Изобретение относится к контролю скорости потока нисходящего расплавленного металла и управлению этим потоком.
Падающие потоки расплавленного металла используют в металлургических процессах, например, при непрерывной разливке стали. При непрерывной разливке поток расплавленного металла падает от верхнего контейнера, например, ковша или промежуточного разливочного ковша. Скорость потока падающего расплавленного металла обычно управляется при помощи тугоплавких механических устройств таких, как огнеупорные измерительные сопла, огнеупорные стопорные стержни или огнеупорные подвижные вентили. Все эти механические устройства имеют тенденцию к закупориванию, когда тугоплавкие частицы, взвешенные в расплавленном металле в положении верхнего потока управляющего устройства, прилипают к отсекам устройства, снижая поток расплавленного металла через управляющее устройство.
Электромагнитные усилия также использовались в известных измерительных устройствах для управления потоком падающего расплавленного металла при сведении к минимуму или исключении перечисленных недостатков, возникающих при применении механических измерительных устройств. В таких системах поток расплавленного металла окружен первичной коаксиальной катушкой из электропроводного материала. Через эту катушку протекает переменный ток, который формирует магнитное поле, инициирующее в свою очередь вихревые токи в падающем потоке расплавленного металла. Непосредственным результатом этого является создание магнитного давления, которое сужает или ограничивает поток расплавленного металла, уменьшая площадь поперечного сечения либо на катушке, либо ниже ее в зависимости от того, больше или меньше величина этого магнитного давления головной части, обусловленного потоком.
Более конкретно, когда магнитное давление меньше давления головной части из-за потока, скорость падающего потока в диапазоне области магнитного поля (ниже упоминаемой как верхняя часть потока) уменьшена на величину магнитного давления, однако площадь поперечного сечения потока не уменьшена в его верхней части. В этой части падающий поток, который представляет нисходящий поток (ниже упоминаемый как нисходящая часть потока), не испытывает существенного магнитного давления, скорость нисходящей части потока увеличивается и поток подвергается ограничению в его поперечном сечении для сохранения объемной скорости потока в верхней части.
Если магнитное давление превышает давление, обусловленное головной частью потока, то поток будет подвергаться ограничению в области поперечного сечения в районе магнитного поля (верхняя часть потока). Это обусловлено возникновением так называемого вращательного потока в области магнитного поля, когда магнитное давление превышает давление головной части, обусловленное потоком. Более конкретно, поток протекает в центре в верхнем направлении, а по периферии в нижнем направлении; чистый поток в нижнем направлении будет возникать из-за ограничения площади поперечного сечения потока, начиная с области магнитного поля (верхняя часть потока).
Желательно, чтобы электромагнитная управляющая система функционировала при условиях оптимальной электромагнитной эффективности. Эта эффективность оптимизирована, когда магнитное давление относительно велико, а потери мощности в системе относительно малы. Потери мощности возникают в первичной катушке, которая окружает падающий поток расплавленного металла, а также в самом потоке расплавленного металла. Потери мощности проявляются в виде выделяющегося тепла как в первичной катушке, так и в потоке расплавленного металла. Потери мощности в первичной катушке являются ограничивающим фактором в зависимости от максимально допустимого тока и сформированного магнитного поля. Потери мощности в расплавленном металле могут приводить к повышению температуры потока расплавленного металла выше допустимых пределов.
Тепло в катушке, возникающее из-за потери мощности, может быть уменьшено путем охлаждения катушки циркулирующей охлаждающей водой, однако на практике существует предел величины тепла, которое может быть перенесено от катушки при помощи охлаждающей жидкости. Перегрев катушки из-за избыточных потерь мощности не является допустимым.
Ближайшим аналогом изобретения является способ электромагнитного управления потоком расплавленного металла, включающий пропускание электрического тока через катушку, расположенную вокруг трубопровода, через который протекает расплавленный металл, и изменение параметров электрического тока (патент Швейцарии N 576302, кл. B 22 D 37/00, 1976).
Недостатком известного способа являются потери мощности в катушке и в потоке расплавленного металла.
Задача, решаемая изобретением, электромагнитное воздействие на поток расплавленного металла с получением технического результата, заключающимся в оптимизации электромагнитной эффективности.
Поставленная задача решается способом электромагнитного воздействия на поток расплавленного металла, включающим пропускание электрического тока через катушку, расположенную вокруг трубопровода, через который протекает расплавленный металл, и определение параметров электрического тока из условия оптимизации отношения магнитного давления в металле к потерям мощности электрического тока, заданного по технологии.
Поставленная задача также решается за счет того, что в качестве электрического тока используют переменный ток, а в качестве параметра электрического тока частоту переменного тока.
Поставленная задача также решается за счет того, что радиус потока расплавленного металла уменьшают путем воздействия магнитным давлением вдоль потока расплавленного металла, при этом частоту переменного тока определяют из условия проникновения магнитного поля в расплавленный металл на глубину около 0,33 0,56 от значения первоначального радиуса потока расплавленного металла.
