Изобретение относится в основном к усовершенствованию аппаратов и способов для удержания расплавленного металла посредством магнита. Более конкретно, в данной заявке описывается усовершенствованный способ и аппарат, предназначенные для предотвращения вытекания расплавленного металла через открытую сторону вертикально проходящего зазора между двумя горизонтально разнесенными элементами, между которыми размещается расплавленный металл.
Устройство согласно настоящему изобретению предназначено для работы в тех же самых окружающих условиях, что и устройства, описанные в нижеприведенных предшествующих заявках, например, при работе с аппаратом непрерывной разливки металла со сдвоенными катками. Хотя известные устройства эффективны для предотвращения вытекания расплавленного металла через открытую сторону зазора между двумя горизонтально разнесенными литейными вальцами, усовершенствованный аппарат согласно данному изобретению предназначен для более эффективного выполнения той же самой задачи.
Непрерывная разливка со сдвоенными катками, в условиях которой предназначено работать устройство согласно данному изобретению, обычно предполагает наличие пары горизонтально разнесенных катков, установленных для возможности вращения в противоположных направлениях относительно соответствующих горизонтальных осей. Два катка образуют находящийся между ними горизонтально проходящий зазор для приема расплавленного металла. Зазор, образованный катками, сводится вниз на конус. Катки охлаждаются и в свою очередь охлаждают расплавленный металл, когда он опускается через зазор.
Зазор имеет горизонтально разнесенные открытые противоположные стороны у концов двух катков. Расплавленный металл не удерживается катками у открытых концов зазора. Для того, чтобы предотвратить вытекание расплавленного металла через открытые стороны зазора, использовались механические перемычки или уплотнения.
Механические перемычки имеют недостатки, потому что перемычка находится в физическом контакте как с вращающимися катками, так и с расплавленным металлом. В результате перемычка изнашивается, ломается, в ней образуются протечки, что может вызвать замораживание расплавленного металла и создать в нем большие температурные градиенты. Кроме того, контакт между механической перемычкой и застывающим металлом может привести к появления неровностей вдоль границ полосы металла, что сводит на нет преимущества, которые имеют метод непрерывной разливки по сравнению с обычным методом прокатки полос металла из более толстого твердого целого.
Преимущества, получаемые при использовании метода непрерывной разливки полосы металла, и недостатки, связанные с использованием механических перемычек или уплотнений, более подробно описаны в патенте США N 4936374, выданном Прейгу, и в патенте США N 4974661, выданном Лари и др.
С целью устранения недостатков, связанных с использованием механических перемычек или уплотнений, предпринимались попытки удержать расплавленный металл у открытых сторон зазора между катками с использованием электромагнита, имеющего сердечник, окруженный проводящей катушкой, по которой протекает переменный электрический ток, причем пара полюсов магнита размещена непосредственно рядом с открытым концом зазора. Магнит возбуждается при протекании через катушку переменного тока и в свою очередь создает переменное или меняющееся во времени магнитное поле, проходящее через открытый конец зазора между полюсами магнита. Магнитное поле может размещаться либо горизонтально, либо вертикально в зависимости от расположения полюсов магнита. Примеры магнитов, создающих горизонтальное поле, описаны в вышеупомянутом патенте США N 4936374, выданном Прейгу, а пример магнитов, создающих вертикальное магнитное поле, описаны в вышеупомянутом патенте США N 4974661, выданном Лари и др.
Переменное магнитное поле индуцирует вихревые токи (токи Фуко) в расплавленном металле рядом с открытым концом зазора, создавая силу отталкивания, которая вытесняет расплавленный металл из магнитного поля, созданного магнитом, и тем самым вытесняет его из открытого конца зазора.
Сила статического давления, вытесняющая расплавленный металл через открытый конец зазора между катками, увеличивается при увеличении глубины расплавленного металла, а магнитное давление, оказываемое переменным магнитным полем, должно быть достаточным для того, чтобы противостоять максимальному внешнему давлению, оказываемому на расплавленный металл. Более подробное обслуживание этого, а также анализирование различных параметров, связанных с этими вопросами, содержатся в вышеупомянутых патентах США, выданных Прейгу и Лари и др.
