УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА Российский патент 1996 года по МПК B22D11/04 

Изобретение относится к металлургии, в частности, к непрерывному литью металлов и сплавов и может быть использовано при электромагнитном перемешивании жидкой сердцевины слитка в зоне кристаллизатора или зоне вторичного охлаждения на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Известно устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка, содержащее водоохлаждаемый кристаллизатор с прорезями и индуктор трехфазного тока [1] Индуктор содержит магнитопровод, охватывающий с внешней стороны гильзовый кристаллизатор, и обмотку, роль которой выполняет сам кристаллизатор, имеющий разрезы не на всю длину гильзы, к наружной поверхности которой присоединены шины С-образной формы, размещенные внутри секций дополнительного магнитопровода с первичной обмоткой, которая подключена к источнику питания.

Основными недостатками такого устройства является сложная конструкция из-за наличия двух магнитопроводов и двух типов обмоток, низкая надежность работы связанная с тем, что индуктор не защищен от прорывов и теплового воздействия разливаемого металла, и кроме того, обмотка электромагнитного перемешивателя (разрезная гильза кристаллизатора) имеет непосредственный контакт с кристаллизирующимся слитком, в результате чего через металл протекают токи утечки, которые снижают интенсивность перемешивания и увеличивают расход электроэнергии.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для перемешивания расплавленного металла в кристаллизаторе, содержащее гильзовый кристаллизатор, водоохлаждаемый корпус и индуктор трехфазного тока [2] Индуктор выполнен в виде сердечника с шестью зубцами, вокруг которых размещены обмотки с частичным перекрытием друг друга в пазах сердечника.

Основным недостатком такого устройства является низкая интенсивность перемешивания и большой расход электроэнергии из-за того, что обмотка индукционного устройства имеет небольшой обмоточный коэффициент К_об. Из курса электрических машин известно, что характерной особенностью любой обмотки индукционной машины является так называемый обмоточный коэффициент, величина которого равна: К_об= К_у•К_р≅1, где К_у - коэффициент укорочения шага обмотки, а К_р- коэффициент распределения обмотки. Обмоточный коэффициент физически означает, какая часть обмотки используется как действующая в отношении получения индуктированной электродвижущей силы во вторичном теле (слитке), от которой зависит величина тока, влияющего в свою очередь на величину электродинамического усилия в слитке, а следовательно и на величину скорости в потоке жидкого металла.

В [3] рассматривается трехфазная обмотка, которая приведена в N 818469. Обмоточный коэффициент такой обмотки равен

где относительный шаг обмотки;
средний шаг обмотки;
число пазов на полюс и фазу;
z 6 число пазов;
2p 2 число полюсов;
m 3 число фаз;
τ полюсное деление.

Экспериментально установлено, что скорость движения жидкого металла v при электромагнитном перемешивании зависит прямо пропорционально от величины тока обмотки индуктора, а значит и от величины индукции В магнитного поля если магнитная система не насыщена), т.е. v прямо пропорциональна В_o [4]
где индукция на поверхности магнитопровода;
амплитуда намагничивающей силы на полюс, тогда

где амплитуда линейной токовой нагрузки;
w число витков в фазе,
I фазный ток,
m_o магнитная проницаемость, то есть скорость в потоке жидкого металла зависит от величины обмоточного коэффициента обмотки. Обмотка известного индуктора имеет небольшой обмоточный коэффициент (К_{об.изв.ин} 0,5), поэтому в случае применения обмотки другого типа, например, с более высоким обмоточным коэффициентом, т. е. К_{об. пред. ин} > К_{об.изв.ин} (где К_{об. пред. ин} обмоточный коэффициент обмотки предлагаемого индуктора) и одинаковых с известным индуктором линейных токовых нагрузках (А_{л.пред.ин} А_{л.изв.ин}), а именно:
τ_{пред.ин}= τ_изв.ин равных полюсных делениях;
2Р_{пред.ин} 2Р_изв.ин равных числах полюсов; m_{пред.ин} m_изв.ин равных количествах фаз; W_{пред.ин} W_изв.ин равных числах витков в фазах; I_{пред.ин} I_изв.ин равных токах в фазах, то скорость в потоке жидкого металла увеличится прямо пропорционально отношению обмоточных коэффициентов обмоток

