточным углом.
Вихревые токи, параллельные первой плоскости и созданные второй составляющей магнитного поля, могут быть теми токами, которые обладают наибольшей величиной, предпочтительно, чтобы их величина была больше, чем у токов перпендикулярных первой плоскости и/или любой другой плоскости, которые созданы первой составляющей магнитного поля. Вихревые токи, параллельные первой плоскости и созданные вторым магнитным полем, могут иметь большие размеры и/или протяженность в расплавленном металле, предпочтительно, чтобы их размеры и/или протяженность были больше, чем у токов перпендикулярных первой плоскости и/или любой другой плоскости, созданных первой составляющей магнитного поля.
Один или несколько вихревых токов могут создаваться путем комбинации всех полюсных пар. Вихревой ток или токи, созданные комбинацией всей полюсных пар, могут обтекать магнитный поток для всех полюсных пар.
Один или несколько других вихревых токов могут генерироваться в других плоскостях, в особенности, перпендикулярно первой плоскости. Эти другие вихревые токи могут иметь максимальную величину, которая меньше, чем один, или несколько, или всех вихревые токи.
Согласно второй особенности изобретения, предлагается способ перемещения расплавленного металла, включающий в себя:
а) обеспечение наличия в емкости расплавленного металла;
б) обеспечение наличия индуктора, при этом индуктор включает в себя по крайней мере две пары магнитных полюсов;
при этом полюса в полюсной паре находятся на расстоянии друг от друга в первом направлении, и
одна полюсная пара находится на расстоянии от другой полюсной пары во втором направлении, при этом второе направление отлично от первого направления;
в) обеспечение наличия регулятора для электромагнитного индуктора, посредством которого регулируется прилагаемый ток, и/или напряжение, и/или фаза таким образом, чтобы:
i) создать первую составляющую магнитного поля, которая перемещает металл в одном или нескольких первых направлениях;
ii) создать вторую составляющую магнитного поля, которая перемещает металл в одном или нескольких вторых направлениях.
Предпочтительно, чтобы расплавленный металл имел поверхность, и чтобы эта поверхность образовывала первую плоскость.
Предпочтительно, способ включает в себя обеспечение наличия электромагнитного индуктора. Предпочтительно, чтобы индуктор включал в себя по крайней мере две магнитные полюсные пары. Еще более предпочтительно, чтобы электромагнитный индуктор включал в себя по крайней мере две пары электромагнитных полюсных пар.
Предпочтительно, полюса в полюсной паре находятся на расстоянии друг от друга в первом направлении. Предпочтительно, чтобы первое направление было перпендикулярно первой поверхности.
Предпочтительно, чтобы одна полюсная пара находилась на расстоянии от другой пары полюсов во втором направлении. Предпочтительно, чтобы второе направление было параллельно первой плоскости и, предпочтительно, перпендикулярно первому направлению.
Предпочтительно, чтобы регулятор регулировал величину тока и/или напряжения, приложенных к одной или нескольким катушкам полюсов в индукторе, а также фазу приложения к одной или нескольким катушкам полюсов в индукторе.
Предпочтительно, что первая составляющая магнитного поля создавалась между одним полюсом в первой полюсной паре и вторым полюсом другой полюсной пары. Первая составляющая магнитного поля может задавать первые направления перемещения для расплавленного металла, которые в целом являются параллельными первой плоскости. Первая составляющая магнитного поля может задавать первые направления перемещения, которые совпадают с направлением опережений по фазе на катушках индуктора.
Предпочтительно, вторая составляющая магнитного поля создается между двумя полюсами одной или нескольких полюсных пар. Предпочтительно, вторая составляющая магнитного поля порождает один или несколько вихревых токов в расплавленном металле. Предпочтительно, эти один или несколько вихревых токов являются в целом параллельными первой плоскости. Вторая составляющая магнитного поля может задавать вторые направления перемещения, совпадающие или не совпадающие с первыми направлениями перемещения. Вторые направления перемещения могут увеличивать перемещения и/или перемешивание расплавленного металла.
Вторая особенность изобретения может включать в себя любые другие признаки, варианты или возможности, описание которых приводится в других разделах настоящей заявки, в том числе, в разделах, касающихся других особенностей изобретения.