Другой прием для удержания расплавленного металла у открытой стороны зазора между парой элементов состоит в том, что размещают рядом с открытым концом зазора катушку, по которой протекает переменный ток. Создаваемое катушкой магнитное поле возбуждает вихревые токи в расплавленном металле рядом с открытым концом зазора, что приводит к появлению силы отталкивания, аналогичной описанной выше в связи с магнитным полем, создаваемым электромагнитом. Реализации такого типа приема описаны в патенте США N 4020890, выданном Олссону.
Использование катушки для непосредственного создания магнитного поля рядом с открытой стороной зазора более эффективно, чем использование электромагнита, потому что при использовании электромагнита катушка применяется для возбуждения сердечника магнита, через который магнитный поток должен проходить к полюсам магнита, создающим магнитное поле рядом с открытым концом зазора. В результате имеется так называемая "потеря в сердечнике", когда катушка используется для возбуждения электромагнита; однако потеря в сердечнике не является значительным фактором, когда катушка используется для непосредственного создания магнитного поля у открытого конца зазора. Однако даже в этом случае важно свести к минимуму энергию, рассеиваемую катушкой при создании магнитного поля, достаточно сильного, чтобы удержать расплавленный металл.
Недостатком этого последнего приема является то, что катушку, нужно размещать очень близко к открытому концу зазора с тем, чтобы создать магнитное поле, которое будет удерживать там расплавленный металл. В приеме с использованием электромагнита катушка может размещаться относительно далеко от открытого конца зазора. Чем ближе находится катушка к расплавленной стали, тем в более суровых температурных условиях находится катушка. Другой недостаток приема с использованием катушки для непосредственного создания магнитного поля у открытого конца зазора заключается в том, что часть магнитного поля излучается в направлении от открытого конца зазора, что снижает эффективность катушки. Указанная проблема может возникнуть и при использовании любого электромагнита.
Прежде всего, вихревые токи, возбуждаемые в магнитном материале изменяющимся магнитным полем, приводят к потере энергии и в результате к нагреву магнитного материала. Этот эффект сводится к минимуму путем изготовления магнитного материала из тонких слоев (пластин), но при этом изготовление становится более затруднительным и дорогим.
Во-вторых, эффективность реализации с использованием магнитного материала дополнительно ограничивается потерями на магнитный гистерезис в магнитном материале. Потери на магнитный гистерезис связаны с энергией, которая рассеивается в виде тепла в магнитном материале, когда к нему прикладывается меняющееся во времени магнитное поле. Поскольку эти потери энергии характеризуют любой магнитный материал, желательно иметь аппарат для удержания расплавленного металла, в котором не используется магнитный материал.
Каждый из описанных выше видов энергетических потерь вызывает нагрев магнитного материала. Если протекающий по катушке ток достаточно сильный тепло, выделяемое за счет вышеописанных потерь энергии, может быть достаточно большим. Соответственно, имеется предел величине тока, который может проходить по катушке, и в связи с этим имеется предел магнитному удерживающему давлению, оказываемому катушкой. Таким образом, имеется предел количества расплавленного металла, который можно удерживать с помощью магнитного материала с применением катушки, как это описано выше, для концентрации тока в рабочей поверхности. Для того, чтобы удерживать расплавленный металл в количествах, превышающих этот предел, необходимо использовать катушку, которая свободна от указанных недостатков.
Недостатки описанных выше предыдущих изобретений исключаются при применении устройства и способа согласно настоящему изобретению, представляющему собой усовершенствование по сравнению с изобретением, описанным в SU, авт. св. N 383542, кл. B 22 D 11/06, 1973.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа, оказывающих более сильное воздействие давлением на расплавленный металл путем выполнения эффективного средства концентрации электрического тока и исключения рассеивания потока магнитного поля в окружающее пространство.
Принцип работы этого устройства по существу тот же самый, что и у аппарата, описанного в предыдущей заявке. Однако катушка, используемая для создания магнитного поля, удерживающего расплавленный металл внутри зазора, модифицирована таким образом, что включает в себя похожие на ребра структуры на передней части катушки, находящейся непосредственно напротив открытой стороны зазора. Похожие на ребра структуры проходят горизонтально наружу относительно всех поверхностей передней части катушки за исключением рабочей поверхности, которая обращена к открытой стороне зазора.