Поставленная задача также решается за счет того, что частоту переменного тока устанавливают из условия проникновения магнитного поля в расплавленный металл на глубину около 0,33 0,56 от значения радиуса исходного потока металла и условия нахождения отношения магнитного давления Pm к потерям мощности Pc электрического тока в диапазоне, определяемым по следующему математическому выражению:
0,2K ≅ Pm/Pc ≅ 0,24K,
где Pm Н • м2;
Pc Вт/м;
K коэффициент, зависящий от расстояния от катушки до потока расплавленного металла и длины катушки.
Поставленная задача также решается за счет того, что частоту переменного тока устанавливают из условия нахождения отношения магнитного давления Pm к потерям мощности Pc электрического тока в диапазоне, определяемым по следующему математическому выражению:
02,K ≅ Pm/ Pc ≅ 0,24K.
Поставленная задача также решается за счет того, что в качестве электрического тока используют переменный и постоянный электрические токи.
Поставленная задача также решается за счет того, что отношение параметров переменного тока к постоянному току определяют из условия оптимизации отношения магнитного давления к потерям мощности электрического тока, заданного по технологии.
Поставленная задача также решается за счет того, что отношение параметров переменного тока к постоянному устанавливают из условия получения равенства потерь мощности от использования переменного и постоянного токов.
Поставленная задача также решается за счет того, что частоту переменного тока определяют из условия оптимизации отношения магнитного давления к потерям мощности электрического тока, заданного по технологии.
Поставленная задача также решается за счет того, что изменяют частоту переменного тока из условия проникновения магнитного поля в расплавленный металл на глубину около 0,60 0,90 значения радиуса исходного потока металла для уменьшения радиуса потока металла.
Поставленная задача также решается за счет того, что изменяют частоту переменного тока из условия проникновения магнитного поля в расплавленный металл на глубину около 0,75 значения радиуса исходного потока металла.
Поставленная задача также решается за счет того, что частоту переменного тока устанавливают из условия нахождения отношения магнитного давления Pm к потерям мощности Pc электрического тока в диапазоне
0,3K ≅ Pm/Pc ≅ 0,4K.
Поставленная задача также решается за счет того, что частоту переменного тока устанавливают из условия нахождения отношения магнитного давления Pm к потерям мощности Pc электрического тока, заданного по технологии, в диапазоне
0,3K ≅ Pm/Pc ≅ 0,4K.
Поставленная задача также решается за счет того, что частоту переменного тока определяют из условия оптимизации отношения магнитного давления к потерям мощности электрического тока, заданного по технологии.
Поставленная задача также решается за счет того, что частоту переменного тока устанавливают из условия проникновения поля в расплавленный металл на глубину около 0,60 0,90 значения исходного потока металла.
Поставленная задача также решается за счет того, что устанавливают частоту переменного тока из условия проникновения магнитного поля в расплавленный металл на глубину около 0,75 значения радиуса исходного потока металла.
Поставленная задача также решается за счет того, что устанавливают частоту переменного тока из условия нахождения отношения магнитного давления Pm к потерям мощности Pc электрического тока в диапазоне
0,3K ≅ Pm/Pc ≅ 0,4K.
Поставленная задача также решается за счет того, что устанавливают частоту переменного тока из условия нахождения отношения магнитного давления Рm к потерям мощности Pc электрического тока, заданного по технологии, в диапазоне:
0,3К ≅ Рm/Pc ≅ 0,4К.
Поставленная задача также решается способом электромагнитного воздействия на поток расплавленного металла, включающим пропускание электрического тока через катушку, расположенную вокруг трубопровода, через который протекает расплавленный металл, при этом в качестве электрического тока используют совместно переменный и постоянный токи.
Поставленная задача также решается за счет того, что устанавливают частоту переменного тока из условия проникновения магнитного поля в расположенный металл на глубину около 0,60 0,90 значения радиуса исходного потока металла.
Поставленная задача также решается за счет того, что отношение параметров переменного тока к параметрам постоянного тока определяют из условия оптимизации отношения магнитного давления к потерям мощности электрического тока, заданного по технологии.
Поставленная задача также решается за счет того, что отношение параметров переменного тока к параметрам постоянного тока определяют из условия равенства потерь мощности при их использовании.
Поставленная задача также решается способом электромагнитного воздействия на поток расплавленного металла, включающим пропускание и измерение электрического тока через катушку, расположенную вокруг трубопровода, через который протекает расплавленный металл, изменение параметров электрического тока из условия получения оптимальной величины отношения магнитного давления к потерям мощности электрического тока, при этом устанавливают частоту тока из условия проникновения магнитного поля в исходный поток расплавленного металла на глубину около 0,33 0,56 значения радиуса исходного потока металла.
Поставленная задача также решается за счет того, что изменяют частоту переменного тока из условия проникновения магнитного поля в расплавленный металл на глубину около 0,45 значения радиуса исходного потока металла.
Поставленная задача также решается за счет того, что один или несколько витков первичной катушки устанавливают коаксиально исходному потоку металла.
Поставленная задача также решается за счет того, что поддерживают отношение магнитного давления Pm к потерям мощности Pc электрического тока в диапазоне:
0,2К ≅ Pm/Pc ≅ 0,24К.
