Спосіб і пристрій (варіанти) для керування швидкістю потоку та уповільнення потоку неферомагнітного розплаву за допомогою магнітних полів при його випуску з металургійних ємностей плавильних печей

Реферат: Винахід належить до способу і варіантів пристрою керування швидкістю потоку та уповільнення потоку розплавів за допомогою магнітних полів при випуску з металургійних ємностей плавильних печей. Спосіб відрізняється тим, що потік розплаву направляється в закритому напрямному елементі, використовуючи принаймні два магнітні поля, розташовані послідовно, одно за одним по напрямку руху потоку розплаву, причому зазначені магнітні поля мають постійну та протилежну один одному полярність, таким чином, лінії магнітного поля в поперечному напрямку проникають у потік розплаву по всьому його перетину, і магнітні поля індукують протилежні за знаком напруги в потоці розплаву, у результаті чого в потоці розплаву утворюються принаймні три поля вихрових струмів, які розташовані по осі одне за одним, а завдяки взаємодії між магнітними полями та вихровими струмами виникають сили, які використовуються для зменшення швидкості потоку розплаву. UA 103775 C2 (12) UA 103775 C2 UA 103775 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується способу та пристроїв для керування швидкістю та уповільнення руху потоку розплавів, що не мають феромагнітних властивостей, за допомогою магнітних полів при випуску з металургійних ємностей плавильних печей. Паралельна патентна заявка 10 2008 036 799.0-24 пропонує пристрій керування аналогічного виду, що характеризується наявністю сердечника з феромагнітного матеріалу, що має два полюси, які утворюють зазор для провідного елемента для потоку розплаву, а також розташуванням на сердечнику котушок індуктивності для створення магнітного поля, що діє на потік розплаву в розташованому між полюсами провідному елементі. У цьому пристрої керування замкнутий магнітний контур використовується для створення магнітного поля, яке індукує напругу в потоці розплаву, що викликає появу вихрових струмів, які при взаємодії з магнітним полем приводять до виникнення сил, здатних знижувати швидкість потоку розплаву та пригальмовувати його. Завдання винаходу полягає в тім, щоб запропонувати спосіб і пристрої для керування швидкістю потоку та уповільнення потоку неферомагнітних розплавів шляхом впливу на розплав магнітним полем, що викликає вихрові струми, які збільшують діючі в розплаві сили. Це завдання вирішується згідно з цим винаходом: способом відповідно до п. 1 і пристроєм керування відповідно до пп. 6 і 7 формули винаходу. Залежні пункти містять ознаки кращих і доцільних варіантів втілення способу згідно з п. 1 і пристрою керування згідно з пп. 6 і 7 формули винаходу. Відповідно до винаходу спосіб керування швидкістю потоку та уповільнення потоку неферомагнітного розплаву при випуску з металургійних ємностей, таких як доменні печі та плавильні печі, відрізняється тим, що потік розплаву направляється в закритому напрямному елементі, використовуючи, принаймні, два магнітні поля, розташовані послідовно, один за одним по напрямку потоку розплаву, причому зазначені магнітні поля мають постійну та протилежну один одному полярність, таким чином, лінії магнітного поля в поперечному напрямку проникають у потік розплаву по всьому його перетину, і магнітні поля індукують протилежні за знаком напруги в потоці розплаву, у результаті чого в потоці розплаву утворюються, принаймні, три поля вихрових струмів, які розташовані по осі одне за одним, а завдяки взаємодії між магнітними полями та вихровими струмами виникають сили, які можуть використовуватися для зменшення швидкості потоку розплаву залежно від сили діючого магнітного поля. У кращому варіанті здійснення магнітний потік замкнутого магнітного контуру за допомогою двох протилежно спрямованих магнітних полів між двома полюсами індукує дві протилежні за знаком напруги в потоці розплаву. У результаті цього вони справляють взаємно доповнюючу, посилюючу дію на силу струму по центральній осьовій лінії поля вихрових струмів. Завдяки подвійному використанню