Похожие на ребра структуры эффективно концентрируют ток, проходящий в передней части катушки в рабочей поверхности, обращенной к открытой стороне зазора. Это в свою очередь вызывает увеличенную концентрацию магнитного потока в пространстве между рабочей поверхностью передней части катушки и расплавленным металлом, что усиливает удерживающее давление, оказываемое на расплавленный металл в зазоре.
Обычно переменный ток проходит по катушке для создания горизонтального магнитного поля, проходящего от рабочей поверхности катушки через открытую сторону зазора к расплавленному металлу.
От рассеивания магнитного поля в направлении от открытой стороны зазора предохраняет то, что магнитное поле, создаваемое катушкой, в принципе ограничено открытой стороной зазора. Это достигается тем, что задняя часть катушки выполнена из немагнитного электрического проводника и имеет такую конфигурацию, что не только работает как часть обратного пути тока, протекающего через переднюю часть катушки, но и ограничивает магнитное поле в принципе открытой стороной зазора.
Рабочая поверхность передней части катушки имеет такую конфигурацию, что соответствует конусообразной форме зазора для того, чтобы увеличить магнитное давление на расплавленный металл в соответствии с растущим статическим давлением (т.е. глубиной) расплавленного металла в зазоре.
В одном из вариантов настоящего изобретения куски магнитного материала вставлены в плоскостные пространства, вертикально разделяющие похожие на ребра структуры, чтобы более полно распространить магнитный поток в плоскостных пространствах между похожими на ребра структурами.
В другом варианте настоящего изобретения похожие на ребра структуры включают в себя первую и вторую части, которые выдаются вперед относительно катушки, образуя полость, в которую входят участки круговых выступов, проходящих от концов сдвоенных литейных катков, с которыми предназначена работать катушка согласно настоящему изобретению.
На фиг. 1 показан вариант реализации устройства, связанного с парой катков системы для непрерывной отливки полос металла, вид в плане; на фиг. 2 - вид с торца устройства и катков фиг. 1; на фиг. 3 - вид сбоку устройства и катков фиг. 1; на фиг. 4 - вид устройства в перспективе; на фиг. 5 - вид спереди участка устройства; на фиг. 6 - вид в сечении, сделанном вдоль линии 6-6 на фиг. 4; на фиг. 7 - фрагментарный вид в сечении, сделанном вдоль линии 7-7 на фиг. 5; на фиг. 8 - вид в перспективе сзади устройства с частичным вырезов; на фиг. 9 - фрагментарный вид в перспективе с частичным вырезом участка устройства, где отдельные части устройства убраны; на фиг. 10 - фрагментарный вид в перспективе передней части катушки устройства, где участки передней части катушки убраны; на фиг. 11 - вид в сечении, сделанном вдоль линии 11-11 на фиг. 6; на фиг. 12 - фрагментарный вид в перспективе, показывающий участок альтернативного варианта реализации устройства; на фиг. 13 - вид в сечении, сделанном вдоль линии 13-13 на фиг. 12; на фиг. 14 - вид в сечении, сделанном вдоль линии 14-14 на фиг. 12; на фиг. 15 - вид в перспективе альтернативного варианта реализации устройства; на фиг. 16 - вид в плане, отчасти в сечении, показывающий вариант реализации фиг. 15, связанный с парой катков системы для непрерывной разливки полос металла; на фиг. 17 вид в сечении, сделанном вдоль линии 17-17 на фиг. 15, где удален участок задней части катушки; на фиг. 18 - вид в увеличении участка на фиг. 16.
На фиг. 1 - 4 цифрой 1 обозначено ограничивающее с помощью магнита устройство, сконструированное в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения. Устройство 1 создает распространяющееся горизонтально магнитное поле, предотвращающее вытекание расплавленного металла через открытую сторону 2 вертикально проходящего зазора 3, который находится между двумя горизонтально разнесенными цилиндрическими металлическими катками 4, 5 в системе непрерывной разливки полос металла. Благодаря цилиндрической форме катков 4, 5 ширина зазора 3 сужается с самого верхнего уровня зазора вниз до уровня минимальной ширины у места 6 сжатия между катками (фиг. 2 и 5).
Катки 4, 5 вращаются в противоположных направлениях относительно соответствующих осей 7, 8. В обычном состоянии расплавленный металл находится в зазоре 3. Катки 4, 5 охлаждаются традиционным образом, который здесь не описывается, и когда расплавленный металл спускается вертикально через зазор 3, металл охлаждается и застывает в виде полосы металла 9, которая спускается вниз из места 6 сжатия (фиг. 5).
