Електромагнітний вентиль для управління потоком металу, або металевого сплаву у рідкій фазі в трубопроводі

Настоящее изобретение относится к электромагнитному вентилю для управления потоком металла или металлического сплава в жидкой фазе в трубопроводе, находящемся под нагрузкой, содержащему трубчатый корпус из магнитопроницаемого материала и по меньшей мере, одну индукторную многофазную обмотку, расположенную вокруг трубча того корпуса и предназначенную для создания магнитного поля вдоль продольной оси указанного трубчатого корпуса. В области металлургии, например, в оборудовании для промышленной разливки металла, или в оборудовании для нанесения покрытий из металла или металлического сплава на металлургическую продукцию с целью ее защиты, в частности, в оборудовании для горячего цинкования, а также в других областях промышленности часто возникает необходимость в управлении потоком металла или металлического сплава в жидкой фазе; т.е. либо металл или металлический сплав находится в расплавленном состоянии вследствие контролируемого подъема его температуры, либо металл или металлический сплав представляет собой жидкость при температуре окружающей среды, как, например, ртуть. Для управления потоком жидкого металла или металлического сплава обычно применяются гидравлические, механические или электромагнитные системы, такие как, трубчатые золотники, задвижки или электромагнитные вентили [GB-A-777213, GB-A-1308087, DE-B-1157047, DE-C-859241, US-A-3970112 и др.]. Системы с наличием в них подвижных механических элементов требуют значительных капиталовложений и расходов на ремонт и техническое обслуживание. Электромагнитные системы в этом отношении более просты и надежны в обслуживании, так как в них отсутствуют какие-либо подвижные механические элементы. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электромагнитный вентиль, описанный в патенте DE-B-1037789 (прототип). Этот вентиль не имеет каких-либо подвижных механических элементов для управления потоком металла или металлического материала в жидкой фазе в находящемся под нагрузкой трубопроводе и работает на принципе, подобном принципу работы линейного двигателя, причем роль подвижного якоря играет металл или металлический сплав, потоком которого и необходимо управлять. Этот электромагнитный вентиль содержит трубчатый корпус, изготовленный из материала, проницаемого для магнитного поля, и многофазную индукторную обмотку, расположенную вокруг корпуса и предназначенную для создания магнитного поля вдоль продольной оси корпуса, направленного против нормального направления потока жидкого металла или металлического сплава в находящемся под нагрузкой трубопроводе. Иначе говоря, магнитодвижущая сила, создаваемая многофазной индукторной обмоткой и приложенная к жидкому металлу в трубопроводе, противодействует силе, обусловленной гидростатическим давлением жидкого металла в трубопроводе. Регулируя силу тока в многофазной индукторной обмотке, можно регулировать расход жидкого металла или металлического сплава в трубопроводе. Теоретически, используя достаточно большой ток, можно остановить поток жидкого металла или металлического сплава, поступающего к вентилю. Однако сила тока, необходимого для остановки потока жидкого металла или металлического сплава относительно высока, а, следовательно, велика и электрическая мощность·, необходимая для удержания электромагнитного вентиля в "закрытом" состоянии, поэтому на практике оказывается трудно получить полный и надежный останов потока жидкого металла или металлического сплава. Для снижения электрической мощности, требуемой для удержания электромагнитного вентиля в "закрытом" состоянии, в патенте GB-A-1308087 предложен электромагнитный вентиль для управления потоком металла, дополнительно содержащий сердечник, расположенный в трубча том корпусе, причем указанный сердечник представляет собой питаемый электричеством соленоид и служит для создания магнитного поля. Однако и здесь требуемая мощность достаточно велика, так как поток металла перемещается в центральной части трубопровода, где напряженность создаваемого магнитного поля минимальна. Для обеспечения полного останова потока жидкого металла или металлического