Магнітодинамічна установка для підігріву і розливання металевих розплавів

Реферат: Магнітодинамічна установка для підігріву і розливання металевих розплавів містить тигель, вертикально розташований індукційний канал Ш-подібної форми, трійникову робочу зону, індуктори, С-подібний електромагніт, джерело електроживлення та пульт управління. Вертикальний індукційний канал виконано з трьох з'єднаних індукційних каналів. Кут сполучення каналів у вертикальній площині становить 120° відносно один до одного. Горизонтальний канал строєного індукційного каналу складається з трьох горизонтальних патрубків, з'єднаний під кутом 90° з центральним вертикальним каналом та під кутом 120° відносно один до одного у горизонтальній площині, створюючи строєну трійникову зону. UA 115975 U (12) UA 115975 U UA 115975 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі металургії та ливарного виробництва, зокрема до МГД установок для підігріву і розливання металевих розплавів, у тому числі безперервного лиття заготовок, гравітаційного лиття та під низьким електромагнітним тиском. Відомим аналогом є конструкція індукційної канальної печі магнітодинамічного типу, до складу якої входять: тигель; вертикально розташований здвоєний індукційний канал Ш-подібної форми, трійникова робоча зона, яка розташована у місці сполучення центрального вертикального та горизонтальних дільниць бокових каналів, індукторів, С-подібного електромагніта, шкафа управління з пультом і джерела живлення (а. с. СССР №288183, МПК Н05В 5/02). Нагрів розплаву у такій печі здійснюється за допомогою індукованого в каналах змінного електричного струму, а розливання розплаву відбувається під дією електромагнітних сил, що створюються в каналах на ділянці трійникової робочої зони, де розташовані полюси електромагніта. Недоліком аналога є значні витрати електроенергії для створення електромагнітного тиску, який не перевищує 30 кПа. Крім того, нерівномірне використання трифазного струму для живлення електромагнітних систем індукування викликає суттєвий перекіс навантаження на трифазну електричну мережу та нерівномірне споживання активної і реактивної потужностей по фазам. Пряме підвищення густини струму у трійниковій зоні існуючої установки обмежене перевищенням критичних значень, яке призводить до виникнення пінч-ефекту із частковим або повним розриванням рідкометалевого витка у зоні створення електромагнітної сили. Відомим аналогом є індукційна піч канального типу (а. с. 401022 СССР, МПН Н058 5/10, опубл. 01.10.1973, Бюл. №40), до складу якої входить охоплюючий кільцевий канал, замкнений магнітопровід, на якому розміщена котушка індуктивності. Крім того, піч має два додаткові магнітопроводи, які створюють разом з існуючим трипроменеву магнітну систему, центральний стрижень якої проходить через центр кільцевого каналу, причому кожний з магнітопроводів зсунутий один відносно другого на 120°, а котушка індуктивності розміщена у пазах бокових і донних дільниць магнітної системи. Недоліком аналога є нерівномірне використання трифазного струму, що викликає суттєвий перекіс навантаження на фази та нерівномірне споживання активної і реактивної потужностей по фазам. Відомим аналогом є також індукційна багатофазна канальна піч (а. с. 1246420 СССР. МПК Н05В 6/20, F27D 11/06. Опубл. 23.07.1986. Бюл. №27), до складу якої входить індукційна система у вигляді розташованих горизонтально стрижнів магнітопроводу, з'єднаних між собою під кутом 120° у вигляді трипроменевої зірки, замикаючого їх магнітопроводу, індукційних обмоток і плавильних каналів, виконаних у вигляді охоплюючих стрижні магнітопроводу, на яких розташовані індукційні обмотки. Недоліками аналога також є суттєвий перекіс навантаження на фази трифазного струму живлення, нерівномірне споживання активної і реактивної потужностей по фазах, складність обслуговування магнітопроводів і обмоток, значна металоємність. Найближчим аналогом до корисної моделі є магнітодинамічна установка для нагрівання та розливу рідких металів (пат.69696 UA МПК (2006) B22D 39/00, F27/B 14/00, F27D 11/00, Н05В 6/06. Опубл. 