Однако расплавленный металл может вытекать из зазора 3 через открытую сторону 2. Хотя на чертежах показаны только одна открытая сторона 2 зазора 3 и одно удерживающее устройство, нужно понимать, что имеется открытая сторона 2 у каждого конца зазора 3 и устройство 1 у каждой открытой стороны 2.
На фиг. 4 - 8 устройство 1 содержит токопроводящую катушку 10, имеющую переднюю часть 11 и заднюю часть 12. Переменный ток проходит через катушку 10, как это будет описано ниже, что создает горизонтальное магнитное поле, которое благодаря близости катушки 10 к открытой стороне 2 зазора 3 проходит от передней поверхности 13 катушки 10 через открытую сторону 2 зазора 3 к расплавленному металлу, находящемуся в зазоре.
Катушка 10 и связанная с ней структура расположены достаточно близко к открытой стороне 2 зазора 3, что позволяет непосредственно созданному магнитному полю удерживать расплавленный металл внутри зазора. Возможные неблагоприятные температурные воздействия такой близости к горячему расплавленному металлу компенсируются использованием традиционной защитной структуры, такой, которая подробно описана в предыдущей заявке, серийный номер 07/901.559, для защиты катушки. Например, катушку 10 можно изолировать от тепла, выделяемого расплавленным металлом, путем размещения огнеупорного элемента 14 между катушкой 10 и открытой стороной 2 зазора 3 (фиг. 6 и 11).
На фиг. 4 - 9 в одном варианте реализации настоящего изобретения передняя и задняя части 11, 12 катушки составляют одно целое и вместе они образуют катушку 10. Образующее одно целое соединение передней части 11 катушки с задней частью 12 катушки обозначено цифрой 15 на фиг. 4 и 9. Передняя часть 11 катушки содержит ребра 16, которые более подробно будут описаны ниже: только на фиг. 9 показана структура цельной катушки 10, у которой ребра 16 удалены для более ясного показа нижнего участка 17 корпуса передней части 11 катушки и цельного соединения 15 между передней частью 11 катушки и задней частью 12 катушки. В альтернативном варианте реализации передняя часть 11 катушки и задняя часть 12 катушки являются отдельными структурами, электрически и структурно соединенными вместе любым традиционным способом.
Передняя часть 11 катушки содержит верхнюю часть 18 корпуса и нижнюю часть 17 корпуса. Верхняя часть 18 корпуса имеет прямоугольную в основном жесткую верхнюю структуру 19 корпуса, от которой вверх выходит горловина 20, составляющая с ней одно целое. Горловина 20, верхняя структура корпуса 19 и нижняя часть 17 корпуса имеют соответствующие передние участки поверхности, которые являются смежными и копланарными и образуют непрерывную переднюю поверхность 13 катушки. Как показано на фиг. 5, нижняя часть 17 корпуса проходит вниз от верхней структуры 19 и имеет ширину между боковыми сторонами, которая уменьшается в направлении вниз в соответствий с сужающейся открытой стороной 2 зазора 3.
Нижняя часть 17 корпуса имеет две противоположные боковые поверхности 21, 22 и обращенную назад поверхность 23 (фиг. 6 и 10). Ряд ребер 16, вертикально разделенных плоскостными пространствами 24, расположен смежно с боковыми поверхностями 21, 22 и проходит горизонтально от них и назад от поверхности 23. Ребра являются плоскостными элементами, составляющими одно целое с нижней частью 17 корпуса, и они проходят от открытой стороны 2 зазора 3.
На фиг. 4, 8 и 11 задняя часть 12 катушки содержит похожую на коробку структуру, имеющую заднюю стенку 25, боковые стенки 26, 27, участки верхней стенки 28, 29 и нижнюю стенку 30. Стенки 25 - 30 задней части 12 катушки образуют полость 31, которая имеет открытую переднюю часть 32 и такие размеры, что может вмещать переднюю часть 11 катушки (фиг. 9 и 11). Таким образом, передняя поверхность 13 передней части 11 катушки остается незакрытой задней частью 12 катушки и обращена к открытой части 2 зазора 3 через открытую переднюю часть 32 полости 31. Полость 31 имеет форму, в принципе соответствующую форме передней части 11 катушки, но полость 31 больше ее, так что ребра 16 не контактируют с внутренними поверхностями стенок 25 - 30 задней части 12 катушки (фиг. 11). Образуя одно целое с задней частью 12 катушки, от нее вверх отходит выступающая часть 33, содержащая боковые стенки 34 и 35 и заднюю стенку 36. Стенки 34 - 36 выступающей части 33 образуют удлинение полости 31. Удлинение полости вмещает в себя горловину 20, однако выступающая часть 33 не контактирует с горловиной.
