Тимофеев В.Н. (ред.) Применение магнитогидродинамических устройств в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

184

обусловлено большой длиной их винтового капала. Как известно, давление

нарастает по длине канала как результат интегрирования объемных

электромагнитных сил, отнесенный к единице площади поперечного сечения.

Следует отметить одну особенность спирального индукционного

насоса, делающего его пригодным для получения весьма высоких давлений

(при достаточном, разумеется, числе витков спирали или общей длине

насоса

). Она состоит в том, что спиральный канал такого насоса заключен в

пространстве между магнитным сердечником и внешним магнитопроводом

статора — индуктора вращающегося магнитного ноля. Обе части магнитной

системы выполняются шихтованными из листовой стали.

В сборе статор представляет собой толстостенный стальной цилиндр,

набранный из колец. Такой стальной цилиндр может использоваться не

только

в качестве активного железа магнитной цепи, но и как силовой

элемент конструкции, выдерживающий механическую нагрузку и

препятствующий разрушению или деформации канала под действием

давления металла изнутри.

Для эффективной работы спирального индукционного насоса (во

избежание сильного влияния поперечного краевого эффекта) необходимо,

чтобы контуры индукционных токов не замыкались по ширине канала в

пределах

одного витка, а проходили через каналы и разделяющие их

перегородки по всей высоте спирали. Это требование ограничивает область

применения спиральных индукционных насосов, позволяя, по существу,

использовать их лишь для тех жидких металлов, для которых можно

применять металлы в качестве конструкционных материалов для канала.

Необходимость контактирования жидкого металла со стенками (винтовыми

перегородками) канала вызывает такое же требование стабильности

переходных сопротивлений, чистоты металла и т. п., как у кондукционных

насосов.

Последнее обстоятельство ограничивает перспективы применения

спиральных индукционных насосов даже при условии» что проблема

устойчивого к эрозии в жидком металле проводящего (поперек витков

спирали) винтового канала будет решена применением керметов,

высокоогнеупорных, окислов, нитридов и

т. д.

В установках, где канал может быть выполнен металлическим,

перспективной является особая разновидность спирального индукционного

185

насоса с вращающимся магнитным полем — насос, в котором индуктором

является вращающийся ротор с полюсами, намагничиваемыми постоянным

током, или с постоянными магнитами. Внешний магнитопровод набирается

из колец, штампованных из листовой электротехнической стали (рис. 1.1.7).

В таком устройстве исключен один из существенных недостатков

индукционных насосов всех типов — низкий коэффициент мощности.

Рис. 1.1.7. Спиральный индукционный насос с вращающимися полюсами

а — с приводом ротора от постороннего двигателя;

б — с приводом ротора при помощи вращающегося магнитного поля:

1 — ротор; 1— внешний магнитопровод; 3 — канал; 4 — двигатель; 5 — статор

В зависимости от располагаемого источника энергии ротор такого

насоса может приводиться в движение от постороннего привода через вал

или, если предполагается электрический привод, непосредственно статором

синхронного электродвигателя, внутрь расточки которого в таком случае

помещается винтовой канал и ротор. Роль внешнего магнитопровода играет

статор двигателя, а ротор насоса является и ротором

двигателя.

Основное отличие спирального индукционного насоса – применение

спирального канала для преобразования вращательного движения жидкого

186

металла в поступательное — является и основным его недостатком с точки

зрения пригодности к использованию в металлургии и литейном

производстве.

Выполнение такого канала из огнеупорных материалов

затруднительно, сопряжение его со смежными участками тракта передачи

жидкого металла также вызывает трудности. Поэтому более удобным

оказывается пойти по другому пути—приспосабливать не форму канала

характеру движения магнитного поля (в данном случае к вращению

магнитного поля), а, наоборот, изменить характер движения магнитного поля

таким образом, чтобы осуществить нагнетание металла в простейшем,

прямолинейном канале.