где v_{пред.ин} скорость жидкого металла в потоке, которую развивает предлагаемый индуктор; v_изв.ин скорость жидкого металла в потоке, которую развивает известный индуктор. Следовательно, при К_{об. пред. ин} > К_{об.изв.ин} и одинаковых линейных токовых нагрузках у известного и предлагаемого индуктора, интенсивность перемешивания у предлагаемого индуктора будет выше, чем у известного индуктора.

Снизим интенсивность перемешивания у предлагаемого индуктора таким образом, чтобы выполнялось следующее равенство:
v_{пред.ин} v_изв.ин (3)
Для выполнения равенства (3) согласно выражению (1) необходимо уменьшить линейную токовую нагрузку предлагаемого индуктора до величины, равной:

Так как А_л прямо пропорционально I_ф, то для уменьшения линейной токовой нагрузки, уменьшим фазный ток в обмотке предлагаемого индуктора таким образом, чтобы выполнялось равенство (4), тогда

Активная мощность индуктора при электромагнитном перемешивании равна:
P = mI2ф

(R_об.ф+R_вн)
где m количество фаз;
R об.ф фазное сопротивление обмотки;
R вн вносимое сопротивление, которое учитывает влияние вторичной цепи на первичную [3]
Поэтому при одинаковой интенсивности перемешивания (v_{пред.ин} v_изв.ин), расходуемая электроэнергия у предлагаемого индуктора будет соответственно в

раза меньше, чем у известного индуктора, при условии, что R_изв.ин R_{пред.ин}.

Таким образом, существенным недостатком известного индуктора, приведенного в патенте СССР N 818469, является низкая интенсивность перемешивания и повышенный расход электроэнергии.

В предлагаемом устройстве для электромагнитного перемешивания жидкого металла включающем в себя водоохлаждаемый корпус и m фазный индуктор, выполненный в виде сердечника с зубцами и обмотками, согласно изобретению, обмотки фаз индуктора выполнены с переменным шагом, при этом

где m 2, 3. n количество фаз, τ полюсное деление, y₁ - средний шаг обмотки первой фазы, y₂ средний шаг обмотки второй фазы, y_n средний шаг обмотки n й фазы. Минимум одна фаза индуктора содержит минимум две обмотки.

Для пояснения предлагаемого изобретения на фиг. 1 приведен общий вид устройства с частичным разрезом корпуса; на фиг. 2 общий вид устройства сверху; на фиг. 3 разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 4 разрез по А-А на фиг. 1 (одна фаза индуктора содержит две обмотки, а две других фазы по одной обмотке); на фиг. 5 разрез по А-А на фиг.1 (каждая фаза индуктора содержит по две обмотки; на фиг.6 одна фаза индуктора содержит четыре обмотки, а две других фазы по две обмотки); на фиг. 7 векторная диаграмма намагничивающих сил обмотки индуктора.

Устройство для электромагнитного перемешивания жидкого металла включает в себя защитный водоохлаждаемый корпус 1 и трехфазный индуктор 2. Индуктор 2 установлен в водоохлаждаемом корпусе 1. В верхней части корпуса 1 расположена съемная крышка 3 с герметичным уплотнением. Для подвода и отвода охлаждающей воды к корпусу 1 приварены штуцеры 4. Индуктор 2 содержит сердечник 5 с шестью зубцами 6 и три фазных обмотки 7, 8 и 9. Обмотки 7, 8 и 9 размещены в пазах сердечника 5. Обмотка 7 первой фазы выполнена с одним радиусом и частично перекрывает лобовые части (показанные пунктирными линиями) обмотки 8 второй фазы и обмотки 9 третьей фазы, которые выполнены с другим радиусом (большим, чем обмотка 7). Определим обмоточный коэффициент обмотки данного типа. Так как обмотка 7 выполнена с одним шагом, а обмотки 8 и 9 с другим шагом, то средний обмоточный коэффициент обмотки данного типа будет равен

где
y₁= τ cредний шаг обмотки первой фазы;
относительный шаг обмотки первой фазы;
число пазов на полюс и фазу;
Z 6 число пазов;
2p 2 число полюсов;
m 3 число фаз; τ полюсное деление.

