Електромагнітний перемішувач пульсуючого магнітного поля для рідких металів

Реферат: Винахід належить до галузі металургії, а саме - до конструкції електромагнітного перемішувача пульсуючого магнітного поля для рідких металів, і належить до пристроїв для приготування сплавів з використанням електромагнітного перемішування розплаву в плавильній печі, міксері, а також для їх позапічної обробки в ковші. Електромагнітний перемішувач включає однофазний індуктор, що складається з магнітопроводу у вигляді стрижня з двома полюсами, один з яких робочий, і одягненої на стрижень котушки, що живиться змінним електричним струмом, причому перпендикулярно стрижню магнітопроводу, через полюс, протилежний робочому і симетрично йому розташований поперечний стрижень, ширина якого перевищує ширину основного стрижня не менше ніж в 1,25 разу, а довжина - рівна або така, що перевищує зовнішній діаметр котушки не більше ніж в 1,3 разу. Винахід забезпечує підвищення ступеня перемішування розплавів і, відповідно, у підвищенні ефективності об'ємного перемішування рідкометалевої ванни у металургійному обладнанні при простоті його конструкції. UA 113617 C2 (12) UA 113617 C2 UA 113617 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі металургії, зокрема до конструкції пристроїв для приготування сплавів з використанням електромагнітного перемішування розплаву в плавильній печі, міксері, а також для їх позапічної обробки в ковші. Відомо, що безконтактне електромагнітне перемішування металевих розплавів ефективне для досягнення однорідності сплаву по хімічному складу і скороченні часу плавлення, зокрема, у відбивних печах і ковшах з верхнім підігрівом металу, в яких здійснюється його позапічна обробка. Одночасно оптимізуються умови легування, модифікування і рафінування. Існують електромагнітні перемішувачі пульсуючого магнітного поля (ЕМП ПМП) для рідких металів. Відомий електромагнітний пристрій для переміщення металевих розплавів [а.с. СРСР № 802375, МПК Н05В 6/16, С21С 7/00], що містить циліндровий феромагнітний екран, усередині якого розташований сердечник з котушкою, що живиться змінним електричним струмом. Сердечник захищений теплоізолюючим стаканом, навколо якого знаходиться розплав, створюючий замкнутий виток. Для збільшення механічної сили у витку розплаву стакан з сердечником безпосередньо занурені в рідкий метал, внаслідок чого необхідний тепловідвід від зануреної частини, який можна забезпечити тільки з використанням водяного охолодження, що зв'язане з підвищеною небезпекою і є істотним недоліком відомого пристрою. Відомі перемішувачі пульсуючого магнітного поля з однофазним індуктором [Дубодєлов В.І., Фікссен В.М., Глухенький О.І., Гориславець Ю.М. МГД - перемішувачі алюмінієвих сплавів з пульсуючим магнітним полем // Технічна електродинаміка. - 2009. - № 1. - С. 61-66.], які містять І-подібний, П-подібний або Ш-подібний шихтований феромагнітний сердечник, з розміщеною на ньому багатовитковою котушкою, що живиться змінним електричним струмом. При установленні такого пристрою торцевою поверхнею сердечника (або робочим полюсом) до бічної стінки печі в рідкому металі індукуються вихрові струми, які, взаємодіючи з результуючим магнітним полем, забезпечують силову дію, переважно направлену нормально по відношенню до бічної стінки ванни печі. Полюс магнітопроводу розташований паралельно внутрішній поверхні стінки печі. Відстань від полюса до рідкого металу складає 100 мм і визначається мінімально допустимою товщиною стінки навпроти полюса. Проте, недолік перемішувача з П-подібним або Ш-подібним магнітопроводом обумовлений тим, що навіть при такій невеликій відстані від полюса до рідкого металу, значна частина магнітного потоку не досягає його, оскільки магнітні силові лінії замикаються на сусідній полюс по найкоротшому шляху вздовж стінки печі (фіг. 1а, фіг.2а). Сила дії на метал зменшується і перемішування стає малоефективним. Найбільш близьким є електромагнітний перемішувач пульсуючого магнітного поля з Іподібним магнітопроводом [Дубодєлов В.І., Фікссен В.М., Глухенький О.І., Гориславець Ю.