магнітного потоку замкнутого магнітного контуру магнітний опір залізного сердечника магнітного контуру та, відповідно, внутрішні втрати в магнітному контурі знижуються приблизно у два рази. В одному варіанті способу магнітний потік двох послідовно розташованих замкнутих магнітних контурів за допомогою двох протилежно спрямованих магнітних полів між двома полюсами індукують дві протилежні за знаком напруги в потоці розплаву. У результаті цього вони справляють взаємно доповнюючу, посилюючу дію на силу струму по центральній осьовій лінії поля вихрових струмів. Завдяки близькому послідовному розташуванню досягають впливу магнітного поля магнітного контуру на потік розплаву в зазорі між двома полюсами, так що градієнт зменшення магнітного потоку на бічній стороні зазору виявляється якомога більшим, а через близьке розташування зазору довжина шляху вихрових струмів у полях вихрових струмів, що утворюються в потоці розплаву, зменшується, і знижується електричний опір. Основна ідея винаходу полягає в тому, що завдяки використанню двох магнітних потоків замкнутого магнітного контуру в потоці розплаву створюються дві протилежні, посилюючі вихрові струми напруги, при цьому магнітний опір у залізному сердечнику та внутрішні втрати зменшуються приблизно у два рази. При послідовному розташуванні кількох замкнутих магнітних контурів з подвійним використанням магнітного потоку вплив на потік розплаву виявляється більшим, ніж очікувалося, через непропорційне збільшення більш крутих градієнтів магнітного потоку, непропорційного збільшення полів вихрових струмів і їхньої подвійної взаємодії з магнітними полями, а також подвійної індукуючої дії електричних котушок індуктивності. Множинне використання та одержуваний в результаті розподіл вихрових струмів в окремих полях вихрових струмів у потоці розплаву збільшують сили, що діють на потік розплаву. 1 UA 103775 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Далі будуть описані пристрої для керування швидкістю потоку та уповільнення потоку розплаву, які діють відповідно до описаного вище способу та використовуються, зокрема, при випуску його з доменних печей, з посиланням на схематичні креслення, де: На Фіг. 1 наведений вид у перспективі пристрою керування відповідно до паралельної заявки на патент 10 2008 036 799.0-24 з використанням магнітного поля постійної полярності для керування швидкістю потоку та для уповільнення потоку розплаву. На Фіг. 2 наведений графік щільності магнітного потоку в створюваному пристроєм згідно з Фіг. 1 магнітному полі по довжині ділянки впливу магнітного поля на потік розплаву. На Фіг. 3 наведений вид у перспективі першого варіанта пристрою керування відповідно до винаходу. На Фіг. 4 наведений графік щільності магнітного потоку в створюваних пристроєм згідно з Фіг. 3 двох магнітних полях, а також графік щільності магнітного потоку у випадку послідовного розташування однакових пристроїв керування. На Фіг. 5 наведений вид у перспективі другого варіанта пристрою керування відповідно до винаходу. На Фіг. 6 показане розташування пристрою керування на виході випускного каналу доменної печі. На Фіг. 7 схематично представлене подвійне використання індукуючої магнітний потік дії електричних котушок індуктивності. Пристрій керування 1 відповідно до Фіг. 1, який переважно використовується при випуску з доменних печей для керування швидкістю потоку та уповільнення потоку розплаву 2 за допомогою магнітного поля 3 з постійною полярністю, має сердечник 4 з феромагнітного матеріалу, ярмо 5 із двома полюсами 6, 7, які утворюють зазор 8, у який поміщають напрямний елемент 9 у вигляді трубки 10 для проходження потоку розплаву 2. На ярмі 5 установлені дві індукційних котушки 11, 12 для створення замкнутого магнітного контуру 13 з магнітним полем 3 постійної полярності між двома полюсами 6, 7, що характеризується силовими лініями 14. Потік розплаву 2 входить у магнітне поле 3 в області 15 і виходить із нього в області 16. При входженні в магнітне поле 3 у потоці розплаву 2 у площині, перпендикулярної силовим лініям магнітного поля 