Согласно третьей особенности изобретения предлагается устройство для перемещения расплавленного металла, содержащее:
а) электромагнитный индуктор, который в рабочем состоянии создает электромагнитное поле, при этом часть электромагнитного поля входит в расплавленный металл, при этом электромагнитный индуктор включает в себя по крайней мере две пары электромагнитных полюсных пар;
при этом полюса в электромагнитной полюсной паре находятся на расстоянии друг от друга в первом направлении, и
одна электромагнитная полюсная пара находится на расстоянии от другой электромагнитной полюсной пары во втором направлении, при этом второе направление перпендикулярно первому направлению;
в) регулятор для электромагнитного индуктора, посредством которого регулируется величина тока и/или напряжения, прикладываемого к одной или нескольким катушкам полюсов в электромагнитном индукторе, а также фаза приложения к одной или нескольким катушкам полюсов в электромагнитном индукторе, таким образом, чтобы:
i) создать первую составляющую магнитного поля между одним полюсом первой электромагнитной полюсной пары и вторым полюсом другой электромагнитной полюсной пары;
ii) создать вторую составляющую магнитного поля между двумя полюсами одной или нескольких электромагнитных полюсных пар, при этом вторая составляющая магнитного поля создает один или несколько вихревых токов в расплавленном металле, при этом один или несколько вихревых токов являются в целом параллельными первой плоскости, при этом расплавленный металл имеет поверхность, которая образует первую плоскость.
Третья особенность изобретения может включать в себя любые другие признаки, варианты или возможности, описание которых приводится в других разделах настоящей заявки, в том числе, в разделах, касающихся других особенностей изобретения.
Согласно четвертой особенности изобретения предлагается устройство для перемещения расплавленного металла, содержащее:
а) индуктор, включающий в себя по крайней мере две пары магнитных полюсных пар;
а. при этом полюса в полюсной паре находятся на расстоянии друг от друга в первом направлении, и
б. одна полюсная пара находится на расстоянии от другой полюсной пары во втором направлении, при этом второе направление отлично от первого направления;
б) обеспечение наличия регулятора для электромагнитного индуктора, посредством которого регулируется прилагаемый ток, и/или напряжение, и/или фаза таким образом, чтобы:
i) создать первую составляющую магнитного поля, которая перемещает металл в одном или нескольких первых направлениях;
ii) создать вторую составляющую магнитного поля, которая перемещает металл в одном или нескольких вторых направлениях.
Четвертая особенность изобретения может включать в себя любые другие признаки, варианты или возможности, описание которых приводится в других разделах настоящей заявки, в том числе, в разделах, касающихся других особенностей изобретения.
Различные варианты осуществления изобретения будут теперь описаны только для примера, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
Фигуры 1а, 1b и 1с иллюстрируют некоторые типичные конструкции катушек МГД перемешивателя.
Фигура 2 иллюстрирует магнитное поле между полюсами и расположение вихревых токов согласно известного МГД-устройства.
Фигура 3 иллюстрирует магнитное поле между полюсами и расположение вихревых токов согласно изобретению.
На фигуре 4 схематично показаны два С-образных индуктора с Сообразными сердечниками.
Фигура 5 представляет собой модель индуктора с продольным/поперечным бегущим магнитным полем, установленного на стену печи, в изометрической проекции.
Фигура 6 представляет собой модель индуктора с перпендикулярным магнитным полем (с С-образным сердечником), установленного на стену печи, в изометрической проекции.
Фигура 7, - индуктор по фигуре 5 на виде сверху.
Фигура 8, - индуктор по фигурам 5 и 7 на виде сбоку.
Фигура 9, - индуктор по фигуре 6 на виде сверху.
Фигура 10, - индуктор по фигурам 6 и 9 на виде сбоку.
Фигура 11а изображает вихревые токи в ванне при глубине расплава 1 м (по всем пяти слоям) для индуктора с продольным бегущим магнитным полем.
Фигура 11b изображает вихревые токи в ванне при глубине расплава 1 м (по всем пяти слоям) для индуктора с поперечным бегущим магнитным полем.
Фигура 12а показывает плотность сил Лоренца в ванне при глубине расплава 1 м (по всем пяти слоям) для индуктора с продольным бегущим магнитным полем.
Фигура 12b показывает плотность сил Лоренца в ванне при глубине расплава 1 м (по всем пяти слоям) для индуктора с поперечным бегущим магнитным полем.
Фигура 13а изображает вихревые токи в центральном слое расплава (третий слой, толщина 0,2 м) для индуктора с продольным бегущим магнитным полем.
Фигура 13b изображает вихревые токи в центральном слое расплава (третий слой, толщина 0,2 м) для индуктора с поперечным бегущим магнитным полем (с С-образным сердечником).
Фигура 14а показывает плотность сил Лоренца в центральном слое расплава (третий слой, толщина 0,2 м) для индуктора с продольным магнитным полем.
Фигура 14b показывает плотность сил Лоренца в центральном слое расплава (третий слой, толщина 0,2 м) для индуктора с поперечным магнитным полем.