17.07.2006, Бюл. №7), що містить раму, тигель, горизонтально розміщений вогнетривкий блок з плавильним каналом, щонайменше три індуктори і два електромагніти, встановлені вздовж осі плавильного каналу між двома поряд розташованими індукторами, два зливних жолоби, механізм нахилу і систему електроживлення. Недоліком найближчого аналога є обмежена можливість використання трифазного струму для підвищення електромагнітної сили, у зв'язку з тим, що три індукційні канали з'єднані у горизонтальній площині, а електромагнітна сила створюється у двох робочих зонах, що не сполучені одна з одною та у яких генеруються дві пульсуючі електромагнітні сили, які мають складову, що створює тиск, вібраційну складову, що його не створює. Крім того, горизонтальне розташування каналів може призвести до виникнення пінч-ефекту з частковим або повним перериванням рідкометалевого провідника у каналі. В основу корисної моделі поставлена задача розробки такої магнітодинамічної установки для нагрівання та розливання металевих розплавів, яка б забезпечувала можливість незалежного управління нагріванням розплаву у каналах і тиглі установки, тепло- та масообміном між каналами та тиглем, створення умов рівномірного навантаження трифазної електромережі системами індукційного нагріву, підвищення електромагнітного тиску. Поставлена задача вирішується тим, що установка включає: тигель, вертикально розташований індукційний канал Ш-подібної форми, трійникова робоча зона, індуктори, Сподібний електромагніт, джерело електроживлення та пульт управління, згідно з корисною моделлю, вертикальний індукційний канал виконано з трьох з'єднаних індукційних каналів, 1 UA 115975 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 причому кут сполучення каналів у вертикальній площині становить 120° відносно один одного, а горизонтальний канал строєного індукційного каналу складається з трьох горизонтальних патрубків, з'єднаних під кутом 90° з центральним вертикальним каналом та під кутом 120° відносно один одного у горизонтальній площині, створюючи строєну трійникову зону. Крім того, електромагніт запропонованої установки має три полюси з обмотками, які спрямовані під кутом 90° до центрального вертикального каналу і розташовані горизонтально з трьох боків горизонтального каналу під кутом 60° відносно бокових горизонтальних каналів та під кутом 120° відносно один одного. Корисна модель пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображено магнітодинамічну установку для підігріву і розливання металевих розплавів, з триполюсним електромагнітом, а на фіг. 2 вигляд знизу зі знятою донною частиною та з від'єднаними магнітопроводами електромагніта із поясненням схеми утворення строєного горизонтального каналу і, відповідно, строєної трійникової робочої зони. Нумерація позицій на обох фігурах загальна, причому деяких позицій на фіг. 1, які є на фіг. 2, не видно. Тигель 1, з'єднаний із вертикальним строєним індукційним каналом 2, який складається із трьох індукційних каналів 3, 4 та 5, розташованих у вертикальній площині і з'єднаних одним центральним вертикальним каналом 6 під кутом 120° один відносно одного. Трубопровід центрального каналу 6 та три трубопроводи бокових каналів 3, 4 та 5 сполучені з тиглем 1 під прямим кутом. У нижній частині трубопроводи бокових каналів 3, 4 та 5 та трубопровід центрального каналу 6 сполучені трьома горизонтальними каналами 7, 8 та 9, з'єднаними під кутом 120° у горизонтальній площині один до одного, та із центральним каналом 6 під кутом 90° у вертикальній площині. На ділянці сполучення трьох горизонтальних каналів 7, 8 та 9 із вертикальним центральним каналом 6 утворюється трійникова строєна робоча зона 10. З трьох сторін до медіани кута сполучення горизонтальних каналів 7, 8 та 9 трипроменевої строєної трійникової робочої зони 10 розташовані три полюси електромагніта 11, 12 та 13, магнітопроводами 14, 15 та 16 із обмотками 17, 18 та 19 на кожному з них. Кут розташування полюсів електромагніта відносно суміжних горизонтальних каналів відповідно складає по 60°, та 180° до третього каналу. Три індукційні канали 3, 4 та 5 у свою чергу охоплені трьома магнітопроводами 20, 21 та 22 із індукторами 23, 24 та 25. Установка працює наступним чином. При запуску установки у роботу у тигель 1 заливають рідкий метал. При цьому він заповнює порожнину тигля 1, канали 3, 4, 5, 6 у індукційному каналі 2 і порожнину у горизонтальних каналах 7, 8, 9 та простір робочої зони 10. Навколо обмоток індукторів 23, 24 та 25 із магнітопроводами 20, 21 та 22 утворюються короткозамкнуті рідкометалеві витки. При увімкненні обмоток індукторів 23, 24, 25 у електричну мережу промислової частоти у короткозамкнутих витках індукується електричний струм, під дією якого відбувається нагрівання металу у каналах. При вмиканні установки у режим нагріву металу тепло із каналів передається у тигель 1 за рахунок створення направленої течії розплаву у каналах. Для цього, наприклад, обмотки індукторів 23, 24 та 25 вмикають до електричного джерела живлення трифазного струму, по схемі "зірка", чи "трикутник", що дає змогу здійснення як залежного симетричного, так і незалежного несиметричного регулювання напругою та послідовністю фаз живлення, в залежності від режиму