14, індукується напруга 17, яка за законом Ленца створює осьові вихрові струми 18 у потоці розплаву 2. У результаті взаємодії магнітного поля 3 і вихрових струмів 18 у потоці розплаву 2 виникають так звані сили Лоренца 19, які протилежні напрямку а потоку розплаву 2 і, таким чином, сповільнюють течію розплаву 2, зменшуючи швидкість потоку. В області виходу 16 з магнітного поля 3 у потоці розплаву 2 утворюються вихрові струми 20, які в результаті взаємодії з магнітним полем 3 також створюють сили Лоренца 21, напрямок яких також є протилежним напрямку а потоку розплаву 2 і які справляють додатковий вплив, що сповільнює, на потік, який доповнює дію сил Лоренца 19 в області входу 15 потоку розплаву в магнітне поле 3. Для кращої ілюстрації на Фіг. 1 індукована напруга 17 і вихрові струми 18, 20 повернуті на 90° від горизонтальної площини у вертикальну площину. На Фіг. 2 наведений графік щільності магнітного потоку в тесла (Т) у створюваному пристроєм керування 1 згідно з Фіг. 1 магнітному полі 3 по довжині L ділянки впливу магнітного поля 3 на потік розплаву 2. Внаслідок магнітного насичення заліза досягнення щільності магнітного потоку понад 2 Т вимагає зусиль, що перевищують комерційно розумні. Поширення магнітного поля 3, яке ілюструється його силовими лініями 14, у зазорі 8 між двома полюсами 6 і 7 призводить до того, що крива щільності магнітного потоку виявляється плоскою та широкою на ділянці зазору 8 між краями полюсів 6, 7. Залежно від полярності та інтенсивності магнітного поля 3 воно індукує відповідну електричну напругу 17 у потоці розплаву 2, що виступає як рушійна сила для вихрових струмів 18, 20, так що вихрові струми можуть замикати контур тільки за межами магнітного поля 3. Менший градієнт зниження щільності магнітного потоку розширює поля вихрових струмів 18, 20, утворюючи довгі шляхи протікання струму. Збільшення довжини пов'язане зі збільшенням електричного опору та відповідним зменшенням вихрових струмів. Сили, що виникають у результаті взаємодії вихрових струмів і магнітного поля, залежать від сили вихрових струмів, яка, у свою чергу, також залежить від довжини шляху протікання струму. Чим коротший шлях протікання, тим менший електричний опір і тим більший вихровий струм, що виникає у результаті, за інших рівних умов. Оскільки шляхи протікання струму можуть замикатися тільки поза магнітним полем, бажано було б, щоб на краю магнітне поле було нульовим. Однак, у дійсності, величина магнітного поля буде такою, як показано на Фіг. 2. Крім того, вихрові струми у виникаючому контурі однократно взаємодіють із магнітним полем і, отже, призводять до утворення однієї сили. 2 UA 103775 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Якщо ж розмістити поруч два магнітні поля із протилежною полярністю так, щоб їхні силові лінії перетинали в поперечному напрямку потік розплаву, з'являться такі переваги: 1. Магнітне поле біля краю, поруч із протилежно спрямованим магнітним полем має самий крутий можливий градієнт і, отже, призводить до утворення найкоротших контурів протікання струму, як показано на Фіг. 4. 2. Оскільки сусіднє магнітне поле має зворотну полярність, воно діє в тому самому контурі вихрового струму, у тому самому напрямку, підсилюючи/подвоюючи струм. Це проілюстровано на Фіг. 4. Новий пристрій керування 22 відповідно до Фіг. 3, що може застосовуватися, зокрема, при випуску з доменних печей для керування швидкістю потоку та уповільнення потоку розплаву 2 у випускному каналі доменної печі, має два ярма 24, 25, сердечник 23 з феромагнітного матеріалу та дві послідовно розташовані пари полюсів 26, 27 з полюсами 28, 29; 30, 31. Дві пари полюсів 26, 27 утворюють два послідовно розташовані зазори 32, 33, у які поміщають напрямний елемент 9 для проходження потоку розплаву 2 у вигляді труби 10 або каналу. На чотирьох полюсних наконечниках 34-37 ярма 24, 25 сердечника 23 установлені чотири котушки індуктивності 38-41 для формування в напрямку а потоку розплаву 2 послідовно розташованих магнітних полів 42, 43 у замкнутому магнітному контурі 44 між полюсами 28, 29, 30, 31 двох пар