Фигура 15а изображает вихревые токи в самом нижнем слое расплава (первый слой, толщина 0,2 м) для индуктора с продольным бегущим магнитным полем.
Фигура 15b изображает вихревые токи в самом нижнем слое расплава (первый слой, толщина 0,2 м) для индуктора с поперечным бегущим магнитным полем.
Фигура 16а показывает плотность сил Лоренца в самом нижнем слое расплава (первый слой, толщина 0,2 м) для индуктора с продольным бегущим магнитным полем.
Фигура 16b показывает плотность сил Лоренца в самом нижнем слое расплава (первый слой, толщина 0,2 м) для индуктора с поперечным бегущим магнитным полем.
Фигура 17 показывает зависимость суммарных сил, созданных индукторами в расплаве по глубине расплава в ванне.
Фигура 18 изображает некоторые варианты исполнения индукторов с частичным покрытием ванны.
Фигура 19 изображает установку пары индукторов с поперечным магнитным полем для перемешивания жидкой сердцевины слитка в процессе отливки.
На фигурах 20a-20i показаны различные комбинации и ориентации индукторов для применения в целях перемешивания жидкой сердцевины слитка в процессе отливки.
В настоящее время различные магнитогидродинамические, МГД, перемешиватели широко используются в алюминиевой промышленности для подготовки сплавов, гомогенизации температуры и ускорения скорости выплавки. Действительно, МГД-перемешиватели стали нормой в эффективном оборудовании для литья. Как правило, МГД-перемешиватель для металла в печах представляет собой линейный индукционный электродвигатель, который имеет двух- или трехфазные катушки и может быть изготовлен в соответствии с различными конструктивными схемами. Примеры типичных исполнений катушек показаны на фигурах 1а-1с. Для варианта на фигуре 1а используется схема обмотки с чередованием витков, на фигуре 1b катушка намотана на шейку стального сердечника, а на фигуре 1с катушка намотана вокруг выступающих полюсных зубцов.
У индукторов с такими катушками может быть различное число фаз и зубцов в зависимости от того, используется ли двух-, трех- или многополюсное исполнение. Индукторы могут быть как явно-, так и неявнополюсными асинхронными двигателями. Однако, целостной характерной чертой является то, что устройство магнитных полюсов и регулирование им создает бегущее магнитное поле вдоль индуктора. Однако для организации эффективного перемешивания в печах при установке индуктора на стенку, как показано на фигуре 2, можно использовать не только продольное бегущее поле (простирающееся по направлению длины и ширины ванны с расплавом), но и перпендикулярное бегущее поле.
Более подробно на фигуре 2 показан вариант установки индуктора на стенку печи с катушками, обмотанными согласно способу, показанному на одной из фигур 1а, 1b или 1с. Индуктор создает бегущее поле путем образования пульсирующего магнитного поля между магнитными полюсами, расположенными вдоль индуктора. Магнитный поток направлен в основном вдоль индуктора и частично проникает в алюминиевый расплав в печи.
Поскольку установка обеспечивает наличие переменного магнитного поля (бегущего поля), приложенное к проводнику (расплавленному алюминию), это порождает вихревые токи в толще алюминия. Такие вихревые токи образуются в результате действия силы Лоренца на электроны перпендикулярно их движению. Эти вихревые токи располагаются в основном в вертикальной плоскости и около магнитного потока между полюсами индуктора. То есть в плоскости, перпендикулярной поверхности расплава. Эти вихревые токи показаны пунктиром на фигуре 2.
Такие вихревые токи порождают собственные магнитные потоки, благодаря чему получается дополнительное полезное перемешивание алюминия.
Однако, в таком устройстве могут возникать ситуации, при которых образование вихревых токов нарушается. Во время уменьшения уровня расплава, когда расплавленный металл покидает печь, чтобы инициировать процесс литья, глубина расплавленного металла все уменьшается и уменьшается внутри печи. Аналогично во время запуска печи, в начале процесса плавления лома, уровень расплава невысок. Обе эти ситуации означают, что текущая глубина расплавленного металла и, соответственно, протяженность электрического проводника в направлении образования искомых вихревых токов, - незначительна. В результате сами вихревые токи, образующиеся в таком расплаве, - незначительны.
Таким образом, уменьшение глубины расплава означает снижение эффективности процесса перемешивания. Сила Ампера, созданная в расплаве в результате взаимодействия вихревых токов и электромагнитного поля индуктора, будет невысокой.
Настоящее изобретение направлено на решение этой задачи и на обеспечение более эффективного перемешивания даже при незначительной глубине расплавленного металла.
