Тимофеев В.Н. (ред.) Применение магнитогидродинамических устройств в металлургии
Подождите немного. Документ загружается.
164
Рис. 1.1.34 – Электромагнитный кристаллизатор
Принцип действия ЭМК состоит в следующем. Жидкий металл,
подаваемый из миксера через литейную оснастку в электромагнитный
кристаллизатор, попадает в пульсирующее электромагнитное поле
создаваемое индуктором 1. Под действием электромагнитного поля, в
жидком металле наводятся вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с
пульсирующим магнитным полем индуктора приводит к возникновению
объемных сил действующих в направлении
распространения
электромагнитной энергии и удерживающих жидкий металл в индукторе от
растекания. Жидкий металл, находящийся под некоторым гидростатическим
давлением, сжимается в радиальном направлении и приобретает в
поперечном сечении форму индуктора.
Процесс литья в электромагнитный кристаллизатор сводится, прежде
всего, к формированию жидкой фазы 4 (рис. 1.1.34), имеющей в поперечном
сечении форму слитка. Жидкометаллическая масса удерживается
от
растекания электромагнитным полем, интенсивность которого регулируется
экраном 2. Электромагнитный экран устанавливается на регулирующих
опорах 7 таким образом, что его можно перемещать в вертикальном
направлении с целью выбора условий процесса литья. Формируемый
магнитным полем столб жидкого металла опирается на токопроводящее
165
основание (поддон) 5, представляющее собой металлическую затравку,
переходящую в процессе литья в кристаллизующийся слиток.
1.1.8 МГД – перемешиватель жидкой сердцевины слитка при
кристаллизации
С целью обеспечения однородности слитков по химическому составу и
физическим свойствам, увеличению теплоотдачи от жидкой фазы можно
осуществлять МГД – перемешивание жидкой сердцевины при
кристаллизации слитка. На рис. 1.1.35 представлен эскиз
кристаллизатора 2 с
МГД - перемешивателем 3. Жидкий металл 1 поступает в кристаллизатор
скольжения 2. В результате охлаждения кристаллизуется слиток 5 и
медленно опускается вниз. Во время кристаллизации, в верхней части слитка,
сохраняется жидкая сердцевина 4. Индуктор 3 воздействуя на сердцевину
вращающимся или бегущим магнитным полем осуществляет перемешивание
жидкого металла. При перемешивании осуществляется эффективное
воздействие на дендритную структуру
кристаллизующегося слитка,
ускоряется процесс затвердевания и как следствие увеличивается скорость
его вытягивания.
166
Рис. 1.1.35 – МГД перемешивание жидкой сердцевины слитка при
кристаллизации; 1 - жидкий металл; 2 – кристаллизатор скольжения; 3 – МГД
перемешиватель; 4 – жидкая сердцевина; 5 – твердый слиток.
Внешний вид уменьшенных (в масштабе 1:10) физических моделей
МГДП жидкой сердцевины слитка показан на рис. 1.1.36 а, б.
167
а)
б)
Рис. 1.1.36 – Физические модели МГДП жидкой сердцевины слитка: а) вариант с двумя
катушками; б) вариант с четырьмя катушками
Использование различных типов обмоток и схем включения этих обмоток,
позволяет добиться различной конфигурации поля скоростей и траекторий в жидкой
сердцевине, что приводит к различному результату в структуре слитка. Один из вариантов
распределения скоростей в сердцевине приведен на рисунке 1.1.37.
а)
б)
в)
Рис. 1.1.37 - Структура течения металла при одном из вариантов включения
обмоток: а) магнитуда скорости; б) векторное поле скорости; в) линии тока
Технология перемешивания жидкой сердцевины слитка находиться
еще на стадии развития и использование МГДП нуждается во всестороннем
анализе в основном с использованием численного моделирования
протекающих процессов, например как показано на рисунке 1.1.38.
168
а)
б)
в)
Рис. 1.1.38 - Результаты численного моделирования течений: а)
распределение сил; б) магнитуда скорости; в) векторное поле скорости
Таким образом приложения магнитной гидродинамики имеют большое
значение в металлургии, и в частности, в плавильно-литейном производстве.
Магнитогидродинамические устройства на базе индукционных машин
позволяют осуществить электромагнитное перемешивание (в ковшах, в
миксерах, в слитках при кристаллизации), транспортировку и дозирование
расплава, бесконтактную кристаллизацию слитков и другие операции,
автоматизировать эти процессы и повысить
качество продукции плавильно-
литейных агрегатов.