полюсів 26, 27, причому магнітні поля 42, 43 мають протилежну полярність. Магнітні поля 42, 43 індукують у потоці розплаву 2 протилежно спрямовані напруги 45, 46. У результаті цього в потоці розплаву 2 утворюються три послідовно розташовані по осі поля вихрових струмів 47-49, так що центральне поле вихрового струму 48, розташоване між двома зовнішніми вихрострумовими полями 47, 49, зазнає посилюючу дію. У результаті взаємодії магнітних полів і вихрових струмів у потоці розплаву виникають сили, здатні зменшити швидкість потоку розплаву. Пристрій керування може розширюватися в міру необхідності для збільшення сили, що діє на потік розплаву для зменшення його швидкості, шляхом установки парного числа полюсів на довжині L впливу магнітного поля на потік розплаву. На графіку Фіг. 4 суцільною лінією показана щільність магнітного потоку в тесла (Т), створюваного двома магнітними полями 42, 43 у замкнутому магнітному контурі 44 зображеного на Фіг. 3 пристрою керування 22 на довжині L впливу магнітних полів на потік розплаву, а пунктирною лінією - щільність магнітного потоку, створюваного розташованим рядом з першим і конструктивно ідентичним пристрою керування 22 другим пристроєм керування. Суцільна лінія на Фіг. 4 показує, що при використанні пристрою керування 22 за Фіг. 3 магнітний потік у замкнутому магнітному контурі 44 має різну полярність і подвоюється по величині. Збільшення щільності магнітного потоку призводить до відповідного посилення вихрових струмів. Подвійне використання протилежних полярностей у замкнутому магнітному контурі означає, що магнітний потік діє як у позитивному, так і негативному напрямку. Внаслідок цього, корисна для утворення вихрового струму щільність магнітного потоку в 2Т збільшується приблизно до 4Т у тому самому магнітному контурі. Крім того, градієнт зменшення щільності магнітного потоку особливо великий у показаній на Фіг. 4 області 50 між двома магнітними полями 42, 43. Таким чином, довжина шляху протікання вихрових струмів і, отже, електричний опір виявляється меншим, що призводить до відповідного збільшення сили струму. Суцільна та пунктирна лінії на Фіг. 4 показують щільність магнітного потоку по довжині впливу магнітних полі в на потік розплаву при використанні двох послідовно розташованих пристроїв керування згідно з Фіг. 3 із двома послідовними, замкнутими магнітними контурами, кожний з подвійним використанням магнітного потоку. На графіку Фіг. 4 показаний результат впливу пристрою керування із замкнутим магнітним контуром: круті криві щільності магнітного потоку між двома плоскими кривими. При використанні двох послідовно розташованих пристроїв керування із двома замкнутими магнітними контурами та подвійним використанням магнітного потоку в кожному магнітному контурі виходять три круті криві між двома плоскими кривими щільності магнітного потоку. Таким чином, одержуване збільшення дії є більш, ніж пропорційним. При використанні пристрою керування 22 відповідно до Фіг. 3, зазори 32, 33 між полюсами 28, 29 і 30, 31 і діючі в зазорах 32, 33 магнітні поля 42, 43 близько розташовані. В області 50 магнітні поля 42, 43 примикають один до одного, незважаючи на високу щільність магнітного потоку. Завдяки скороченню шляхів протікання вихрових струмів .і подвійній дії вихрових струмів електромагнітний вплив на потік розплаву підсилюється більш ніж у два рази. На Фіг. 5 показаний ще один варіант 51 пристрою керування, що складається із двох послідовно розташованих пристроїв керування 1 відповідно до Фіг. 1. 