В соответствии с настоящим изобретением электромагнитная система функционирует для оптимизации ее электромагнитной эффективности. Способ функционирования системы обеспечивает постоянную оптимизацию отношения Pm магнитного давления к Pc потерям мощности в первичной катушке или потоке расплавленного металла.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения при заданной величине тока в первичной катушке магнитное давление и потери мощности взаимосвязаны и зависят от частоты тока, протекающего через первичную катушку. Более конкретно, увеличение частоты тока приводит к возрастанию индуцированного тока в расплавленном металле, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение магнитного давления, вплоть до заданной частоты.
После этого любое увеличение частоты приводит к ограничению, т.е. отсутствию дальнейшего роста магнитного давления.
Когда коаксиальная катушка окружает цилиндрический падающий поток металла и радиус катушки превышает глубину распространения магнитного поля в расплавленный металл, потери мощности в катушке прямо пропорциональны квадратному корню от частоты тока. Аналогично потери мощности в потоке расплавленного металла пропорциональны квадратному корню от частоты тока, когда падающий поток металла имеет цилиндрическую форму и радиус, превышающий глубину распространения магнитного поля в расплавленном металле. Глубина распространения магнитного поля обратно пропорциональна квадратному корню от частоты тока.
С учетом изложенного существует оптимальная частота, при которой эффективность электромагнитной системы может быть оптимизирована. Эта частота изменяется в соответствии с величиной радиуса потока расплавленного металла, так что влияние частоты тока на электромагнитную эффективность может быть выражено более универсально в контексте отношения радиуса потока к глубине поверхностного проникновения магнитного поля.
В соответствии с изобретением установлено, что электромагнитная эффективность оптимизирована, когда отношение радиуса потока расплавленного металла к глубине проникновения магнитного поля находится в диапазоне от 1,8 до примерно 3,0 для устройства, питаемого только переменным током. В альтернативном случае это означает, что можно использовать частоту тока в первичной катушке, которая обеспечивает глубину, большую 0,33 и меньшую 0,56 от радиуса первичного потока расплавленного металла, когда только переменный ток приложен к первичной катушке.
Электромагнитная эффективность также может быть оптимизирована путем использования первичной катушки, которая окружает поток расплавленного металла, при подаче постоянного тока совместно с переменным. Оптимизация обеспечивается путем соответствующего выбора частоты переменного тока и отношения переменного тока к постоянному току с учетом максимизации отношения магнитного давления для потерь катушки при переменном, а также постоянном токе питания этой катушки.
В случае комбинирования переменного и постоянного токов установлено, что электромагнитная эффективность может быть оптимизирована, когда отношение радиусов потока расплавленного металла к глубине проникновения магнитного поля находится в диапазоне от примерно 1,0 до 1,8. Альтернативно система использует переменный ток и смесь переменного и постоянного токов в первичной катушке, обеспечивающей глубину проникновения, которая превышает значение 0,6 и меньше величины 0,90 от радиуса первичного потока расплавленного металла.
На фиг.1 показано вертикальное поперечное сечение электромагнитного устройства; фиг. 2 график, представляющий собой зависимость электромагнитной эффективности от отношения радиуса потока расплавленного металла к глубине поверхностного проникновения магнитного поля только для устройства с переменным током; фиг.3 -подробный вид поперечного сечения электромагнитного устройства; фиг. 4 форма тока для комбинации переменного и постоянного токов, приложенных к первичной катушке устройства фиг.1 и 3; фиг.5 линии магнитного потока, обеспечиваемые током, подаваемым на первичную катушку, окружающую поток расплавленного металла; фиг.6 частичное поперечное сечение катушки с переменным током и охлаждающее оборудование для системы согласно изобретению, которая может быть использована при комбинации постоянного и переменного токов.
Оптимизация, как это определено в данном случае, обеспечивается за счет оптимального выбора одного или нескольких параметров системы, а когда два или более параметров оптимизированы, они должны оптимизироваться совместно один с другим. Например, частота (как один параметр) переменного тока, приложенного к первичной катушке, может быть оптимизирована в первую очередь для достижения первой оптимизации электромагнитной эффективности. Также постоянный ток (как другой параметр) может быть добавлен к переменному току, приложенному к первичной катушке, для обеспечения результатов при новой оптимизации условий для электромагнитной эффективности. Когда постоянный ток приложен к первичной катушке и добавлен к переменному току, эта комбинация оптимизирована так, что она приводит к достаточному повышению электромагнитной эффективности.
Как показано (фиг.1), в основном цилиндрический подающий поток 10 расплавленного металла проходит через огнеупорную трубу 11, окруженную коаксиальной первичной катушкой 12, выполненной из электрически проводящего материала, например, меди. Переменный ток протекает через эту катушку 12 для обеспечения в основном аксиального магнитного поля, которое индуцирует электрический ток в потоке 10. Результатом является получение магнитного давления, которое ограничивает поток 10 расплавленного металла до относительного диаметра, меньшего, чем он показан на фиг.1, поз.15.