1
1
2
2
3
3
Как показано на фигуре 3, изобретение изменяет конфигурацию электромагнитного поля. На фигуре 3 индуктор снова установлен на стенке печи с расплавом. Однако этот индуктор состоит из по крайней мере двух полюсных пар, обозначенных SN, SN, SN и т.д., которые создают бегущее электромагнитное поле, показанное жирной стрелкой.
1
1
2
2
Для создания бегущего магнитного поля необходимо использовать, как минимум, одну пару магнитных полюсов SN and SN, расположенных вместе и имеющих сдвиг по фазе во времени между ними, в результате чего образуются магнитные потоки. Например, величина угла может составлять 90 электрических градусов. Это обеспечивает наличие следующих фазовых углов для магнитных потоков для полюсов:
1
1
2
2
ϕS=0°; ϕN=180°; ϕS=90°; ϕN=270°. Такие катушки могут быть изготовлены, используя два С-образных индуктора, расположенных вплотную друг к другу, с катушкой в верхней и нижней части каждого С-образного профиля. Бегущее магнитное поле образуется в результате подачи на катушки переменного тока с модулированной частотой и сдвигом по фазе на 90° в направлении друг друга. Бегущее магнитное поле генерируется посредством сдвига в пространстве и времени между магнитными потоками, образованными двух-, трех- и многофазными системами, которые применяются в качестве индукторов для перемешивания расплава.
Как ранее, на фигуре 3, бегущее магнитного поля образует переменное магнитное поле, прилагаемое к проводнику (расплавленному алюминию), и это порождает вихревые токи в толще алюминия, при этом эти вихревые токи преимущественно расположенны в вертикальной плоскости и являются незначительными, поскольку глубина расплавленного металла невелика. На фигуре 3 не показано, как бегущее магнитное поле проникает в расплав, образуя вихревые токи. Это считается первой составляющей магнитного поля.
Конфигурация магнитных полюсов определяется конструкцией индуктора и может быть изготовлена из индуктора и катушки различных форм. В описанном примере, с С-образными сердечниками, одна пара полюсов образуется С-образным сердечником с катушками, обмотанными вокруг него. В идеале каждый С-образный индуктор имеет по крайнем мере однофазную обмотку (по крайней мере одну фазу). Использование С-образных сердечников означает, что созданное магнитное поле может быть сконцентрировано с одной стороны конструкции.
Использование I-образных сердечников означает, что созданное магнитное поле может быть симметричным с обеих сторон. Такая конфигурация с симметричным полем с каждой стороны или в других конфигурациях может быть использована, например, для одновременного перемешивания двух или нескольких различных объемов расплавленного металла. Например, индуктор может быть расположен между двумя разными машинами для литья слитков и, таким образом, перемешивать оба отливаемых слитка.
При необходимости, могут быть установлены дополнительные концентраторы для магнитного потока, чтобы сформировать магнитное поле требуемой формы.
Диапазон применения таких устройств весьма широк. Они могут применяться в качестве перемешивателей для печей различной формы и глубины, для перемешивания во многих других сосудах различной конструкции, формы и глубины (например, ковшей), а также для перемешивания в других ситуациях, где присутствует расплавленный металл, например, при литье слитков по мере уменьшения объема жидкой сердцевины.
Благодаря природе используемых индукторов и форме/плоскостям магнитного поля и плоскостям вихревых токов, применяемых в настоящем изобретений, возможно сохранять эффективность работы при любой высоте сердечника индуктора - меньше глубины расплава, равной глубине расплава или больше глубины расплава.
1
1
Кроме бегущего магнитного поля, как показано на фигуре 3, полюсные пары такие, как SN, создают дополнительное магнитное поле, которое проникает в расплав в вертикальной плоскости, т.е. преимущественно перпендикулярно направлению бегущего электромагнитного поля; это дополнительное магнитное поле показано жирными стрелками на фигуре 3. Это поле может рассматриваться, как вторая составляющая магнитного поля. Это новое дополнительное магнитное поле порождает новые контуры вихревых токов в толще расплава. Однако, по сравнению с известным из уровня техники устройством, изображенным на фигуре 2, эти новые вихревые токи расположены в другой плоскости, так как само порождающее их магнитное поле находится в другой плоскости. Новые вихревые токи располагаются перпендикулярно порождающему их дополнительному магнитному полю, поэтому они могут более активно действовать в горизонтальной плоскости поверхности расплава; пунктирные линии на фигуре 3. Поскольку эти первичные вихревые токи порождаются в горизонтальной плоскости, они создают максимально благоприятные условия для образования сил Лоренца в расплаве и, как следствие, более эффективное перемешивание.