нагрівання та перемішування розплаву у каналах установки. Так, при увімкненні обмоток трьох незалежних індукторів по схемі "зірка", у строєному індукційному каналі 2, еквівалентна схема якого утворює три вертикальні замкнуті електричні та гідравлічні контури, які мають електричне з'єднання у тиглі 1 та у робочій зоні 10 за схемою "зірка" (тигель 1 - канал 3 - канал 7 - канал 8 - канал 4, тигель 1 - канал 4 - канал 8 - канал 9 канал 5 та тигель 1 - канал 5 - канал 9 - канал 7 - канал 3), де власне і утворюється ділянка протікання трьох двофазних змінних електричних струмів, індукованих суміжними індукторами, причому у центральному каналі 6 сумарна складова електричного струму буде мінімальна. У випадку увімкнення обмоток трьох незалежних індукторів по схемі "трикутник" у строєному індукційному каналі 2, еквівалентна схема якого утворює три вертикальні замкнуті електричні та гідравлічні контури, які мають електричне з'єднання у тиглі 1 та у робочій зоні 10 за схемою "зірка" із нульовим проводом, роль якого виконує центральний вертикальний канал 6 (тигель 1 канал 3 - канал 7 - канал 6, тигель 1 - канал 4 - канал 8 - канал 6 та тигель 1 - канал 5 - канал 9 канал 6), де утворюється ділянка протікання трьох двофазних змінних струмів, індукованих суміжними індукторами. При цьому у центральному каналі 6 сумарна складова електричного струму буде потроєна. 2 UA 115975 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Для створення направленої циркуляції розплаву в каналах на обмотки електромагніта 17, 18 та 19 подають напругу так, щоб електромагнітна сила визивала течію у вертикальному центральному каналі 6 із робочої зони 10 та із приєднаних до неї бокових горизонтальних каналів 7, 8 та 9, які у свою чергу гідравлічно з'єднані із каналами 3, 4 та 5 у бік тигля 1. При цьому між тиглем 1 і каналами 3, 4, 5 виникають циркуляційні потоки, що виносять перегрітий у індукційному каналі 2 метал до порожнини тигля 1. Це приводить до виникнення додаткових циркуляційних потоків у тиглі, що сприяє усередненню температури та хімічного складу розплаву. Обмотки електромагніта 17, 18 та 19 можуть живитися від електричного джерела живлення трифазного струму промислової частоти, причому обмотки електромагніта можуть вмикатися по схемі "трикутник" чи "зірка". Конструкція триполюсного електромагніта складається із трьох полюсів 11, 12 та 13, магнітопроводів 14, 15 та 16, які розташовані під кутом 120° у горизонтальній площині один відносно одного. На магнітопроводах встановлені три обмотки електромагніта 17, 18 та 20. У такому разі при увімкненні обмоток електромагніта у трифазну мережу, наприклад за схемою "трикутник", у магнітопроводах 14, 15 та 16 утворюються три магнітні потоки Ф1, Ф2, та Ф3, які мають зсув по фазі 120°. Магнітні потоки Ф1, Ф2 та Ф3 у свою чергу замикаються у місці сполучення знімного магнітопроводу, та у міжполюсному просторі електромагніта, індукуючи магнітні поля відповідно В1, В2 та В3 які, так само як і полюси електромагніта 11, 12 та 13, спрямовані під кутом 90° до центрального вертикального каналу 6 і розташовані горизонтально з трьох боків під кутом 60° відносно бокових горизонтальних каналів 7, 8 та 9. У цьому випадку, у строєній трійниковій робочій зоні 10 при взаємодії взаємно перпендикулярних горизонтальних складових електричних струмів 11, 12, 13 із магнітними полями В1, В2 та В3 створюється три вертикально спрямовані електромагнітні сили F1, F2 та F3. Обмотки індукторів та електромагніта також можуть вмикатися у режими, при яких електромагнітні сили F1, F2 та F3 можуть мати різний напрямок, по відношенню одна до одної, що дозволяє створювати примусову циркуляцію розплаву у тиглі та каналах магнітодинамічної установки так, що розплав буде і всмоктуватися із двох бокових гілок центрального каналу та видаватися із одного бокового каналу, і т.п. Це дає змогу розташовувати роздавальний металопровід на одному із бокових каналів та створити умови підвищених масових витрат. Зокрема, при генеруванні електромагнітних сил F1, F2 та F3 у запропонованому індукційному каналі 2 використовуються три електричні та гідравлічні контури і три магнітних поля. Така установка може працювати у режимах із вмиканням одного, двох чи трьох індукторів та однієї, двох чи трьох обмоток електромагніта для створення нагрівання, перемішування чи розливання рідких металевих розплавів. Ця здатність установки запобігає виникненню аварійних ситуацій, при твердненні розплаву у каналах при зникненні напруги на одній або двох фазах трифазної промислової електричної мережі, та може здійснювати електромагнітне кероване розливання розплаву. Додатково, за рахунок того, що