Последующее описание предполагает ситуацию, при которой давление головной части, обусловленной потоком расплавленного металла, превышает магнитное давление, которое может быть получено при помощи катушки 12. В подобном случае ограничение потока 10 может возникать в части 14 потока, нижерасположенной от области 15 магнитного поля, сформированного катушкой 12. Верхняя часть (область 15) потока имеет аксиальную или вертикальную длину, соответствующую аксиальной длине катушки 12. Нижняя часть 14 потока начинается, когда заканчивается катушка 12 и верхняя область 15 потока.
Ограничение нижней части 14 потока обусловлено снижением скорости потока в верхней области 15 (область магнитного поля) вслед за увеличением скорости потока на нижней части 14. Поскольку объем потока на нижней части 14 такой же, как объем потока в области 15, этот поток подвергается ограничению в области его поперечного сечения на нижней части 14 в соответствии с увеличенной скоростью потока.
Степень ограничения зависит от величины магнитного давления. Магнитное давление для случая только переменного тока пропорционально квадрату тока I2, который протекает через катушку тока 12, а для заданного тока магнитное давление увеличивается с возрастанием частоты переменного тока, протекающего через катушку 12, до определенного значения этой частоты, которое изменяется в зависимости от диаметра потока 10 расплавленного металла, после чего уровни магнитного давления ограничиваются при возрастании частоты.
Глубина проникновения магнитного поля, сформированного катушкой 12, в потоке 10 расплавленного металла в его верхней области 15 обратно пропорциональна квадратному корню от частоты.
Потери мощности в катушке 12 возникают при протекании через нее тока и эти потери мощности проявляются в качестве тепла, обеспечивающего повышение температуры катушки 12. Для заданного тока потери мощности в катушке 12 прямо пропорциональны квадратному корню от частоты для катушки, радиус которой превышает глубину проникновения магнитного поля.
Когда ток индуцирован в верхней области 15 потока 10 расплавленного металла при помощи магнитного поля, сформированного катушкой 12, потери мощности возникают в потоке расплавленного металла в виде тепла, возрастающего в зависимости от температуры потока 10. Для заданного тока в первичной катушке 12 потери мощности в потоке 10 расплавленного металла прямо пропорциональны квадратному корню от частоты, когда радиус потока 10 превышает глубину проникновения магнитного поля.
Потери мощности, проявляющиеся в виде тепла в катушке 12, могут быть рассеяны путем охлаждения катушки циркулирующей охлаждающей жидкостью. Тепло рассеивается при увеличении температуры охлаждающей жидкости, однако практически возрастание температуры охлаждающей жидкости ограничено примерно 30o при типовых условиях эксплуатации.
Как отмечено, введенное магнитное давление уменьшает скорость потока расплавленного металла в верхней области 15 пропорционально току, индуцированному в верхней области 15, что в свою очередь пропорционально квадратному корню тока в первичной катушке 12. Для заданного тока в первичной катушке 12 индуцированный ток в верхней области 15 и магнитное давление пропорциональны в отдельности частоте до ее определенного значения. После этого увеличение индуцированного тока и магнитного давления приводит к ограничению уровня при возрастании частоты. Однако потери мощности как в первичной катушке, так и в потоке продолжают возрастать с увеличением частоты пропорционально квадратному корню от частоты.
Чистое влияние всех обсуждаемых факторов, отражено на фиг.2 только для случая переменного тока, при котором отношение магнитного давления к потерям мощности представляет ординату (вертикальную координату), а отношение радиуса потока расплавленного металла к глубине проникновения магнитного поля представляет абсциссу (горизонтальную координату). Последнее отношение использовалось в качестве абсциссы в отличие от использования частоты, поскольку частота, при которой максимумы магнитного давления изменяются в зависимости от радиуса потока расплавленного металла, и радиусы потока будут изменяться от одной системы к другой в зависимости от внутреннего радиуса трубы 11. Поэтому влияние частоты на отношение магнитного давления к потерям мощности более универсально отражается значениями абсциссы в качестве отношения радиуса потока к глубине проникновения магнитного поля.
Как отмечено, снижение глубины проникновения магнитного поля отражает увеличение частоты. Соответственно для заданных радиусов потока увеличение отношения радиуса потока к глубине проникновения показывает и характеризует увеличение частоты. Как это иллюстрируется в предпочтительном примере осуществления настоящего изобретения, имеется постоянный радиус потока в верхней области 15 (в пределах магнитного поля катушки 12), равный внутреннему радиусу трубы 11.
Как видно из фиг.2, магнитное давление рассматривалось в размерности H • м2, а потери мощности на единицу аксиальной длины рассматривались в виде размерности Вт/м. Размеры области и глубины, используемые для определения магнитного давления и потерь мощности для кривой, показанной на фиг.2, представляют собой размеры верхней области 15. Аналогично радиус потока представляет собой радиус верхней области 15.