сплава предлагают частично перекрыть конец электромагнитного вентиля на выходе из трубчатого корпуса поперечной перегородкой, имеющей выходное отверстие, смещенное или децентрированное относительно продольной оси указанного трубчатого корпуса. Не смотря на то, что такое конструктивное решение позволяет полностью остановить поток жидкого металла или металлического сплава, сила тока, необходимого для этого, остается все еще сравнительно высокой; кроме того, когда электромагнитный вентиль находится в "открытом" состоянии, поперечная перегородка с ее децентрированным выходным отверстием вызывает возмущения (турбулентности) и потери давления в потоке жидкого металла или металлического сплава, которые в некоторых случая х могут быть неприемлемыми. В основу настоящего изобретения поставлена задача создать электромагнитный вентиль, который, благодаря изменениям в его конструкции, требует меньшей электрической мощности, чем известные из предшествующего уровня техники электромагнитные вентили -для управления и останова потока жидкого металла или металлического сплава в находящемся под нагрузкой трубопроводе, и вносит в поток весьма небольшие возмущения, когда вентиль находится в открытом состоянии. Эта задача решена тем, что предложен электромагнитный вентиль для управления потоком металла или металлического сплава в жидкой фазе в трубопроводе, находящемся под нагрузкой, который содержит трубчатый корпус, изготовленный из материала, проницаемого для магнитного поля, и многофазную индукторную обмотку, расположенную вокруг указанного трубчатого корпуса и предназначенную для создания магнитного поля вдоль продольной оси этого трубчатого корпуса, согласно изобретению, вентиль дополнительно содержит сердечник из магнитного материала, который размещен в трубчатом корпусе вдоль его продольной оси и который служит для замыкания магнитного поля, создаваемого многофазной индукторной обмоткой, причем указанный сердечник образует между собой и внутренней стенкой указанного трубчато го корпуса по существу кольцевой канал для прохода жидкого металла или металлического сплава, поток которого подлежит управлению. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения сердечник выполнен в виде магнитного стержня, который заключен в оболочку из материала, проницаемого для магнитного поля, причем указанный сердечник соединен с трубчатым корпусом вентиля радиальными ребрами, выполненными из указанного материала. Целесообразно, чтобы трубчатый корпус вентиля или трубопровод, к которому присоединен вентиль, были снабжены инжектором, который обеспечивает регулируемое вдувание нейтрального или восстановительного газа, предотвращающего окисление жидкого металла или металлического сплава, удерживаемого в указанном вентиле. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения электромагнитный вентиль может содержать две многофазные индукторные обмотки, расположенные рядом одна с другой и о хватывающие трубчатый корпус вентиля. Эти многофазные индукторные обмотки могут быть соединены с индивидуально регулируемыми источниками тока. Хотя причины, по которым электромагнитный вентиль, предложенный в соответствии с настоящим изобретением, более эффективен, чем предшествующие известные электромагнитные вентили, выяснены не до конца, тем не менее, можно предположить, что это обусловлено с одной стороны тем, что магнитный поток, порождаемый индукторной обмоткой, концентрируется сердечником, предусмотренным в трубчатом корпусе, а с другой стороны тем, что поток жидкого металла или металлического сплава находится в пределах кольцевого участка между сердечником и внутренней стенкой трубчатого корпуса, т.