169
1.2 Транспортировка, разливка и дозирование жидкого металла
1.2.1 Механизм образования бегущего магнитного поля
Механизм образования бегущего магнитного поля состоит в том, что
бегущее магнитное поле возникает в пространстве, окружающем решетку из
проводников, несущих переменные электрические токи, смещенные между
собой по фазе и правильно чередующиеся по длине решетки. Простейшим
индуктором бегущего
магнитного поля является развернутый круглый статор
асинхронной машины. Механизм образования бегущего магнитного поля
трехфазным током показан на рис. 1.1.1. В левой части рисунка изображены
векторные диаграммы токов в отдельных фазах обмотки развернутого
статора, а в правой показаны соответствующие этим диаграммам
направления токов в проводниках, находящихся в различных пазах.
Векторные диаграммы даны для
различных моментов времени
последовательно через 1/6 часть периода переменного тока. Когда вектор
тока на диаграмме, вращаясь, проходит выше оси абсцисс, считаем, что ток
направлен в данной фазе обмотки по стрелке, показанной на верхней части
рисунка. Соответственно, когда вектор тока данной фазы обмотки,
поворачиваясь, оказывается ниже оси абсцисс, ток в это время
имеет
обратное направление.
Заметное при переходе от одной строки диаграмм к другой
волнообразное перемещение кривой индукции магнитного поля или
пространственное перемещение точки, где она имеет амплитудное значение,
и называется явлением бегущего магнитного поля. Таким образом, имеется в
виду волновой процесс, при котором поле в одних местах по длине
индуктора возникает, а
в других исчезает, что внешне выглядит как
поступательное движение волны. Направление этого движения зависит от
порядка чередования фаз в обмотке индуктора и может переключаться на
обратное так же, как направление вращения обычного электродвигателя,
путем перемены местами на клеммах двух проводов, питающих индуктор.
170
Рис. 1.1.1. Механизм образования бегущего магнитного поля трехфазным током:
а – индуктор; б – векторные диаграммы токов; в – направления токов в
проводниках индуктора: 1 - магнитопровод; 1 – обмотка
Рис. 1.1.1. Схема линейной МГД-машины:
а - раскладка обмотки по пазам, б – механизм образования бегущего магнитного
поля
а
б
171
Рассмотрим двухполюсную машину с трехфазной барабанной
обмоткой, включенной по схеме звезда с нейтральным проводом. Обмотка
имеет число пазов на полюс и фазу q = 1, т.е. состоит из трех катушек,
размещенных в шести пазах, как показано на рис. 1.1.1, а. Обмотка может
быть как барабанной, так и кольцевой.
Основные параметры:
τ – длина полуволны,
bп, bz – ширина паза и зубца соответственно,
hп – высота паза,
bп+bz=tz – зубцовое деление
qm
z
t
,
где m – число фаз,
z
t
п
b
6,0, 5
п
b
п
h
,
линейная скорость движения волны
f
V 2
0
.
Сечение паза
п
h
п
b
п
S
.
Плотность тока в проводнике
з
К
п
S
п
U
I
пр
S
I
j
11
,
где
1
I - действующее значение тока в фазе,
з
К - коэффициент
заполнения паза медью.
6,0
з
К
172
Линейная плотность тока
z
t
I
п
U
A
1
1
.
Амплитуда МДС
1
1
2
1
I
p
об
K
w
m
m
F
.
Магнитодвижущая сила
п
U
CBA
i
п
F
,,
,
п
U - число проводников в пазу,
CBA
i
,,
- токи в фазах,
где
0cos
1
t
m
I
A
i
,
3
2
cos
1
t
m
I
B
i ,
3
2
cos
1
t
m
I
C
i
или комплексные амплитуды токов
0
1
j
e
t
j
e
m
I
A
I
,
120
1
j
e
t
j
e
m
I
B
I
,
120
1
j
e
t
j
e
m
I
C
I
.
Первая гармоника МДС
xt
m
FxtF
sin
1
;
1
.
Для подавления высших гармоник в кривой МДС применяется
укорочение секций обмотки и распределение их по расточке статора.
Степень укорочения
y
.
173
Коэффициент укорочения
2
sin
у
K .
Коэффициент распределения для распределенной обмотки
mq
q
m
p
K
2
sin
2
sin
Обмоточный коэффициент
1
р
К
у
K
об
K
ЭДС фазы
ФKWjE
об11
.
1.2.1 Транспортирование жидкого металла
Транспортирование жидкого металла является непременным звеном
технологических процессов в металлургическом и литейном производстве. В
то же время эти операции наиболее трудно поддаются механизации и
автоматизации и связаны со значительной затратой тяжелого и опасного
труда.
Коренное усовершенствование этих операций представляет собой одну
из актуальнейших задач; однако эту задачу в большинстве случаев не
удается
удовлетворительно решить при помощи обычных средств манипулирования
с жидким металлом – ковшей, механических стопоров, пневматического
давления и т.д. Автоматизация процессов требует более совершенных
средств для перемещения жидкого металла и управления его разливкой, т.е.
нужна техника, основанная на каком-то новом принципе силового
воздействия на расплавленный металл.