Как показано на фиг.2, отношение магнитного давления к потерям мощности (электромагнитная эффективность) первоначально возрастает с увеличением отношения радиуса потока к глубине проникновения магнитного поля (отражаемое в возрастании частоты). Однако возникает ограничение отношения магнитного давления к потерям мощности. Это ограничение возникает при отношении радиуса потока к глубине проникновения около 2,2 и представляет собой величину, отражающую оптимальное отношение магнитного давления к потерям мощности, что характеризует оптимизированную электромагнитную эффективность. (Отношение радиуса потока к глубине проникновения около 2,2 может быть также выражено в качестве глубины проникновения магнитного поля, которая составляет около 0,45 от радиуса потока). Возрастание отношения радиуса потока к глубине проникновения свыше 2,2 приводит к уменьшению магнитного давления и потерям мощности.
Существует оптимальный диапазон для отношения радиуса потока к глубине проникновения и это оптимальное соотношение возникает, когда отношение магнитного давления к величине потерь мощности превышает 2,0. Оптимальный диапазон для отношения радиуса потока к глубине проникновения магнитного поля составляет от 1,8 до примерно 3,0. В соответствии с другим способом максимальное отношение магнитного давления к потерям мощности может быть получено при использовании частоты тока, обеспечивающая глубину проникновения, которая превышает 0,33 и менее 0,56 от радиуса потока расплавленного металла.
В результате оптимальный диапазон отношения радиуса потока расплавленного металла к величине глубины проникновения магнитного поля (1,8 3,0), используемый только для переменного тока, обеспечивает требуемое отношение магнитного давления к потерям мощности, при этом последнее соотношение имеет величину в диапазоне от 2,0 2,2.
Как упоминалось выше, "радиус потока" относится к радиусу первоначального потока расплавленного металла в верхней области 15, а "потери мощности" связаны с потерями мощности как в катушке 12, так и в потоке 10.
Катушка 12 может быть выполнена в форме одного витка, который коаксиален с потоком 10 расплавленного металла, либо в виде катушки 12 из нескольких витков, каждый из которых коаксиален по отношению к потоку 10. Катушка 12 выполнена из материала, имеющего высокую проводимость в отношении электрического тока, например, из меди или медного сплава. Катушка 12 имеет круговое поперечное сечение для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости через катушку. В другом предпочтительном примере осуществления настоящего изобретения катушка 12 может быть изготовлена из сплошного куска меди, на поверхности которой могут быть выполнены пазы или каналы путем машинной обработки для обеспечения прохода охлаждающей жидкости. Покрытие может быть выполнено в виде серебра над каналами катушки для поддержания потока охлаждающей жидкости.
Охлаждающая жидкость представляет собой чистую воду с малой проводимостью тока. Огнеупорная труба 11 выполнена из любого обычного огнеупорного материала, использованного здесь для огнеупорных труб, через которые протекает расплавленный металл. Огнеупорная труба 11 "прозрачна" к магнитному полю, сформированному катушкой 12.
При оптимальной частоте максимальное индуцированное магнитное давление достигается для заданных потерь первичной катушки, т. е. отношение магнитного давления к потерям мощности может быть оптимизировано путем требуемого выбора частоты переменного тока, приложенного к первичной катушке. Потери первичной катушки ограничены максимальным теплом, которое может быть выделено теплоотводом, например, циркулирующей охлаждающей жидкостью.
Даже при оптимальной частоте максимальная ферростатическая головная часть ограничена скин-эффектом в первичной катушке. В результате этого скин-эффекта переменный ток, приложенный к первичной катушке, протекает на поверхности проводника катушки и определяет глубину скин-эффекта, задаваемую выражением
δ = (2/ω•μ•σ)1/2 (1)
где ω угловая частота;
m -магнитная проницаемость свободного пространства;
s проницаемость материала катушки.
Если постоянные токи w 0 использовались для индуцирования магнитного давления, то первичный ток будет проходить через полный размер проводника катушки. Увеличенное поперечное сечение для протекающего тока снижает потери мощности и нагревание первичной катушки, а также повышает эффективность использования жидкостных охлаждающих каналов. Соответственно в дополнение к постоянному току может быть также использован переменный ток для оптимизации этого отношения магнитного давления к потерям мощности.
Поток 20 (фиг.3) расплавленного металла протекает в нижнем направлении через огнеупорный туннель и трубу 21, окруженные огнеупорной изоляцией 22. Многовитковая коаксиальная первичная катушка 23 окружает по меньшей мере часть огнеупорного туннеля и трубы 21, а также огнеупорную изоляцию 22. Как показано, первичная катушка 23 содержит витки полого прямоугольного медного провода, через которые протекает охлаждающая вода для поддержания катушки 23 в допустимом температурном диапазоне. Катушка 23 окружена магнитным материалом 24, а ферритовый цилиндр 25 окружает огнеупорный туннель и трубу 21 с огнеупорной изоляцией 22 на нижнем конце катушки 23.
Показано (фиг. 4), что электрический ток, содержащий как переменный, так и постоянный токи приложен к первичной катушке 23. Кроме того, частота переменного тока выбрана, как описано выше, для оптимизации отношения магнитного давления к потерям мощности, однако использование постоянного тока дополнительно к переменному току будет улучшать это отношение вне зависимости от того, использована или нет оптимизированная частота переменного тока.