1.2.6 Индукционные насосы с бегущим электромагнитным полем

Вместо того чтобы «сворачивать» в спираль канал электромагнитного

насоса и таким образом создавать поступательное движение жидкого металла

воздействием вращающегося магнитного поля, можно «развернуть», статор,

как показано на рис. 1.1.8. Такой развернутый статор создает поступательно

движущееся бегущее электромагнитное поле, воздействие которого приводит

жидкий металл тоже в поступательное движение.

Рис. 1.1.8. Преобразование индуктора вращающегося магнитного поля в индуктор

бегущего магнитного поля (разворачивание статора) 1- магнитопровод; 1 – обмотка.

Морфологические преобразования, приводящие от электромагнитного

желоба к простейшим, так называемым плоским линейным индукционным

насосам, показаны на рис. 1.1.9.

187

Обычно оказывается целесообразным разместить за каналом такого

устройства второй индуктор бегущего магнитного поля, аналогичный

первому. Это дает возможность, во-первых, уменьшить необходимый для

создания расчетной индукции поля намагничивающий ток (и тем самым

снизить потери в обмотке), поскольку второй сердечник (магнитопровод)

уменьшает путь магнитного потока вне железа. Во-вторых, на этом

сердечнике также может быть размещена обмотка, что обеспечивает

уменьшение плотности тока в меди и снижение потерь (иногда второй

магнитный сердечник оставляют необмотанным).

Рис. 1.1.9. Индукционные МГД – устройства с бегущим магнитным полем

а – электромагнитный желоб; б – плоский линейный насос с односторонним

индуктором; в – то же со вторичным пассивным сердечником; г – плоский линейный

насос с двусторонним индуктором

1 — магнитопровод; 1 — обмотка; 3 — футеровка; 4 — канал

Для сближения сердечников сечению канала плоских линейных

индукционных насосов обычно придают вытянутую форму, не очень

усложняющую изготовление элементов футеровки, но существенно

снижающую расход электроэнергии и установленную мощность индуктора (в

таких насосах индуктором обычно называют совокупность двух одинаковых

развернутых статоров, расположенных по обе стороны канала).

Как и в электромагнитном желобе, сила

Лоренца по краям

жидкометаллической полосы, т.е. у краев канала, снижается до нуля.

Наглядно можно представить себе, что при таком подходе к расчету

электромагнитного давления жидкометаллическую полосу принимают как

бы затвердевшей и давление определяют делением суммы всех наведенных в

ней электромагнитных сил на площадь поперечного сечения канала. Это так

называемое электродинамическое

приближение, исключить которое из

практических расчетов электромагнитных насосов до сих пор не удается.

188

Поскольку неравномерное распределение электромагнитных сил в

жидком металле приводит к образованию внутренних вихревых течений в

канале, то действительно развиваемое насосом давление всегда меньше

вычисленного. В меньшей мере вихревые течения создаются также и

вследствие неравномерности электромагнитных сил, обусловленной скин –

эффектом, т.е. ослаблением поля в средних слоях жидкометаллической

полосы, если ее

толщина соизмерима с глубиной проникновения.

Электромагнитные насосы, как правило, рассчитаны на более высокие

электромагнитные нагрузки индуктора и представляют собой более

компактные устройства по сравнению с желобами. Для покрытия потерь

тепла и предотвращения замерзания расплава в канале в насосах в отличие от

желобов в большинстве случаев целесообразно питание индуктора

электроэнергией на повышенных

частотах (до 500 — 1000 Гц). Дальнейшее

повышение частоты ведет к возрастанию последствий скин – эффекта.

Наиболее простым по устройству индукционным насосом с бегущим

электромагнитным полем является плоский линейный индукционный насос,

схема которого показана на рис. 1.1.10.

Рис. 1.1.10. Схема плоского линейного индукционного насоса

1 - магнитопровод индуктора; 1 - обмотка индуктора; 3 - канал; 4 - диффузор канала

Рабочей камерой насоса для тугоплавких металлов является канал

огнеупорной трубы 1, расположенной между зубцами двух магнитопроводов

1. Для уменьшения воздушного зазора между зубцами магнитопроводов

огнеупорная труба имеет вытянутое сечение с каналом щелевидной формы.