е. в области, где напряженность магнитного поля, естественно, более высока, и магнитное поле, следовательно, более эффективно, чем в центре тр убчатого корпуса, причем этот кольцевой участок наиболее приближен к индукторной обмотке, которая охватывает указанный трубчатый корпус. На фиг. 1 дано схематическое изображение в осевом сечении предлагаемого электромагнитного вентиля; на фиг. 2 -частичное изображение в сечении II-II на фиг. 1. Электромагнитный вентиль, показанный на фиг. 1 и 2, содержит включенный в его состав известным образом трубчатый корпус 1, выполненный из материала, проницаемого для магнитного поля, создаваемого многофазной индукторной обмоткой 2, которая охватывает трубчатый корпус 1 и которая может быть запитана источником 3 многофазного переменного тока. В том случае, когда электромагнитный вентиль предназначен для управления потоком расплавленного металла или металлического сплава, корпус 1 выполняется предпочтительно из жаростойкого материала, который не смачивается при контакте с расплавленным металлом или металлическим сплавом, например из керамики. Кроме того, в данном случае тр убчатый корпус предпочтительно плотно охвачен по всей своей длине нагревательным устройством 4, предназначенным для подогрева корпуса 1 до температуры, достаточной для поддержания расплавленного металла или металлического сплава при заранее заданной температуре, превышающей температур у его плавления. Нагревательное устройство 4 может относиться к известному типу, например, представлять собой устройство электромагнитного индукционного нагрева или электрический резисторный нагреватель. С другой стороны, если металл или металлический сплав находится в жидком состоянии при низкой температуре или при температуре окружающей среды, то корпус 1 не требует применения жаропрочных материалов и может быть выполнен просто из магнитопроницаемого материала, достаточно прочного, чтобы обеспечить механической прочность корпуса вентиля, и совместимого с металлом или металлическим сплавом, проходящим через вентиль. Многофазная индукторная обмотка 2 размещена и электрически включена таким образом, чтобы создать поле, плавно перемещающееся вдоль продольной оси трубчатого корпуса 1, в направлении, при котором магнитодвижущие силы F, воздействующие со стороны многофазной индукторной обмотки 2 на жидкий металл или металлический сплав, проходящий в трубчатом корпусе 1, препятствуют течению жидкого металла или металлического сплава, указанному стрелкой G, которое вызвано гидростатическим давлением. Многофазная индукторная обмотка 2 может представлять собой обмотку, изготавливаемую, например, лабораторией "MAD YL AM" в Сен-Мар-тен-д'Эр, Франция. При необходимости эта индукторная обмотка может охлаждаться известным способом с использованием охлаждающей жидкости, подаваемой для циркуляции в каналах, предусмотренных для этой цели в обмотке. Ток, необходимый для функционирования многофазной индукторной обмотки 2, поступающий от источника 3, может быть получен, например, от трехфазной сети 380 В, 50 Гц, соединенной с трансформатором, понижающим напряжение до 17 В, который, в свою очередь, соединен с обмоткой 2 через регулятор тока. Согласно изобретению, сердечник 5 расположен вдоль оси в трубча том корпусе 1 и удерживается в нем множеством радиальных ребер (связей) 6. Сердечник 5 может иметь по существу ту же длину, что и трубчатый корпус 1, а ребра (связи) 6 могут иметь ту же длину, что и сердечник 5, или занимать лишь часть его длины. Предпочтительно, чтобы сердечник 5 и связи 6 были выполнены профилированными с тем, чтобы свести к минимуму возмущения, которые могут быть привнесены ими в поток жидкого металла или металлического сплава, протекающего в тр убчатом корпусе 1. По тем же причинам внутренний диаметр трубчато го корпуса 1 и внешний диаметр сердечника 5 выбраны так, чтобы площадь сечения кольцевого прохода между сердечником 5 и корпусом 1 была равна площади сечения кругового прохода на входе, а, при необходимости, и на выходе электромагнитного вентиля. Предпочтительно, чтобы сердечник 5 был выполнен в виде магнитного стержня 7, который заключен в оболочку 8 из материала, проницаемого для магнитного поля, причем для этого используется преимущественно тот же материал, который применяется для изготовления ребер (связей) 6 и трубчатого корпуса 1, например, жаростойкий материал, не смачивающийся при контакте с жидким металлом или металлическим сплавом. Магнитный стержень 7 позволяет обеспечить замыкание магнитного поля, создаваемого многофазной индукторной обмоткой 2. В соответствии с вариантом выполнения, приведенным в виде примера на фиг. 1, электромагнитный вентиль может содержать вторую многофазную индукторную обмотку 9, которая размещена и электрически включена