Для дальнейшей иллюстрации структуры согласно настоящему изобретению на фиг. 8 показан вид сзади катушки 10, где задняя часть 12 катушки имеет частичный вырез, обнажая ребра 16 передней части катушки. Как указывалось выше, ребра 16 разнесены относительно внутренних поверхностей задней части 12 катушки так, что электрический ток, протекающий по катушке, будет течь вниз через нижнюю часть корпуса 17, где он концентрируется в передней поверхности 13, а затем потечет к задней части 12 катушки.
Катушка 10 помещена рядом с катками 4 и 5 так, что передняя поверхность нижней части 17 корпуса находится непосредственно напротив открытой стороны 2 зазора 3. Катушка 10 имеет такие размеры, что участок 37 катушки 19 проходит под местом 6 сжатия катка, а местоположение самого нижнего ребра 16 также находится под этим местом сжатия (фиг. 2 и 5). Ток, протекающий в участке 37, увеличивает напряженность магнитного поля в открытой стороне 2 зазора 3, что также делает ток, протекающий в участке катушки 10, находящимся над местом 6 сжатия. Кроме того, поскольку увеличение напряженности в магнитном поле в открытой стороне 2 зазора 3 больше всего в месте 6 сжатия, то удлинение катушки 10 ниже места 6 сжатия эффективно усиливает магнитное поле у места сжатия. В свою очередь усиленное магнитное поле увеличивает магнитное ограничивающее давление, оказываемое на расплавленный металл в зазоре 3 у места 6 сжатия, где сильнее всего статическое давление, выдавливающее расплавленный металл из открытой стороны 2.
Катушка 10 может поддерживаться в нужном положении относительно катков непрерывного литья и может соединяться с источником переменного тока любым традиционным способом, например, аналогично тому, который описан подробно в предыдущей заявке, серийный номер 07/902.559.
Переменный ток проходит к передней части 11 катушки вниз через ее переднюю часть, затем вверх через заднюю часть 12, которая электрически связана и образует одно целое с передней частью 11. Ток выходит из катушки 10 через упомянутую выше традиционную соединительную структуру. Когда переменный ток течет в катушке, он создает меняющееся во времени горизонтальное магнитное поле, которое стремится окружить как переднюю, так и заднюю части катушки.
Однако, как указывалось выше, задняя часть 12 катушки, которая состоит из немагнитного электропроводящего материала, такого как медь или сплав на основе меди, содержит похожую на коробку структуру, которая окружает всю переднюю часть 11 катушки за исключением передней поверхности 13. Соответственно, поскольку структура, охватывающая переднюю часть катушки, немагнитная, горизонтальное магнитное поле в принципе ограничено пространством перед передней поверхностью 13 передней части катушки у открытой стороны 2 зазора, и магнитное поле не рассеивается в направлении от открытой стороны зазора 3.
Кроме того, как указывалось выше, нижняя часть 17 корпуса имеет форму, соответствующую в принципе открытой стороне 2 зазора. В результате как плотность тока, протекающего в нижней части 17 корпуса, так и напряженность магнитного поля вдоль передней части 11 катушки (этот параметр пропорционален плотности тока) увеличиваются в направлении вниз вдоль передней части катушки. Таким образом, катушка создает магнитное ограничивающее давление, которое увеличивается в направлении вниз для соответствия с увеличивающимся статическим давлением, которое выдавливает расплавленный металл из открытой стороны зазора 3.