Таким образом, вдоль стороны печи существуют различные магнитные полюсные пары для создания бегущего магнитного поля, а другие магнитные полюсные пары расположены по всей высоте стенки печи для создания дополнительного магнитного поля и, соответственно, вихревых токов в горизонтальной плоскости.
1
1
1
1
Кроме вихревых токов в горизонтальной плоскости поверхности расплава магнитный поток между полюсами SN также порождают контуры вихревого тока в вертикальной плоскости; вторичные вихревые токи. Они существенно слабее по сравнению с первичными в горизонтальной плоскости. Причина этого заключается в снижении электрической проводимости и в том, что в горизонтальной плоскости условия для образования вихревых токов гораздо лучше, чем в вертикальной, поскольку протяженность расплава меньше в вертикальной плоскости из-за малой глубины расплава, которая значительно меньше, чем ширина или длина поверхности расплава. Размагничивающее действие магнитного потока также очень сильное, хотя он идет от полюса S к N и проникает через вертикальный контур расплава.
В горизонтальной плоскости поверхности расплава условия для образования вихревых токов более благоприятные из-за большой горизонтальной протяженности расплава. Кроме того, в этой плоскости нет саморазмагничивающего действия магнитного потока, так как он течет только в одном направлении. Разумеется, помимо строго вертикальной и горизонтальной плоскостей имеются еще и другие промежуточные плоскости, каждая из которых определяет свои условия для формирования вихревых токов. Тем не менее, ясно, что при переходе из вертикальной плоскости в горизонтальную условия становятся более благоприятными.
1
1
Также ясно, что для того, чтобы добиться максимального магнитного потока между SN, фазовый угол между магнитным потоком должен составлять 180°, например, С-образный сердечник, на катушки которого подается переменный ток модулированной частоты; такие сердечники изображены на фигуре 4.
2
2
3
3
Другие полюсные пары SN и SN под их фазовым углом аналогичным образом участвуют в образовании вихревых токов и силы Ампера.
1
2
1
2
1
3
Очевидно, что, если магнитные полюса будут располагаться не только по ширине, но и по высоте индуктора, магнитные потоки будут появляться между всеми полюсами, имеющими сдвиг фаз друг к другу. Например, магнитные поля будут образовываться между полюсами в разных парах - между S и S, между S и N, между S и S и так далее. Такие вторичные магнитные потоки будут порождать в толще расплава вихревые токи и силы Лоренца. В таком случае между полюсами, расположенными вдоль индуктора, создается продольное бегущее магнитное поле. Однако, чем меньше глубина металла, тем меньше будет наблюдаться потоков, влияющих на образование сил Лоренца. При низком уровне расплава основное воздействие будет оказывать перпендикулярный магнитный поток между полюсами одной пары, так как он течет в плоскости, перпендикулярной горизонтальному сечению ванны (поверхности металла).
При перемешивании с использованием бегущего электромагнитного поля перпендикулярного поверхности расплава можно добиться эффективного перемешивания с установкой индуктора на стенку печи даже при низкой глубине расплава 5-10 см.
Чтобы позволить сравнительный анализ, далее рассматривается математическая модель печи с перемешиванием, имеющей различные индукторы и слои.
Рассмотрим два варианта установки индукторов на стенку печи. Каждый индуктор создает бегущее поле разного типа. В первом случае, как показано на фигурах 5, 7 и 8, индуктор создает продольное бегущее магнитное поле (согласно фигуре 2). Во втором случае, как показано на фигурах 6, 9 и 10, индуктор генерирует поперечное бегущее магнитное поле (согласно фигуре 3 и изобретению).
6
2
Следующие параметры одинаковы для обоих случаев: размер индукторов, расположение относительно ванны с алюминиевым расплавом, активная мощность в катушках (при одинаковом объеме катушек), т.е. 50 кВт для каждого индуктора, при этом плотность тока в поперечном сечении катушек для обоих индукторов также была одной и той же (2*10А/м).
Немагнитный зазор между индуктором и алюминиевым расплавом составляет 0,5 м. Габариты ванны с расплавом:
3
3
длина × ширина × глубина=4 м × 2 м × 1 м, что соответствует объему ванны V=8 м и массе М при плотности ванны р=2.3 т/м,
М=8×2.3=18.4 тонн.
Чтобы изучить, каким образом изменяется эффективность индукторов на разных глубинах вдоль ванны с расплавом, ванну разделили на пять слоев в горизонтальной плоскости. Толщина каждого слоя: t=0.2 м. Таким образом, путем комбинирования слоев в математической модели был проведен анализ эффективности действия индукторов на разных глубинах расплава с шагом t=0.2 м.