таким образом, чтобы функционировать аналогично многофазной индукторной обмотке 2. Многофазная индукторная обмотка 9 может быть соединена с источником тока 3, например, с помощью переключателя 10, или же может быть подключена к автономному регулируемому многофазному источнику тока 11, как это показано штрих-п унктирной линией на фиг. 1. В первом случае многофазная индукторная обмотка 9 обеспечивает дублирование тех же функций, что и у многофазной индукторной обмотки 2, и может быть использована в качестве аварийной обмотки в случае неисправности обмотки 2. Во втором случае можно, в случае необходимости, допустить небольшой расход утечек на уровне многофазной индукторной обмотки 2, причем эта незначительная утечка может быть затем легко остановлена магнитным полем, создаваемым многофазной индукторной обмоткой 9. Этот второй вариант представляет интерес с точки зрения еще большего снижения расхода потребляемой энергии, необходимой для полного останова потока и, следовательно, расхода жидкого металла или металлического сплава, а также ограничения размеров оборудования, необходимого для питания током индукторных обмоток і 2 и 9. На входном конце трубчатый корпус 1 снабжен фланцем или другим средством соединения 12, с помощью которого электромагнитный вентиль может крепиться к концу трубопровода 13, обеспечивающего подачу жидкого металла или металлического сплава, или к резервуару, содержащему указанный жидкий металл или сплав. Кроме того, на выходном конце трубчатый корпус 1 также может быть снабжен фланцем или каким-либо иным средством соединения 14, с помощью которого электромагнитный вентиль может быть соединен, если это необходимо, с другим тр убопроводом 15 для транспортировки жидкого металла или металлического сплава. В случае, когда электромагнитный вентиль предназначен для управления потоком расплавленного металла или металлического сплава, трубчатый корпус 1 или канал 15 целесообразно снабдить инжектором 16, обеспечивающим регулируемое вдувание нейтрального или восстановительного газа, предотвращающего окисление жидкого металла или металлического сплава, находящегося в электромагнитном вентиле. В качестве примера можно привести конкретное конструктивное решение электромагнитного вентиля, в котором корпус 1 имеет внутренний диаметр 14 мм, а сердечник 5 - наружный диаметр 8 мм, и который содержит одну многофазную индукторную катушку с 10 витками на фазу диаметром 45 мм, что позволило полностью остановить поток расплавленного сплава цинка при температуре 480°С и гидростатическом давлении на входе электромагнитного вентиля 2,5 χ 104 Па (0,25 бар). Для этого на многофазную катушку индуктивности подавался ток величиной 2400 А. (Следует отметить, что сборка, на которой был осуществлен эксперимент, не была оптимизирована и не имела средства для регулирования тока; поэтому можно предположить,, что для обеспечения полного останова потока расплава цинка величина тока будет меньше 2400 А). Для сравнения можно привести следующий факт: для почти полного останова потока расплава цинка при использовании электромагнитного вентиля без центрального сердечника для питания катушки индуктивности потребовался многофазный переменный ток, величина которого была бы больше по меньшей мере в четыре-пять раз. Данное изобретение может быть успешно применено в области металлургии, например, в оборудовании для промышленной разливки металла, или в оборудовании для нанесения покрытий из металла или металлического сплава на металлургическую продукцию с целью ее защиты, в частности, в оборудовании для горячего цинкования, а также в других областях промышленности, где возникает необходимость в управлении потоком металла или металлического сплава в жидкой фазе; т.е. либо металл или металлический сплав находится в расплавленном состоянии вследствие контролируемого подъема его температуры, либо металл или металлический сплав представляет собой жидкость при температуре окружающей среды, как, например, ртуть. Применение данного изобретения значительно сокращает капиталовложения и расходы на ремонт и техническое обслуживание, а также значительно сокращает расход электроэнергии, чем при использовании устройств известного уровня те хники.