Форма магнитного поля, сформированного комбинацией переменного и постоянного токов, приложенных к катушке 23, показана на фиг. 5. Для ясности на фиг. 5 не показаны расплавленный поток и огнеупорный материал. Присутствие ферритового цилиндра 25 обеспечивает резкое изменение напряженности магнитного поля на нижнем конце коаксиальной первичной катушки 23. Выше ферритового цилиндра 25 магнитное поле 26 проходит в показанном аксиальном направлении и обеспечивает глубину проникновения магнитного поля в поток расплавленного металла (не показана). На верхней части ферритового цилиндра 25 магнитное поле 26 делает виток горизонтально внутри ферритового цилиндра, создавая область, ниже которой это магнитное поле отсутствует. Горизонтальное поле распространяется на верхней части ферритового цилиндра, поскольку ферритовый цилиндр обеспечивает траекторию с достаточным магнитным сопротивлением для магнитного поля.
В области с аксиальным электромагнитным полем действуют радиальные усилия, которые совместно обеспечивают магнитное давление над радиусами потока расплавленного металла. Магнитное давление противодействует давлению головной части для снижения скорости потока в соответствии с теоремой Бернулли. В области немного ниже магнитного поля скачкообразная потеря магнитного давления вызывает скорость, как указывалось выше, для возврата к его предыдущему более высокому значению (пренебрегая изменением в головной части для этой точки). Увеличение скорости в соответствии с уравнением непрерывности массы потока обеспечивает ограничение по диаметру таким образом дросселируемого расплавленного потока. Амплитуда дроссельного эффекта определена с учетом объемного потока, который обусловлен пониженными площадью поперечного сечения и скоростью.
Магнитное давление, которое уменьшает скорость потока расплавленного металла, определяется суммированием индуцированных усилий в расплавленном потоке следующим выражением:
f=JXB, (2)
где J вектор плотности индуцированного тока;
B вектор плотности магнитного потока;
X символ поперечного сечения.
Компоненты переменного (AC) и постоянного (DC) тока катушки обеспечивают соответствующие магнитные поля Bac и Bdc на поверхности расплавленного потока, где Bac приблизительно равно m•Ιac/b, Bdc приблизительно равно μ•Ιac/b, b аксиальная длина одного витка первичной катушки, как это показано на фиг. 5.
AC-компонента поля является функцией радиуса, тогда как DC-компонента почти постоянна в зависимости от радиуса (DC компонента зависит от геометрии катушки). Общее поле расплавленного металла определяется выражением
B = Bac(berαR+jbeiαR)/(berα+beiα)+Bdc (3)
где α равно 1,414 а/d;
ber и bei функции Кельвина;
а радиус потока расплавленного металла;
R нормализованная радиальная переменная, значение которой составляет от 0 до 1. Функции Кельвина традиционно определены как модифицированные функции Бесселя согласно следующему уравнению:
ber X + bei X J0(Xj1,5), (4)
где j аргумент, равный (-10,5);
J0 функция Бесселя первого порядка.
Альтернативно величина ber X может быть определена из следующего бесконечного ряда:
величина bei может быть определена из следующего бесконечного ряда:
Существуют также просмотровые таблицы и программное обеспечение для определения значений ber X и bei X в зависимости от X.
Индуцированный ток определен из производной магнитного поля по отношению к радиусу, которая дается выражением
.
Можно видеть, что мгновенные составляющие AC и DC усилия определяются соответственно как
fac= αB
и
fdc= α•Bac•BdcK(R)[cos(ωt+θ)]/μ (9),
где
θ = tan-1(bei′αR/ber′αR)-tan-1(beiα/berα) (10)
и
ψ = tan-1(beiαR/berαR)-tan-1(beiα/berα) (11),
здесь G(R) и K(R) функции радиуса;
bei' и ber' производные функций Кельвина.
Можно видеть, что мгновенное усилие AC (переменного тока), возникающее от магнитного поля Bac, индуцированного переменным током, изменяется во времени от 0 до максимального значения. Это усилие в пределах потока расплавленного металла всегда направлено радиально во внутреннюю сторону по направлению к оси потока расплавленного металла. При использовании только усилий AC давление создается при помощи этих усилий напротив оси потока расплавленного металла. Наоборот, усилие DC (как оно определено выражением 9), возникающее от компоненты постоянного тока в токе первичной катушки, изменяется до половины от величины усилия AC, а направление этого DC усилия в пределах потока расплавленного металла изменяется между радиальными направлениями в нижнюю и верхнюю стороны. Если усилие DC превышает усилие AC путем формирования компоненты DC тока первичной катушки, большей, чем компонента тока AC, направление общего усилия также будет изменяться во времени. В этом случае при отсутствии стенки огнеупорной трубы компонента усилия DC в пределах потока расплавленного металла будет усредняться во времени приблизительно до 0. Однако при наличии такой стенки трубы, когда усилие DC направлено радиально во внешнюю сторону, внешние усилия будут вызывать давление на стенку огнеупорной трубы, которое будет передаваться обратно к потоку расплавленного металла для уменьшения его скорости. Когда усилие DC направлено радиально во внутреннюю сторону вместо внешней стороны, это усилие DC будет вызывать аналогичное давление на поток расплавленного металла.