М. МГД - перемішувачі алюмінієвих сплавів з пульсуючим магнітним полем // Технічна електродинаміка. - 2009. - № 1. - С. 61, 64.], який гранично простий і є стрижнем з двома полюсами, один з яких робочий і пристиковується до робочої стінки печі. На стрижень надіта котушка, що живиться змінним електричним струмом. В цьому випадку магнітні силові лінії замикаються на полюс, протилежний робочому (фіг. 1в), і забезпечують глибше проникнення магнітного потоку в розплав, чим з П-подібним або Ш-подібним магнітопроводом не дивлячись на те, що в перемішувачі з П-подібним, або Ш-подібним магнітопроводом магнітний опір магнітному ланцюгу істотно нижчий, ніж в ЕМП ПМП з I-подібним магнітопроводом. Проте, через те, що в ЕМП з П-подібним, або Ш-подібним магнітопроводом основна частина магнітного потоку, що знаходиться зовні магнітопроводу, проходить по найкоротшому шляху від одного полюса до іншого, величина магнітної індукції (щільність магнітного потоку) тієї частини потоку, яка досягає розплаву, має менше значення, чим в ЕМП з І-подібним магнітопроводом. Його недолік полягає в тому, що полюс, протилежний робочому, також створює магнітний потік, симетричний робочому потоку, і взаємодіє з навколишніми металоконструкціями, розташованими поблизу нього. В результаті відбувається втрата частини енергії магнітного поля і шкідлива дія на металоконструкції, і предмети, розташовані в зоні дії магнітного поля, включаючи обслуговуючий персонал. В основу винаходу поставлена задача створити ефективний електромагнітний перемішувач пульсуючого магнітного поля за рахунок зменшення потоків розсіяння і повнішого використання магнітного потоку. Поставлена задача вирішена тим, що в електромагнітному перемішувачі пульсуючого магнітного поля для рідких металів, який включає однофазний індуктор, що складається з магнітопроводу у вигляді стрижня з двома полюсами, один з яких робочий, і надітої на стрижень котушки, що живиться змінним електричним струмом, згідно з пропонованим винаходом, перпендикулярно стрижню магнітопроводу, через полюс, протилежний робочому, і симетрично йому розташований поперечний стрижень, ширина якого перевищує ширину основного стрижня 1 UA 113617 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 не менше ніж в 1,25 разу, а довжина - рівна або така, що перевищує зовнішній діаметр котушки не більше ніж в 1,3 разу. При заміні І-подібного магнітопроводу Т-подібним збільшується значення магнітної індукції в розплаві, оскільки знижується магнітний опір магнітному ланцюгу за рахунок того, що частина магнітного потоку з боку, протилежного робочому полюсу, проходитиме по поперечному стрижню магнітопроводу. При цьому магнітна індукція в розплаві зросте, а протяжність розповсюдження магнітного поля в рідкому металі практично не зміниться. Таким чином, поперечний стрижень екранує магнітний потік, що виходить за межі неробочого полюса ЕМП ПМП, і знижує магнітний опір міжполюсного простору. При цьому виключається шкідлива дія змінного магнітного поля на металоконструкції, предмети і персонал. При збільшенні ширини поперечного стрижня в 1,25 разу, без зміни його товщини, практично весь магнітний потік, що виходить через неробочу частину ЕМП, проходить через поперечний стрижень. Довжина поперечного стрижня ефективна, коли вона рівна або перевищує діаметр котушки, оскільки в цьому випадку забезпечує мінімальний магнітний опір простору між робочим полюсом і неробочою частиною магнітопроводу. Проте, якщо перевищити відношення довжини поперечного стрижня до зовнішнього діаметра котушки більше ніж в 1,3 разу, то протяжність розповсюдження магнітного поля у напрямі рідкого металу зменшується. На фіг. 1 схематично показані магнітні поля, створювані ЕМП ПМП з різними магнітопроводами. Стрижні і надіті на них котушки у всіх варіантах однакові. За початковий варіант прийнятий Ш-подібний або П-подібний варіант (фіг. 1а). При видаленні бічних стрижнів (фіг. 1б) виходить Т-подібний магнітопровід, протяжність розповсюдження магнітного поля якого зростає у напрямі нормалі до робочого полюса, проте при цьому магнітний потік виходить з його неробочого торця. При видаленні поперечного стрижня виходить ЕМП ПМП з І-подібним стрижнем (фіг. 1в), у якого дальність розповсюдження магнітного поля зростає в порівнянні з попередніми