3 UA 103775 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Пристрій керування 51 має два послідовно розташованих сердечники 4, з феромагнітного матеріалу, ярмо 5 із двома полюсами 6, 7, які утворюють зазор 8, і в даній конфігурації два зазори 8, 8 розташовані один за одним, а в них перебуває напрямний елемент 9, зокрема, випускний канал доменної печі для потоку розплаву 2. Пристрій керування 51 також має два полюсних наконечники ярем 5, 5, на яких установлені котушки індуктивності 11, 12 для створення двох послідовно розташованих магнітних полів 42, 43 із протилежною полярністю у двох окремих, замкнутих, протилежних магнітних контурах 13, 13а, причому магнітні поля 42, 43 створюють у потоці розплаву 2 осьові вихрові струми, що створюють сили, які справляють гальмуючу дію на потік розплаву 2. У порівнянні із пристроєм керування, зображеним на Фіг. 3, з подвійним використанням магнітного потоку замкнутого магнітного контуру пристрій керування 51 згідно з Фіг. 5 зі звичайним використанням магнітного потоку двох послідовно розташованих замкнутих магнітних контурів є менш ефективним. Проте, він забезпечує значне посилення вихрових струмів у потоці розплаву в порівнянні із пристроєм керування згідно з Фіг. 1 із замкнутим магнітним контуром і звичайним використанням магнітного потоку. У той час як у пристрої керування з максимальною ефективністю та багаторазовим використанням магнітного потоку в магнітному контурі можна встановлювати тільки парне число пар полюсів, у пристрої керування зі звичайним використанням магнітного потоку кількох контурів можлива установка як парного, так і непарного числа пар полюсів. У деяких ситуаціях це дозволяє краще використати обмежений простір. Різні пристрої керування 22, 51 можуть розташовуватися перед вихідним отвором випускного каналу доменної печі або стічного каналу плавильної печі навколо випускного або стічного каналу, відповідно. На Фіг. 6 зображені два послідовно розташовані пристрої керування 22 згідно з Фіг. 3, установлені до вихідного отвору випускного каналу доменної печі. У корпусі 52 розміщені два замкнуті магнітні контури 44 із чотирма зазорами 8 для подвійного використання магнітного потоку кожного магнітного контуру. Потік розплаву 2, що виходить з випускного каналу доменної печі протікає через трубу 10, що проходить через чотири зазори 8 між чотирма парами полюсів 26, 27; 26, 27, причому магнітні поля двох магнітних контурів 44 впливають на потік розплаву 2 на довжині L. На Фіг. 7 показані три котушки індуктивності 53-55 із залізним сердечником, які створюють замкнуті магнітні контури з подвійним використанням магнітного потоку для утворення вихрових струмів у потоці розплаву 2, що протікає через трубу 10. Котушки 53-55 повинні працювати з змінною протилежною полярністю. На ілюстрації показані напрямки струму у відповідних правих і лівих половинах котушки та напрямок результуючого магнітного потоку 56. На магнітний потік у верхньому центральному сердечнику 57 діє не тільки встановлена на ньому котушка 54, але також права половина котушки 53 на лівому сердечнику 58 і ліва половина котушки 55 на правому сердечнику 59. Таким чином, у цьому прикладі, ліва половина котушки 55 на правому сердечнику 59 впливає на магнітний потік як у сердечнику 59, так і сердечнику 57. За принципом аналогії подвійне використання стосується всіх половин послідовно розташованих котушок, за винятком крайньої правої та крайньої лівої. Таким чином забезпечується додатковий, перевищуючий пропорційний ефект. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 1. Спосіб керування швидкістю потоку та уповільнення потоку неферомагнітного розплаву за допомогою магнітних полів при його випуску з металургійних ємностей плавильних печей, який відрізняється тим, що потік розплаву направляється в закритому напрямному елементі, використовуючи принаймні два магнітні поля, розташованих послідовно, один за одним по напрямку потоку розплаву, причому зазначені магнітні поля мають постійну та протилежну один одному полярність, таким чином, що лінії магнітного поля утворюють магнітний потік замкнутого магнітного контуру та в поперечному напрямку проникають у потік розплаву по всьому його перетину і магнітні поля індукують протилежні за знаком напруги в потоці розплаву, у результаті чого в потоці розплаву утворюються принаймні три поля вихрових струмів, які розташовані по осі одне за одним, а завдяки взаємодії між магнітними полями та вихровими струмами виникають сили, які використовують для зменшення швидкості потоку розплаву залежно від сили діючого магнітного поля. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що магнітний потік замкнутого магнітного контуру за допомогою двох протилежно спрямованих магнітних полів між двома полюсами індукує дві 4 UA 103775 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 протилежні за знаком напруги в потоці розплаву, у результаті чого вони вправляють взаємно доповнюючу, посилюючу дію на силу струму по центральній осьовій лінії поля вихрових струмів. 3. Спосіб за п. 2, який відрізняється тим, що завдяки подвійному використанню магнітного потоку замкнутого магнітного контуру магнітний опір залізного сердечника магнітного контуру та, відповідно, внутрішні втрати в магнітному контурі знижуються приблизно у два рази. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що магнітний потік двох послідовно розташованих замкнутих магнітних контурів за допомогою двох протилежно спрямованих магнітних полів між двома полюсами індукують дві протилежні за знаком напруги в потоці розплаву, які справляють взаємно доповнююючу, посилюючу дію на силу струму по центральній осьовій лінії поля вихрових струмів. 5. Спосіб за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що завдяки близькому послідовному розташуванню досягають впливу магнітного поля магнітного контуру на потік розплаву в зазорі між двома полюсами, так що градієнт зменшення магнітного потоку на бічній стороні зазору виявляється якомога більшим, а через близьке розташування зазору довжина шляху вихрових струмів у полях вихрових струмів, що утворюються в потоці розплаву, зменшується, і знижується електричний опір. 6. Пристрій для керування швидкістю потоку та уповільнення руху потоку неферомагнітного розплаву за допомогою магнітних полів при його випуску з металургійних ємностей плавильних печей, згідно зі способом за будь-яким з пп. 1-3 і 5, який відрізняється тим, що пристрій містить принаймні два ярма (24, 25), сердечник (23) з феромагнітного матеріалу та дві послідовно розташовані пари полюсів (26, 27) з полюсами (28, 29, 30, 31), два послідовно розташованих зазори (32, 33), у яких розташовано напрямний елемент (9) для потоку розплаву (2), на чотири полюсних наконечники (34-37) ярма (24, 25) сердечника (23) установлені котушки індуктивності (38-41) для формування двох послідовно розташованих магнітних полів (42, 43) у замкнутому магнітному контурі, що впливають на потік розплаву (2) у напрямному елементі (9), розташованому в зазорі (32, 33) між полюсами (28, 29, 30, 31) двох пар полюсів (26, 27). 7. Пристрій для керування швидкістю потоку та уповільнення руху потоку неферомагнітного розплаву за допомогою магнітних полів при його випуску з металургійних ємностей плавильних печей, згідно зі способом за будь-яким з пп. 1, 4 і 5, який відрізняється тим, що пристрій містить принаймні два сердечники (4, 4) з феромагнітного матеріалу, кожний з яких містить ярмо (5) з двома полюсами (6, 7), які утворюють зазор (8), і два зазори (8), розташовані один за одним, а в них знаходиться напрямний елемент (9) для потоку розплаву (2), а на двох полюсних наконечниках ярем (5, 5) розташовані котушки індуктивності (11, 12) для створення двох послідовно розташованих магнітних полів (42, 43) з протилежною полярністю у двох окремих, замкнутих, протилежних магнітних контурах (13, 13а), причому магнітні поля створюють у потоці розплаву (2) осьові вихрові струми, які створюють сили, що справляє гальмуючу дію на потік розплаву. 8. Пристрій за п. 6, який відрізняється тим, що забезпечує можливість розширення пристрою при використанні парної кількості пар полюсів. 9. Пристрій за п. 7, який відрізняється тим, що забезпечує можливість розширення при використанні парної та непарної кількості пар полюсів. 10. Пристрій за будь-яким з пп. 6-9, який відрізняється тим, що він розташований перед вихідним отвором випускного каналу або стічного каналу металургійних ємностей плавильних печей. 11. Пристрій за будь-яким з пп. 6-9, який відрізняється тим, що він розташований навколо випускного каналу або стічного каналу металургійних ємностей плавильних печей. 5 UA 103775 C2 6 UA 103775 C2 7 UA 103775 C2 8 UA 103775 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9