Эти давления, действующие на поток расплавленного металла, вызываются ли они электромагнитным полем, обеспечиваемым только переменным током, либо комбинацией переменного и постоянного токов, представлены в форме волны давления и зависят от скорости волны давления (скорости звука) в потоке расплавленного металла. Волна давления, образованная электромагнитно индуцированными усилиями, проходит со скоростью звука. Внешне проходящая волна давления, т.е. падающая волна, отражается от стенки трубы для формирования обратной волны, которая добавляется к падающей. Сумма падающей и отраженной волн обеспечивает широко известную стоячую волну. Скорость звука в жидком металле достаточно высока, так что обратная волна усиливает медленно изменяющуюся падающую волну. Скорость звука в расплавленной стали не известна. Однако скорость звука в ртути, которая должна быть аналогична скорости звука для жидкой стали, составляет 1450 м/с. С использованием этого значения время передачи по двум направлениям составляет 35 мкс для потока расплавленного металла радиусом один дюйм. Частота электромагнитного поля (т.е. частота переменного тока в случае использования переменного и постоянного токов) для обеспечения отношения a/δ 1,33 составляет приблизительно 962,0 Гц и соответственно период равен 1,04 мс (здесь a радиус потока; d глубина скин-эффекта, определяемая уравнением (1)). Отношение периода 1,04 мс к времени передачи 35 мкс по обоим направлениям составляет 29,7, что представляет высокое значение, но обеспечиваемое при требуемой работе, как описано ниже.
В случае только переменного тока усилие, индуцированное в расплавленной стали, определяется уравнением (2), где J определяется уравнением (4) или как dH/dR, а H интенсивность магнитного поля. Магнитное давление вычисляется из следующего интеграла:
.
Решением этого интеграла является выражение
,
где Ha интенсивность приложенного переменного магнитного поля при R=1;
Ho интенсивность магнитного поля на оси потока.
Величины Ha и Ho связаны функциями Кельвина, определяемыми следующими уравнениями:
Ha= Ho(berα+jbeiα) (14).
Потери первичной катушки пропорциональны параметру α и квадрату приложенного поля, как определено выражением
Pc= α•H
где K константа, которая зависит от размеров и проводимости катушки. При подстановке уравнения (14) в уравнении (13) и (15) и при последующем делении уравнения (13) на уравнение (15) отношение Pm к Pc составляет
,
здесь K1 константа пропорциональности, зависящая от близости катушки к потоку расплавленного металла и от длины катушки, где
.
Отношение, определенное уравнением (17), и таким образом отношение Pm (магнитное давление) к Pc (потери мощности), даваемое уравнением (16), имеет максимум, когда α 3,15 (a/δ 2,23). В случае только переменного тока значение Г1 (a) имеет максимум в диапазоне от 0,2 до 0,24. Таким образом, поскольку d является функцией частоты, из нее может быть определено значение частоты, обеспечивающее эту максимальную эффективность.
В случае комбинирования переменного и постоянного тока и когда компонента постоянного тока значительно больше компоненты переменного тока, магнитное давление определяется выражением
Pm= μ(Ha-Ho)Hac (18),
где Hdc компонента постоянного тока интенсивности магнитного поля.
Снова путем подстановки уравнения (14) в уравнения (18) и (15) и последующего деления уравнения (18) на уравнение (15) отношение Pm к Pc составляет
,
где K2 константа пропорциональности, зависящая от близости катушки к расплавленному потоку и от длины катушки, а
.
Отношение, даваемое уравнением (20), и, таким образом, отношение Pm (магнитное давление) и Pc (потери мощности), задаваемое уравнением (19), имеет максимум, когда α 1,88 ( a/δ 1,33). В случае переменного и постоянного токов значение Г2(α) имеет максимум в диапазоне 0,3 0,4.
Соответственно оптимальная частота определяется из отношения a/δ 2,2 при использовании только переменного тока и из отношения a/δ 1,3 при совместном использовании переменного и постоянного токов.
При оптимизации отношения постоянного тока к переменному преимущества от использования компоненты постоянного тока дополнительно к переменному току зависят от размеров расплавленного потока. Например, может быть сформирована катушка из полой медной проволоки, имеющей квадратное поперечное сечение, как показано на фиг. 3 и 5. Если проволока имеет размеры 0,375 дюйма по боковой стороне и толщину стенки 0,0625 дюйма, диаметр расплавленной стали составляет 0,625 дюйма, только переменный ток подается на катушку и частота переменного тока выбрана для получения глубины проникновения магнитного поля в поток расплавленного металла, равной 0,142 дюйма (соответствующей a/δ 2,2 для оптимальных результатов), то соответствующая глубина скин-эффекта в меди катушки будет составлять 0,016 дюйма. Для этого примера предполагается, что вода протекает через катушку при скорости 30 л/мин и она обеспечивает возрастание допустимой температуры до 20oC. При этих допущениях максимальная допустимая рассеиваемая мощность в катушке составляет 40 кВт. Сопротивление переменному току может быть определено на основании глубины скин-эффекта. Из этого сопротивления и данных допустимых потерь мощности может быть определен максимальный ток. Таким образом, при принятых выше допущениях в отношении размеров сопротивление Rac приблизительно равно 1 мОм, так что максимальный ток, который может быть использован, приблизительно составляет 6000 А (среднеквадратичное значение) и обеспечивает среднее магнитное давление, эквивалентное ферростатической головной части в 7 дюймов.