Поэтому жидкий металл в канале находится в виде плоской «полосы»

(отсюда и происходит название насосов этого типа). В

пазах

магнитопроводов уложена трубчатая водоохлаждаемая трехфазная обмотка

3, которая создает бегущее магнитное поле, пересекающее пространство

189

между магнитопроводами и пронизывающее жидкий металл в канале

огнеупорной трубы.

В жидком металле наводятся индукционные токи, взаимодействие

которых с магнитным полем создает электромагнитные силы, направленные

в ту же сторону, куда движется магнитное поле индуктора. Эти силы как бы

увлекают металл в движение вслед за полем и создают на выходе насоса

напор, который используется для подъема жидкого металла или преодоления

гидравлических сопротивлений в трубопроводах.

Если слой жидкого металла, расположенный в бегущем магнитном

поле, имеет конечную ширину, индуктированные в металле токи уже нельзя

считать текущими по прямолинейным элементарным проводникам,

перпендикулярным оси канала и нормали к поверхности индуктора.

Возникает вопрос, каким же образом замыкается

цепь этих токов, поскольку

проводники обрываются на краях канала, ограничивающих ширину слоя

жидкого металла (рис. 1.1.11).

Применяя правило правой руки к определению направления

индуктированных в металле токов, можно заметить, что направления этих

токов по длине канала чередуются на расстоянии полюсного шага обмотки

индуктора. Благодаря этому индукционные токи имеют возможность

замыкаться в

плоскости слоя жидкого металла.

При этом давление, развиваемое индукционным насосом, зависит от

формы контуров индукционных токов, наведенных бегущим

электромагнитным полем в жидком металле, заполняющем канал. Дело в

том, что электродвижущая сила, вызывающая появление индукционных

токов, возникает только на тех участках контуров, которые перпендикулярны

как вектору индукции бегущего магнитного поля, так и

направлению его

движения, т. е. на поперечных участках а-б и в-г. На параллельных же оси

канала продольных участках а-г и б-в электродвижущая сила не создается, в

то время как сопротивление контура этими участками увеличивается и

плотность индуктированного в контуре тока уменьшается. Следовательно,

уменьшается и величина электромагнитных

сил, действующих на контур.

190

Рис. 1.1.11. Слой жидкого металла в канале плоского линейного индукционного

насоса

1 – магнитопровод; 1 – обмотка; 3 – канал.

Если канал узкий и контуры индукционных токов имеют вытянутую

форму, соотношение активных и неактивных участков контуров получается

неблагоприятным и напор, развиваемый электромагнитными силами при

прочих равных условиях, значительно меньше, чем при относительно

широком канале. Эта особенность ограничивает возможность повышения

напора путем произвольного увеличения полюсного шага обмотки.

Кроме того, растекание индукционных

токов на поперечных участках

контуров при подходе к краю канала вызывает неравномерность

распределения электромагнитных сил по площади поперечного сечения

канала.

Указанные явления составляют поперечный краевой эффект, который

снижает развиваемое в жидком металле давление, а также количество

выделяющегося в нем тепла.

191

С учетом этого явления величина давления, развиваемого

электромагнитными силами, и тепловой мощности, выделяющейся в единице

объема жидкого металла, определяются известными формулами П. А.

Фридкина, которые в системе единиц СИ выглядят следующим образом:

KlfsBD





KsfBG



2222



где:

- индукция магнитного поля (поперечная составляющая);



- полюсный шаг обмотки индуктора (геометрическое расстояние

по оси индуктора между двумя сторонами одного и того же витка обмотки,

лежащего в пазах магнитопровода);



- электропроводность металла проводника;

- скольжение, равное



 , где

v - скорость движения металла;

v - синхронная скорость поля, равная fv





K - коэффициент, учитывающий ослабление давления вследствие

поперечных краевых эффектов и влияния индуктивности вторичной цепи.