В целях электромагнитного расчета использовались эквивалентные условия для бегущего магнитного поля, созданного катушками, т.е. применялись следующие фазы тока в катушках:
Фаза A=0°, Фаза В=60°, Фаза С=120°, что в целом соответствует схеме подключений AYC. Частота переменного тока была выставлена на f=0.5 Гц.
Другие виды, в других плоскостях, индукторов и ванны показаны на фигурах 7-10. На фигурах 7 и 9 пунктирная линия изображает полный модуль индуктора. Конструктивно он включает в себя одну фазу индуктора, а при сборке в конструкцию индуктора можно легко включить желаемое количество модулей.
Ниже приводятся результаты моделирования с использованием метода сравнительного анализа в соответствии с вышеописанными условиями.
В результате математического моделирования были получены суммарные и дифференциальные характеристики эффективности воздействия индукторов на расплав. Наиболее значимыми из них являются суммарная тангенциальная сила, Ft (сумма сил, действующих на расплав по всей длине ванны, т.е. вдоль направления бегущего поля индуктора), суммарная нормальная сила, Fn (сумма сил, действующих на расплав по ширине ванны, т.е. перпендикулярно направлению бегущего поля индуктора), общая сумма сил, , а также активная мощность, образованная в расплаве, Pm. Кроме вышеперечисленного, большое значение также имеет такой дифференциальный показатель, как распределение вихревых токов и сил Лоренца в расплаве. Эти характеристики позволяют оценить эффективность электромагнитного поля, созданного индуктором.
Далее приводятся результаты расчетов по форме вихревых токов и сил Лоренца для каждого из следующих случаев:
1. Полная ванна глубиной 1 м. Результаты показаны на фигурах 11а, 11b, 12а и 12b.
2. Только центральная часть ванны - только центральный слой расплава (третий слой толщиной 0,2 мм). Результаты показаны на фигурах 13а, 13b, 14а и 14b. Важность этого расчета состоит в том, что он позволяет путем анализа определить расположение индуктора так, чтобы эффективность электромагнитного поля индуктора для тонкого слоя расплава была максимальной при использовании обоих типов индукторов. Чтобы добиться этого, необходимо, чтобы тонкий слой расплава находился в средней части индуктора, т.е. в области максимального магнитного поля.
3. Глубина расплава в ванне составляет 0.2 м от дна - только первый слой. Такая глубина расплава характерна для начала цикла плавления лома. Результаты показаны на фигурах 15а, 15b, 16а и 16b.
Исходя из распределения вихревых токов и сил Лоренца для разных слоев можно сделать следующий вывод:
Условия для образования вихревых токов на меньшей глубине расплава в ванне при использовании индуктора с поперечным бегущим полем (С-образного) ухудшаются не так быстро, как в случае использования индуктора с продольным магнитным полем;
Распределение сил Лоренца на малой глубине расплава, фигуры 16а и 16b, показывают, что индуктор с продольным магнитным полем создает в расплаве поле сил Лоренца низкой плотности, расположенное вплотную к стенке ванны. Использование поперечного магнитного поля, напротив, позволяет добиться практически полного захвата полем сил Лоренца всего объема ванны на удалении от стенок, при этом плотность сил будет выше, а их распределение от стенки ванны в точке установки индуктора будет более равномерным.
При анализе суммарных характеристик по всем случаям расчета для разных глубин расплава, начиная с 0 м до 1 м с шагом 0.2 м, включая случай, где задействован только центральный (третий) слой, получим результаты, которые приводятся в таблицах 1 и 2 ниже.
Для анализа эффективности работы индуктора удобно использовать отношение суммарного объема сил к электрической мощности, образованной в расплаве  (см. Таблицу 2).
ef
Разумеется, k можно рассчитать по формуле F/P или F/S, где Р (активная мощность в системе, потребляемая системой от источника питания) и S (общая мощность), однако для данного сравнительного анализа формула  позволит получить более точные данные, так как значение рассеивания мощности для катушек обоих индукторов одинаково.
ef
ef
ef
Это отношение наглядно показывает эффективность электромагнитного поля, созданного индуктором в расплаве применительно к созданным таким полем силам Лоренца, поэтому k можно считать коэффициентом эффективности МГД-перемешивателя. Таким образом, значение k характеризует индуктор и продуктивность его работы в части создания условий для перемешивания металла. Очевидно, что чем выше значение k, тем эффективнее поле, созданное индуктором в расплаве, и тем больше силы F на 1 кВт мощности образуется в расплаве.