С другой стороны, при использовании комбинации переменного и постоянного токов потери мощности в 40 кВт могут быть распределены равным образом между компонентами переменного и постоянного токов для получения оптимальных результатов. В предположении одинаковых размеров проволоки и расплавленного потока глубина проникновения магнитного поля в поток расплавленного металла теперь равна 0,235 дюйма, отношение a/δ равно 1,3 для оптимальных результатов, а соответствующая глубина скин-эффекта в меди проволоки будет составлять 0,026 дюйма. Здесь снова предполагается, что вода протекает через катушку при скорости 30 л/мин и обеспечивает допустимый подъем температуры до 20oC. При этих предположениях максимальное рассеяние мощности в катушке составляет 40 кВт. Вновь на основании глубины проникновения магнитного поля может быть определено сопротивление по переменному току, а по этому сопротивлению и допустимым потерям мощности может быть определен максимальный ток. Таким образом, сопротивление по переменному току Rac приблизительно равно 0,6 мОм, так что, если половина потерь мощности 40 кВт обусловлена переменным током, то максимальный ток, который может быть использован, составляет приблизительно 5800 А (среднеквадратичное значение). Сопротивление по постоянному току Rac приблизительно равно 0,13 мОм. С учетом потерь мощности в 20 кВт, обусловленных постоянным током, постоянный ток должен составлять 12500 А. Отношение переменного тока к постоянному соответственно составляет около 0,46. В этом случае использования переменного и постоянного токов магнитное давление приблизительно эквивалентно ферростатической головной части в 26 дюймов, которая приблизительно в четыре раза превышает эту часть при использовании только переменного тока, имеющего оптимизированную частоту.
На фиг. 6 показано частичное поперечное сечение катушки с переменным током, протекающим через нее, и охлаждающим оборудованием для измерительной системы в соответствии с настоящим изобретением. Первичная электромагнитная катушка 30 содержит два изолятора 31 и 32, которые коаксиально окружают огнеупорный туннель и трубу 33. Поток расплавленного металла протекает через огнеупорный туннель и трубу 33. Медные обратные пластины 34 и 35, установленные на внутренних поверхностях соответствующих изоляторов 31 и 32, образуют контактные области для соответствующих контактных выступов 36 и 37. Верхняя контактная пластина 34 электрически соединена с верхним витком 38 катушки 39, которая выполнена в виде спиральной пластины. Спиральная катушка 39 из пластины коаксиально расположена в нижней части и окружает огнеупорный туннель и трубу 33, а концы конечного витка 40 электрически контактируют с медной обратной пластиной 35. Соседние витки катушки 39 электрически изолированы один от другого при помощи изолятора 41. Несколько охлаждающих трубопроводов, один из которых обозначен поз. 42, образованы через поперечное сечение катушки 39 для целей поглощения тепла, формирующегося в катушке 39, и для переноса этого тепла к внешнему теплообменнику. Ток поступает к катушке 39 за счет использования выступов 36 и 37, этот ток протекает между пластинами 34 и 35 через катушку 39 для образования электромагнитного поля при процессе измерения расплавленного металла. Ферритовый цилиндр 49 окружает огнеупорный туннель или трубу 33 и функционирует таким же образом, как и ферритовый цилиндр, показанный на фиг. 3.
Приведенное описание представлено только для ясности понимания сущности настоящего изобретения и не ограничивает это понимание, связанное с очевидными модификациями для специалистов в данной области техники.
Изобретение относится к области электромагнитного воздействия на расплавленный металл. Падающий поток расплавленного металла электромагнитно измеряется при использовании первичной катушки, окруженной верхней частью потока. Переменный электрический ток протекает через эту катушку, а частота тока изменяется для оптимизации электромагнитной эффективности (отношения магнитного давления к потерям мощности). Постоянный ток добавлен к переменному току для оптимизации электромагнитной эффективности данной системы. 3 с. и 24 з.п. ф-лы, 6 ил.
0,2К ≅ Pm/Рс ≅ 0,24К,
где К коэффициент, зависящий от расстояния от катушки до потока расплавленного металла и длины катушки.
0,2К ≅ Pm/Рс ≅ 0,24К.
0,3К ≅ Pm/Рс ≅ 0,4К.
0,3К ≅ Pm/Рс ≅ 0,4К.
0,3К ≅ Pm/Рс ≅ 0,4К.
0,3К ≅ Pm/Рс ≅ 0,4К.
0,2К ≅ Pm/Рс ≅ 0,24К.
| Шихта для изготовления композиционного материала | 1976 |
|
SU576302A1 |
| Машина для добывания торфа и т.п. | 1922 |
|
SU22A1 |