індуктори магнітодинамічної установки вмикаються у трифазну промислову мережу, а їх магнітопроводи встановлені у одній площині із тиглем, у донній частині тигля 1 утворюється магнітне поле, що біжить, яке при взаємодії з рідким металом у тиглі 1 призводить до його циркуляційного обертального руху у напрямку чергування фаз, якими живляться індуктори. Запропонована установка може здійснювати регульоване індукційне нагрівання розплаву у трьох, напівзалежних індукційних каналах, які мають спільний індукційний канал, трьома незалежними за конструкцією електромагнітними системами - індукторами із власними магнітопроводами та, в залежності від режиму вмикання у трифазну мережу індукторів, забезпечує реалізацію різноманітних варіантів режимів перемішування розплаву у тиглі установки та її індукційних каналах із обертальним рухом, за рахунок створення потоками розсіювання індукторів, у тому числі, магнітного поля, що біжить, з можливістю реверсу. Запропонована установка дозволяє реалізувати нагрівання та розливання рідких металів та сплавів із забезпеченням незалежного управління нагріванням розплаву у каналах та тиглі, примусового тепломасообміну між каналами та тиглем, створення умов рівномірного навантаження трифазної електричної мережі системами індукційного нагріву, підвищення величини електромагнітного тиску, що створюється за рахунок використання та забезпечення умов суперпозиції (складання) трьох електромагнітних сил в одній робочій зоні установки. Запропонована установка також дозволяє реалізувати спеціальні режими електромагнітного безконтактного керованого транспортування рідкого металу у приймачі та реалізувати ряд 3 UA 115975 U 5 10 15 20 технологій дискретного дозування із високими показниками точності, безперервного, з широким діапазоном регулювання масової витрати та температури, методу лиття, гравітаційного лиття та під низьким регульованим тиском із підвищеними показниками, процесів одночасного заливання декількох металоприймачів із можливістю окремого незалежного регулювання кожного з них. Крім того, запропоноване технічне рішення дає змогу суттєво знизити споживання електричної енергії установкою, реалізувати умови рівномірного навантаження трифазної електричної мережі. Відповідно до цього винаходу розроблена та успішно пройшла апробацію фізична модель установки із твердим витком, що був виготовлений із алюмінієвої пластини товщиною 10 мм, та із використанням реальних електромагнітних систем індукування електричних струмів та магнітних полів, які використовують наприклад у установці, яка викладена як прототип. Зокрема, з використанням засобів вимірювання силової взаємодії, наприклад тензометричних пристроїв вимірювання сили, була проведена перевірка роботи строєної робочої зони та встановлено підвищення величини електромагнітної сили у три рази порівняно із режимами та параметрами живлення електромагнітних систем установки прототипу. Таким чином, магнітодинамічна установка для підігріву і розливання металевих розплавів на відміну від найближчого аналога та інших аналогів, дає змогу одержати новий технічний результат, виражений у забезпеченні можливості незалежного управління нагріванням розплаву у каналах та тиглі установки, теплоінтенсифікації та масообміну між каналами та тиглем, створенні умов рівномірного навантаження трифазної електромережі системами індукційного нагріву, підвищення електромагнітного тиску, що позитивно впливає на собівартість ливарної продукції. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 1. Магнітодинамічна установка для підігріву і розливання металевих розплавів, що містить тигель, вертикально розташований індукційний канал Ш-подібної форми, трійникову робочу зону, індуктори, С-подібний електромагніт, джерело електроживлення та пульт управління, яка відрізняється тим, що вертикальний індукційний канал виконано з трьох з'єднаних індукційних каналів, причому кут сполучення каналів у вертикальній площині становить 120° відносно один до одного, а горизонтальний канал строєного індукційного каналу складається з трьох горизонтальних патрубків, з'єднаний під кутом 90° з центральним вертикальним каналом та під кутом 120° відносно один до одного у горизонтальній площині, створюючи строєну трійникову зону. 2. Магнітодинамічна установка за п. 1, яка відрізняється тим, що електромагніт має три полюси з обмотками, які спрямовані під кутом 90° до центрального вертикального каналу і розташовані горизонтально з трьох боків горизонтального каналу під кутом 60° відносно бокових горизонтальних каналів та під кутом 120° відносно один одного. 4 UA 115975 U 5 UA 115975 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 6