С помощью вышеприведенных таблиц можно построить наглядную схему зависимости сил от глубины расплава для обоих типов индукторов, фигура 17.
ef
Из зависимости, изображенной на фигуре 17, видно, что индуктор с поперечным бегущим магнитным полем (с С-образным сердечником) создает существенно большие суммарные силы Лоренца в расплаве, чем индуктор с продольным магнитным полем, вплоть до уровня глубины ~ 0.8 м. На этой глубине, для низких уровней расплава = 0÷0.4 м индуктор с поперечным магнитным полем является гораздо эффективнее индуктора с продольным магнитным полем, если сравнивать величины сил, образованных в расплаве. Кроме того, как видно из Таблицы 2, индуктор с поперечным бегущим магнитным полем превосходит по эффективности любой другой тип индуктора по параметру k.
Разумеется, конфигурации индукторов, рассматриваемые в модели не покрывают все типы индукторов и схем соединения катушек, однако полученные в модели результаты ясно показывают о том, что применение индукторов с поперечным магнитным полем (с С-образным сердечником) гораздо эффективнее, чем использование индукторов с продольным магнитным полем в случаях, когда глубина расплава в ванне меньше или равна ширине индуктора. Учитывая это, можно сделать вывод, что применение индукторов с поперечным бегущим магнитным полем предпочтительнее в следующих случаях:
- Для перемешивания расплава малой глубины при установке на стенку печи. Это обычно требуется в начале цикла плавления лома, когда глубина расплава алюминия в печи мала. Кроме установки индуктора на стенке печи, возможны следующие варианты исполнения: с частичным захватом расплава сверху, с захватом сверху и снизу, или только с захватом снизу, как показано на фигуре 18. В этом случае благодаря снижению магнитного сопротивления и зазору между полюсами возникают более благоприятные условия для создания поперечного бегущего потока между полюсами.
- Для установки на промежуточные емкости с низкой глубиной расплава. Как правило, это транспортные ковши/тигли или промежуточные емкости для подготовки сплавов.
- Для крепления к днищу печи, если ширина днища печи в точке установки индуктора примерно равна ширине индуктора. Как правило, это подходит для узких печей или плавильных печей трапециевидного поперечного сечения, более узкая сторона которой расположена напротив индуктора.
- Для перемешивания жидкой сердцевины алюминиевого слитка широкого прямоугольного вида в процессе вертикального полунепрерывного литья.
Для использования в процессе разливки алюминия по слиткам индуктор устанавливают вдоль широкой стороны слитка, а эффект перемешивания обеспечивается жидкой сердцевине преимущественно в горизонтальной плоскости. Это, - главное, так как глубина жидкой сердцевины алюминиевого слитка составляет ~ 1 м (для крупных слитков размером ~ 2500×600 мм). Фигура 19 изображает установку пары индукторов для перемешивания жидкой сердцевины с обеих сторон слитка. Каждый индуктор состоит из четырех модулей с С-образными сердечниками (двухфазная система), хотя он может состоять из любого, четного или нечетного, количества модулей, а система может быть двухфазной или многофазной. В результате создается бегущее магнитное поле параллельно плоскости поверхности и вдоль широкой стороны слитка, вторичное магнитное поле, - перпендикулярно ему, проникая вниз в слиток, и вихревые токи в горизонтальной плоскости внутри слитка. Устройство может быть выполнено так, чтобы сам индуктор и/или созданное им магнитное поле совпадали или превышали максимальную ширину, и/или глубину, и/или длину жидкого металла в жидкой сердцевине слитка.
Описания индукторов с приведенным здесь поперечным бегущим полем не покрывают все возможные варианты. Общая концепция, описанная в изобретении, может быть использована для создания МГД-перемешивателя для широкого многообразия подобных приложений с относительно невысокой глубиной расплава и для широкого многообразия разных применений. Разумеется, для создания поперечного бегущего поля могут применяться индукторы, конструкция которых отличается от вышеописанного варианта с С-образным сердечником. Другие возможные конфигурации показаны, в частности, на примере исполнения для перемешивания в слитках, а также исполнений, изображенных на фигурах 20a-20i. Для большей наглядности на фигуре показаны индукторы, находящиеся только с одной стороны слитка. На практике индукторы могут располагаться с обеих сторон слитка. Количество, ориентация, наклон и прочие переменные параметры для индукторов могут отличаться в зависимости от стороны установки - индукторы могут и не быть зеркальным отображением друг друга. Так в примере на фигуре 20а показаны три С-образных сердечника с вертикальной установкой вдоль одной стороны устройства для отливки слитков. Такая система создает магнитные поля в тех же направлениях/плоскостях, а также позволяет добиться образования вихревых токов в тех же плоскостях, что и система, изображенная на фигуре 19.