средний шаг обмотки второй фазы;
относительный шаг обмотки вророй фазы;

средний шаг обмотки третьей фазы;
относительный шаг обмотки третьей фазы.

На фиг. 4 первая фаза индуктора 2 содержит две обмотки 7¹ и 7¹¹, которые выполнены с одинаковыми радиусами. Обмотка 7¹ первой фазы перекрывает частично лобовые части обмоток 8 и 9 второй и третьей фазы с одной стороны, а обмотка 7¹¹ с другой стороны.

На фиг. 5 каждая фаза индуктора 2 содержит по две обмотки. Обмотки 7¹ и 7¹¹ первой фазы выполнены с одинаковыми радиусами, а обмотки 8¹ и 8¹¹ второй фазы и 9¹ и 9¹¹ третьей фазы выполнены с различными радиусами. Обмотка 7¹ частично перекрывает лобовые части обмоток 8¹, 8¹¹, 9¹ и 9¹¹ с одной стороны, а обмотка 7¹¹ с другой стороны.

На фиг. 6 первая фаза индуктора 2 содержит четыре обмотки 7¹, 7¹¹, 7¹¹¹ и 7^1Y, а вторая и третья фаза по две обмотки 8¹, 8¹¹ и 9¹, 9¹¹ соответственно. Обмотки 7¹ и 7¹¹ первой фазы выполнены с одними (одинаковыми) радиусами, а 7¹¹¹ и 7^1Y с другими (одинаковыми) радиусами. Обмотки 8¹ и 8¹¹ второй фазы и обмотки 9¹ и 9¹¹ третьей фазы выполнены с различными радиусами. Обмотки 7¹ и 7¹¹ частично перекрывают лобовые части обмоток 8¹, 8¹¹, 9¹ и 9¹¹ с одной стороны, а 7¹¹¹ и 7^1Y с другой стороны.

В связи с приведенными выше формулами, рисунками и описанием к ним, использование предлагаемого индуктора (К_{об. пред. ин} 0,9) для перемешивания жидкого металла позволяет по сравнению с известным индуктором (К_{об.изв.ин} 0,5) при одинаковых линейных токовых нагрузках (А_{пред.ин} + А_изв.ин) увеличить интенсивность перемешивания жидкой фазы за счет увеличения средней скорости движения жидкого металла в потоке согласно выражению (2) в

раза или при одинаковых средних скоростях движения жидкого металла в потоках (v_{пред.ин} v_изв.ин) снизить расход электроэнергии согласно (3), (4) и (5) в

При этом следует отметить, что даже при условии равенства средних скоростей движения жидкого металла в потоках, т.е. при v_{пред.ин} v_изв.ин, перемешивание жидкой фазы слитка предлагаемым индуктором будет более интенсивным, чем известным индуктором.

На фиг. 7 изображена векторная диаграмма намагничивающих сил (н.с.) F_А, F_B и F_C обмоток фаз (А-х; В-y и С-z) предлагаемого индуктора, которая построена на основании фиг. 3. Как видно, векторы F_A, F_B и F_C расположены не симметрично друг относительно друга, (в связи с несимметричным расположением обмоток фаз (А-х; В-y и Св пространстве), следовательно, вращающееся магнитное поле будет не круговым, как у известного индуктора, а эллиптическим. Как известно из курса электрических машин, эллиптическое поле можно представить в виде двух эквивалентных круговых полей F₁ и F₂ (полем прямой и обратной последовательности), векторы которых вращаются с одинаковыми скоростями (ω₁(ω₁)= 2πf где f частота питающего тока) в противоположных направлениях. Для нахождения векторов F₁ прямой и F₂ обратной последовательности воспользуемся методом симметричных составляющих [5] который состоит в приведении несимметричной трехфазной системы к двум симметричным:
и

где а 1 < + 120^o эл. фазовый множитель;
а² 1 < 120^o эл. фазовый множитель.