Для величины

K разными авторами предложен целый ряд

эмпирических формул. Наиболее целесообразно пользоваться формулой

аналитического происхождения, предложенной А. И. Вольдеком:









)(

1

где

c - половина ширины канала.

Существенное значение в установках для нужд металлургического и

литейного производства имеет выделение индукционными токами в жидком

металле тепла. В большинстве случаев здесь такое преобразование

электрической энергии в тепловую весьма полезно, так как тепло выделяется

192

непосредственно в жидком металле, предотвращая остывание его в канале

индукционного насоса.

Поперечный краевой эффект может в несколько раз снизить давление,

развиваемое бегущим магнитным полем в жидком металле. Один из способов

борьбы с краевым эффектом заключается в том, что по краям канала для

жидкого металла располагают шины из материала, обладающего высокой

проводимостью. Тогда индуктированные в жидком металле токи могут

замыкаться по этим шинам, подобным короткозамыкающим кольцам ротора

асинхронного электродвигателя. В идеальном случае (если считать эти шины

сверхпроводящими и не учитывать переходного сопротивления) токи и

усилия в жидком металле будут такими же, как в бесконечно широком слое

жидкого металла.

Другой способ борьбы с

поперечным краевым эффектом – переход к

цилиндрическому линейному индукционному насосу заключается в том, что

слой жидкого металла как бы сворачивают в трубку, ось которой

параллельна направлению движения бегущего магнитного поля.

Целью такого преобразования является исключение поперечного

краевого эффекта – упомянутого неблагоприятного влияния продольных

частей контуров индукционных токов в жидкометаллической полосе. В

цилиндрическом

слое жидкого металла (жидкометаллической трубе)

индукционные токи могут замыкаться в плоскости поперечного сечения.

Энергетические показатели такого устройства, называемого цилиндрическим

линейным индукционным насосом, как правило, лучше, чем плоского, а

огнеупорные изделия футеровки канала имеют более привычное для

огнеупорщиков круглое сечение. Однако конструкция такого насоса

получается достаточно сложной, из-за попытке размещения индуктирующей

обмотки с обеих (наружной и внутренней) сторон жидкометаллической

трубы(рис. 1.1.11 а).

Поэтому обычно ограничиваются наружным индуктором, помещая

внутрь не имеющий обмотки пассивный магнитный сердечник, защищенный

огнеупорной футеровкой (рис. 1.1.11 б). Такой сердечник уменьшает

необходимый намагничивающий ток индуктора. На оси цилиндрического

индуктора бегущего магнитного поля индукция последнего (точнее

радиальная составляющая индукции, создающая

продольные силы) равна

нулю. Заполняя осевую часть канала, организуя цилиндрический слой

193

жидкого металла с поперечным сечением в виде кольца, а не сплошного

круга, достигают большего давления, поскольку затрудняют образование

возвратного течения жидкого металла вдоль оси.

В связи с этим целесообразно заполнение осевой части металлотракта

хотя бы даже немагнитным сердечником (рис. 1.1.11 в) в том случае, если

охлаждение внутреннего магнитного сердечника, который необходимо

поддерживать при температуре ниже точки Кюри, встречает большие

затруднения.

Тем не менее, нельзя исключить и возможность использования в

некоторых случаях и устройств с каналом круглого сечения. Энергетические

показатели не являются приоритетными в технологических МГД-

устройствах для высокотемпературных расплавов, а наибольшая простота

такого канала несомненна (рис. 1.1.11 г).

Рис. 1.1.11. Индукционные МГД – устройства с бегущим магнитным полем

а — цилиндрический с двусторонним индуктором; б — цилиндрический с

пассивным магнитным внутренним сердечником; в — цилиндрический с немагнитным

сердечником; г — цилиндрический с круглым (без сердечника) сечением канала

1 — магнитопровод; 1 — обмотка; 3 — футеровка; 4 — канал