Ребра 16 служат для распределения магнитного потока, который окружает этот участок передней части 11 катушки за передней поверхностью 13, в принципе по всей площади каждого горизонтального плоскостного пространства 24. Общая величина магнитного потока перед передней поверхностью 13 (у открытой стороны зазора) равна общей величине потока за передней поверхностью 13. Поток за передней поверхностью распространяется по площади, соответствующей площади плоскостных пространств 24. В результате плотность потока у открытой стороны 2 зазора на любом данном вертикальном уровне открытой стороны относительно выше, чем плотность потока в любом пространстве 24 на том же самом вертикальном уровне.
Обычно магнитный поток стремится проникнуть или рассеиваться через поверхности передней части 11 катушки. Полярность магнитного поля, окружающего переднюю и заднюю части катушки, меняется по синусоиде в соответствии с меняющейся полярностью переменного тока, протекающего по катушке 10. Поэтому в соответствии со скин-эффектом (это явление хорошо известно людям, знакомым с физикой) у магнитного потока есть время только для проникновения на небольшую глубину внутрь поверхностей катушки 10 и, в частности, внутрь поверхностей нижней части 17 корпуса прежде, чем поток изменит свою полярность. Однако магнитный поток, рассеиваемый внутри передней поверхности 13 нижней части корпуса, более сконцентрирован, чем магнитный поток, рассеиваемый внутри боковых поверхностей 21, 22 и задней поверхности 23. Это происходит потому, что поток концентрируется перед передней поверхностью 13, у открытой стороны 2 зазора 3.
Распределение или концентрация тока в различных частях нижнего участка 17 корпуса связаны с концентрацией магнитного потока в этих частях. Соответственно ток концентрируется в передней поверхности 13, где происходит наибольшая концентрация потока.
Из-за скин-эффекта ток, текущий вниз через нижнюю часть 17 корпуса, протекает в ребра 16, где проникновение тока в принципе ограничено из-за эффекта. Другими словами, поскольку ток высокой частоты, проходящий по катушке 10, имеет тенденцию протекать вдоль ее поверхностей, то он будет течь вниз вдоль передней поверхности 13 и вдоль боковой и задней поверхностей 21 - 23 нижней части 17 корпуса, за исключением тех вертикальных положений вдоль нижней части, где имеется ребро 16. В этих положениях ток будет течь наружу вдоль верхней поверхности ребра, вниз вдоль краевых поверхностей ребра, внутрь вдоль нижней поверхности ребра и возвращаться в нижнюю часть 17 корпуса.
Толщина ребра 16 в вертикальном направлении приблизительно в четыре раза превышает глубину скина материала, из которого изготовлена катушка 10. Такие размеры ребра 16 обеспечивают то, что большая часть тока протекает прежде всего вдоль поверхностей ребра 16, как описывалось выше, а не течет непосредственно через нижнюю часть 17 корпуса. Поскольку ток таким образом распределяется вдоль поверхностей ребра, магнитный поток в плоскостных пространствах 24 (распределение которого связано с распределением тока) распространяется по всей площади в соответствии с каждым плоскостным пространством.
Глубина скина материала, из которого изготовлена катушка 10, меняется в обратной зависимости от частоты переменного тока, проходящего по катушке, как отмечалось выше, толщина ребер 16 должна приблизительно в четыре раза превышать глубину скина, чтобы ток мог протекать в принципе вдоль поверхностей ребер. Поэтому частота тока, протекающего по катушке 10, должна быть достаточно высокой, чтобы создать глубину скина достаточно малую, так что ребра 16 могли бы быть толщиной порядка четырех глубин скина, как описывалось выше, одновременно обеспечивая нужные размеры плоскостных пространств 24.
В общем случае плоскостные пространства 24 имеют такие размеры, чтобы обеспечивать в них приблизительное постоянство плотности магнитного потока на всем их протяжении. В особенности, размер каждого пространства 24 в вертикальном направление приблизительно находится между 50 и 100% от толщины от передней до задней поверхности нижней части 17 корпуса (т.е. это расстояние от передней поверхности 13 до задней поверхности 23 нижней части 17 корпуса).
Однако точные размеры плоскостных пространств 24 зависят от нескольких соображений. Плотность магнитного потока около ребра 16 меняется в обратной зависимости от расстояния от ребра. Кроме того, при малых расстояниях от ребра плоскость магнитного потока приблизительно постоянна. Таким образом, если плоскостные пространства 24, разделяющие ребра, достаточно тонкие, плотность магнитного потока в этих плоскостных пространствах будет, как и требуется, приблизительно постоянной. Иначе плотность потока будет уменьшаться по направлению к вертикальному центру каждого плоскостного пространства. Если это происходит, магнитное ограничивающее и удерживающее давление, оказываемое катушкой 10 у открытой стороны 2 зазора 3, будет также уменьшаться. Поэтому желательно, чтобы плоскостные пространства 24 были тонкими.