Устройство, представленное на фигуре 20b, также использует три С-образных сердечников, но они смещены относительно вертикали примерно на 30°, что позволяет добиться вариативности в процессе перемешивания. В этом случае магнитное поле относительно сложное из-за используемых различных ориентаций и вариативное из-за изменений магнитного поля во времени. Однако, если говорить в общих чертах, бегущее поле преимущественно движется вдоль широкой стороны слитка и в целом параллельно поверхности металла. Магнитное поле образует петлю от полюса до полюса в каждом С-образном сердечнике, а также обладает значительной вертикальной составляющей, однако при этом оно отклоняется от вертикали на то же значение, что и сами сердечники. Порожденные этим магнитным полем вихревые токи обладают значительной горизонтальной составляющей, но при этом отклоняются, располагаясь в целом перпендикулярно магнитному полю, которое образует эти вихревые токи.
На фигуре 20с изображено устройство аналогичной конфигурации, которое обеспечивает те же параметры, что касается направления/плоскостей магнитного поля и плоскостей вихревых токов, с тем отличием, что в нем используются только два С-образных сердечника.
На фигуре 20d показано устройство с одним С-образным сердечником с таким же отклонением от вертикали, что и у вариантов, изображенных на фигурах 20b и 20с. В этом случае поле создает одна пара полюсов на С-образном сердечнике. Образованное таким образом магнитное поле также обладает значительной вертикальной составляющей и отклоняется от вертикали, а вихревые токи обладают значительной горизонтальной составляющей и тоже с отклонением.
На фигуре 20е показан вариант с двумя С-образными сердечниками с одинаковым отклонением относительно вертикали, также примерно на 30°, но в разных направлениях, отличных от вертикали. Снова бегущее поле движется вдоль широкой стороны слитка в целом параллельно поверхности металла. Магнитное поле образует петлю от полюса до полюса в составе каждого С-образного сердечника, а также обладает значительной вертикальной составляющей и при этом отклоняется от вертикали на то же значение, что и сами сердечники. Однако, направление отклонения отличается от варианта, показанного на фигуре 20с, поэтому устройство может создавать поля других форм. В этом варианте индукторы находятся под углом и сближены друг с другом, поэтому магнитные поля и порожденные ими вихревые токи могут преимущественно концентрироваться в нижней части сердечника. Это позволяет варьировать характер перемешивания.
Вариант, показанный на фигуре 20f, похож на устройство с фигуры 20е, но здесь индукторы сближаются в верхней части. В результате снова можно варьировать формы магнитных полей, характер их взаимодействия и конфигурацию вихревых токов.
Еще один вариант показан на фигуре 20g. В этом исполнении устройство включает в себя два С-образных сердечника, один из которых установлен вертикально, а другой - горизонтально, над вертикально установленным сердечником. В этом исполнении полная конфигурация магнитного поля и его вариация во времени сложна, однако бегущее поле, первая магнитная составляющая, перпендикулярная ей вторая магнитная составляющая и вихревые токи образуются все по тем же общим принципам.
Фигура 20h показывает исполнение аналогичное тому, что показано на фигуре 20g только в нем вертикальный сердечник установлен сверху, а горизонтальный - снизу.
На фигуре 20i показано исполнение с одним вертикально установленным С-образным сердечником и еще одним С-образным сердечником, который отклоняется от вертикали. В этом исполнении полная конфигурация магнитного поля и его вариация во времени сложна, однако бегущее поле, первая магнитная составляющая, перпендикулярная ей вторая магнитная составляющая и вихревые токи образуются все по тем же общим принципам.
Разумеется, исполнения, изображенные на фигурах 20a-20i, представляют собой всего лишь малую часть от всего многообразия возможных конфигураций с использованием одного или нескольких индукторов согласно изобретению. Другие возможные варианты могут отличаться по количеству индукторов, форме сердечников, количеству обмоток, применяемой фазе и так далее. Модули в составе устройства могут быть как однофазными, так и многофазными. Частоту генерирования потока для каждого модуля можно менять во времени и/или устанавливать различные значения для разных модулей. Конкретное исполнение может быть оптимизировано под конкретную ситуацию перемешивания, с которой надо справится, с учетом формы жидкости, которую надо перемешать, ее свойств и имеющейся глубины металла. Например, одно из исполнений индуктора может использоваться для направления потока расплавленного металла к центру сосуда, а затем вниз в массу расплавленного металла, потенциально так, чтобы получить хорошее перемешивание присадок, добавленных к расплавленному металлы и/или так, чтобы сблизить нерасплавленный металл (такой, как лом) с расплавом и способствовать ускорению перемешиванию металла.