варіантами, але при цьому зростає і магнітний потік, що виходить з неробочого полюса. При збільшенні ширини поперечного стрижня в плані, а відповідно і площі його поперечного перерізу не менше ніж в 1,25 разу, практично всі магнітні силові лінії замикаються через цей стрижень, не виходячи за його межі у напрямі нормалі до неробочого торця. Крім того, необхідно враховувати те, що котушка має діаметр, більший, ніж ширина основного стрижня, тому довжина симетрично розташованого поперечного стрижня має бути не менше зовнішнього діаметра котушки, а зважаючи на те, що частина магнітного потоку проходить уздовж бічної поверхні котушки, необхідно, щоб довжина поперечного стрижня була дещо більше діаметру котушки (фіг. 1г). У тому випадку, коли ширина поперечного стрижня менше ніж 1,25 основного, частина магнітного потоку виходить за межі задньої частини магнітопроводу. При взаємодії з розташованими за нею металоконструкціями сила дії на рідкий метал може зменшуватися на 10-15 %. Довжина поперечного стрижня має бути дещо більшою, ніж діаметр котушки для забезпечення мінімального магнітного опору простору між робочим полюсом і неробочою частиною магнітопроводу. Проте, якщо перевищити відношення довжини поперечного стрижня до зовнішнього діаметра котушки більш ніж в 1,3 разу, то протяжність розповсюдження магнітного поля у напрямі рідкого металу зменшується. На фіг. 2 як порівняльний приклад показана схема дії ЕМП на рідкий метал з Ш-подібним магнітопроводом (фіг. 2а) і запропонованого пристрою з Т-подібним магнітопроводом (фіг. 2б). Пристрої включають основний стрижень 1 з котушкою 2, надітою на стрижень 1. Робочий полюс стрижня 1 розміщений паралельно внутрішній поверхні стінки печі 3, наповненої розплавленим металом 4, на який впливає магнітне поле 5. Позицією 6 позначені частини магнітопроводів, які відрізняються в порівнюваних варіантах. При підключенні котушки 2 до мережі змінного струму виникає електромагнітна сила, яка відштовхує рідкий метал від стінки печі. У рідкометалевій ванні утворюється два контури циркуляції розплаву в горизонтальній площині і безліч тороподібних вихорів, що переміщуються в напрямі від зони розташування перемішувача. Відбувається об'ємне перемішування рідкометалевої ванни. В експериментах на фізичній моделі з рідким алюмінієвим сплавом була отримана швидкість розплаву в ядрі потоку, що досягає 1,2 м/с. При цьому довжина ядра потоку, тобто конусоподібна зона, в якій зберігається ця швидкість, складала 1,5 м/с. Таким чином, перевага застосування електромагнітного перемішувача пульсуючого магнітного поля, що заявляється, полягає в ефективності об'ємного перемішування рідкометалевої ванни при простоті конструкції. Пристрій може бути застосованим не тільки для алюмінієвих сплавів, але і для металевих розплавів з вищою температурою. Експериментально встановлено, що перемішувач можна ефективно використовувати, якщо відстань від полюса до рідкого металу не перевищує 180 мм і стінка між рідким металом і полюсом виготовлена з діелектричного матеріалу. Якщо необхідний 2 UA 113617 C2 5 металевий кожух, то він має бути виготовленим в зоні вікна з немагнітної сталі. Перевагою запропонованого пристрою є також те, що в порівнянні з іншими ЕМП величина зони дії, визначувана розмірами його робочого полюса, менше, тому в ємностях з рідким металом діелектричне вікно можна робити меншим, що сприяє меншим тепловтратам і знижує вірогідність протікання металу через діелектричне вікно. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Електромагнітний перемішувач пульсуючого магнітного поля для рідких металів, який включає однофазний індуктор, що складається з магнітопроводу у вигляді стрижня з двома полюсами, один з яких робочий, і надітої на стрижень котушки, що живиться змінним електричним струмом, який відрізняється тим, що перпендикулярно стрижню магнітопроводу, через полюс, протилежний робочому і симетрично йому розташований поперечний стрижень, ширина якого перевищує ширину основного стрижня не менше, ніж в 1,25 разу, а довжина - рівна або така, що перевищує зовнішній діаметр котушки не більше ніж в 1,3 разу. 3 UA 113617 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4