Однако, если плоскостные пространства 24 слишком тонкие, индуктивность между ребрами 16 (которая пропорциональна расстоянию между ребрами) также будет малой, так что более значительная составляющая общего тока, проходящего по катушке 10, будет протекать вдоль поверхностей ребер 16, чем в случае выбора правильных размеров плоскостных пространств 24. Это в свою очередь уменьшит часть общего тока, которая концентрируется в передней поверхности 13, и снизит соответствующую концентрацию магнитного потока у открытой стороны 2 зазора 3. Другими словами, если плоскостные пространства 24 являются слишком тонкими, катушка станет неэффективной.
Подводя итоги, можно сказать, что ребра должны быть достаточно толстыми, чтобы обеспечивать протекание тока в принципе вдоль их поверхностей. Размер плоскостных пространств 24 в вертикальном направлении должен быть достаточно невелик, чтобы плотность магнитного потока была приблизительно постоянной по каждому плоскостному пространству, и достаточно велик, чтобы большая часть тока в принципе концентрировалась в передней поверхности 13.
Например, при обычной рабочей частоте тока 3000 Гц глубина скина в ребрах, выполненных из меди, составляет приблизительно 1,2 мм. Поэтому толщина ребер 16 в вертикальном направлении должна превосходить примерно 4,8 мм. В этом же варианте реализации смежные ребра 16 вертикально разделены у находящегося между ними плоскостного пространства 24 на приблизительно 12,5 мм.
Поскольку ребра 16 эффективно удлиняют траекторию протекания тока в передней части 11 катушки (т.е. ток течет вдоль поверхностей ребер), то они увеличивают сопротивление протеканию тока через нижнюю часть 17 корпуса и поэтому снижают количество тока, проходящего по катушке 10. Поэтому было бы желательным иметь как можно меньшее число ребер и в то же время иметь достаточное количество ребер, чтобы распределить магнитный поток за нижней частью 17 корпуса.
Описанная выше толщина и разнесенность ребер 16 помогает концентрировать ток в передней поверхности 13 нижней части 17 корпуса. В результате магнитное поле, создаваемое у открытой стороны 2 зазора 3, является более концентрированным, чем было бы магнитное поле, если бы ток равномерно распределялся в нижней части корпуса.
Кроме того, увеличивающаяся в направлении вниз концентрация тока, протекающего в передней части 11 катушки благодаря ее сходящему вниз на конус контуру, еще сильнее увеличивает магнитное поле и плотность магнитного потока у открытой стороны 2 зазора 3 около места 6 сжатия, как и было объяснено выше.
Увеличенная плотность потока у открытой стороны 2 зазора 3 позволяет катушке 10 оказывать магнитное ограничивающее давление на расплавленный металл в зазоре, которое относительно сильнее, на данное количество тока, проходящего по катушке, чем то давление, которое могла бы оказывать катушка без наличия ребер.
На фиг. 12, 13 и 14, в варианте данного изобретения куски магнитного материала 38, 39, 40 могут размещаться в плоскостных пространствах 24 вертикально разделяющих смежных ребер. Отдельные куски магнитного материала 38, 39, 40 могут разделяться горизонтально воздушными зазорами 41, 42, которые по природе своей менее эффективно проводят магнитный поток, чем магнитный материал.
Геометрическая конфигурация кусков магнитного материала 38, 39, 40 и находящихся между ними воздушных зазоров 41, 42 может быть выбрана такой, чтобы максимально увеличить рассеивание магнитного потока по плоскостным пространствам 24 между соседними ребрами 16. Таким образом, суммарный магнитный поток распределяется по большей площади в плоскостных пространствах 24, чем в варианте реализации, в котором не используются куски магнитного материала 38, 39, 40 в плоскостных пространствах 24. По мере увеличения площади распределения магнитного потока уменьшается плотность магнитного потока в кусках магнитного материала. Следовательно, также уменьшаются потери энергии в кусках 38, 39, 40 магнитного материала (которые пропорциональны плотности магнитного потока).