Выразим все векторы F_A, F_B и F_C через амплитуду вектора F_A, предполагая, что амплитуда векторов F_A, F_B и F_C равны между собой, тогда


Из приведенного выше построения и расчета видно, что амплитуда поля обратной последовательности составляет от амплитуды поля прямой последовательности соответственно . Если сложим эти два вектора и то получим такое поле, у которого результирующий пространственный вектор или индукции опишет эллипс. Физически эллиптическое поле означает изменение амплитуды индукции магнитного поля по мере движения его вдоль индуктора. Это будет выдавать в слитке различные по величине эдектродинамические усилия, что соответственно приведет к местным увеличениям и падениям скорости в жидком металле, а это, в свою очередь, вызовет турбулентное движение в жидком металле. Причем чем больше величина обратного полят, тем больше эллиптичность вращающегося магнитного поля, тем больше степень турбулизации движения жидкого расплава. При турбулентном движении жидкого металла облегчаются условия обламывания ветвей растущих кристаллов, которые становятся дополнительными центрами кристаллизации, тем самым интенсивно подавляется рост столбчатых кристаллов, что приводит к более равномерному фронту затвердевания. Кроме того, турбулентное движение вызывает периодические местные увеличения давления и разрежения. В момент разрежения уменьшаются мгновенная плотность и температура в локальном объеме,т.е. увеличивается местное переохлаждение, что способствует образованию новых зародышей кристаллов и расширению зоны мелких равноосных кристаллов, в результате чего значительно улучшается качество непрерывнолитой заготовки. Таким образом, турбулентное движение вызывает более интенсивное перемешивание жидкого металла, в результате чего улучшается качество непрерывнолитой заготовки.

Таким образом, предложенное изобретением расположение обмоток фаз на магнитопроводе индуктора позволяет увеличить интенсивность перемешивания и снизить расход электроэнергии. Это достигается при прочих равных условиях за счет увеличения среднего шага обмоток фаз индуктора с y₁= y₂= y₃= 1/3 τ до y₁= τ, y₂= y₃= 2/3 τ Увеличение шага обмотки приводит к увеличению обмоточного коэффициента с К_{об.изв.ин} 0,5 до К_{об. пред. ин} 0,9, а следовательно, при прочих равных условиях это приводит к увеличению интенсивности перемешивания за счет увеличения скорости потоков в 1,8 раза или при одинаковых скоростях потоков к снижению расхода электроэнергии в 3,2 раза, причем при одинаковых скоростях потоков за счет переменного (неравномерного) шага обмоток фаз индуктора перемешивание у предлагаемого индуктора будет более интенсивным эффективным) за счет турбулентного движения потоков в жидком металле, вызванное эллиптическим полем, характеризующимся амплитудой поля прямой последовательности F₁ 0,91F_A и полем обратной последовательности F₂ 0,24 F_A
Предложенное устройство применимо и при плоском (линейном) выполнении индуктора.

Использование: металлургия, в частности, непрерывное литье металлов и сплавов. Сущность: для увеличения интенсивности перемешивания металла устройство содержит m - фазный индуктор, обмотки которого выполнены с переменным шагом, а именно , где m = 2,3 n - количество фаз, τ - полюсное деление, y₁, y₂ ,..., y_n - средний шаг обмотки соответственно первой, второй и n - фазы, при этом минимум одна фаза индуктора содержит минимум две обмотки. 1 з.п. ф-лы. 7 ил.

1. Устройство для электромагнитного перемешивания жидкого металла, содержащее водоохлаждаемый корпус и m-фазный индуктор, выполненный в виде сердечника с зубцами и обмотками, отличающееся тем, что обмотки фаз индуктора выполнены с переменным шагом, при этом

где m 2, 3. n количество фаз;
τ полюсное деление;
Y₁ средний шаг обмотки первой фазы;
Y₂ средний шаг обмотки второй фазы;
Y_n средний шаг обмотки n-й фазы. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что минимум одна фаза индуктора содержит минимум две обмотки.