Хотя указанные куски магнитного материала вызывают те же виды энергетических потерь, что магнитный материал, окружающий стороны и заднюю часть передней половины катушки и описанный в предыдущей заявке, серийный номер 07/902.559 (ниже именуемый "более ранняя катушка"), потери энергии в кусках магнитного материала 38, 39 и 40 намного меньше потерь, чем в более ранней катушке. Поэтому в варианте на фиг. 12 - 14 более сильное магнитное поле создается ребрами 16, однако потери энергии в виде выделяемого тепла ниже, чем потери, присущие более ранней катушке. Поскольку катушка согласно настоящему изобретению выделяет меньше тепла, чем более ранняя катушка, то она может проводить более сильный ток и создавать большее магнитное ограничивающее давление, чем более ранняя катушка, в которой использован магнитный материал, а не структура ребер для концентрации тока в рабочей поверхности.
В передней части 11 катушки предусмотрен канал 43 охлаждения, который проходит от верхней поверхности 44 через горловину 20, верхнюю структуру 19 корпуса и нижнюю часть 17 корпуса к нижней поверхности 45 катушки 10 (фиг. 8). По каналу 43 охлаждения циркулирует охлаждающая жидкость для того, чтобы охлаждать переднюю часть 11 катушки. Тепло, выделяемое током, сконцентрированным в передней поверхности 13 передней части 11 катушки, также рассеивается ребрами 16. Задняя часть катушки 12 может охлаждаться, как показано на фиг. 4, при циркуляции охлаждающей жидкости через трубки 46 охлаждения (из которых показана только одна), прикрепленные к задней части 12 катушки.
На фиг. 15 - 18 показан другой вариант реализации настоящего изобретения, где устройство обозначено цифрой 47 и размещено рядом с открытой стороной 48 зазора 49 между парой катков 50, 51, аналогично размещению устройства 1, описанного выше. Устройство 47 оказывает ограничивающее давление способом, аналогичным описанному в связи с устройством 1, на расплавленный металл в зазоре 49, за исключением тех отличий, о которых сказано ниже.
Устройство 47 содержит катушку с одним витком 52, включая переднюю часть 53 катушки, соединенную и образующую одно целое с задней частью 54 катушки. Задняя часть 54 катушки очень похожа на заднюю часть 12 катушки, описанную выше, но в некоторых отношениях отличается от нее, как это описано ниже. Задняя часть 54 катушки включает в себя стенки 55 - 60, а также стенки 61 - 63 выступающей части 64, образующей с ней одно целое. Передняя часть 53 катушки аналогична передней части 11 катушки, описанной выше, но отличается в некоторых отношениях от нее, как это описано ниже.
Передняя часть 53 катушки содержит верхнюю часть 65 корпуса и нижнюю часть 66 корпуса. В свою очередь верхняя часть 65 корпуса содержит прямоугольную, в основном жесткую верхнюю структуру 67 корпуса, от которой проходит вверх горловина 68, составляющая с ней одно целое. Горловина 68, верхняя структура 67 корпуса и нижняя часть 66 корпуса имеют соответствующие участки передней поверхности, которые являются смежными и копланарными так, что образуют непрерывную переднюю поверхность 69. Как показано на фиг. 15, нижняя часть 66 корпуса проходит вниз от верхней структуры 67 корпуса и имеет толщину между боковыми сторонами, которая уменьшается в направлении вниз в соответствии с сужением ширины открытой стороны 48 зазора 49.
Нижняя часть 66 корпуса имеет две противоположные боковые поверхности 70, 71 и заднюю поверхность 72. Имеется ряд ребер 73, смежных с боковыми поверхностями 70, 71 и проходящих от них горизонтально в стороны и назад от задней поверхности 72, причем ребра 73 вертикально разделены плоскостными пространствами 74. Ребра 73 являются плоскостными элементами, составляющими одно целое с нижней частью 66 корпуса, также как ребра 16 и нижняя часть 17 корпуса в описанной выше катушке 10.
Однако в этом варианте реализации каждое ребро 73 содержит первый и второй участки 75, 76, которые размещены на противоположных торцах передней поверхности 69 и которые выдаются вперед от нее в направлении соответствующих катков 50 и 51 (фиг. 16 и 18). Поэтому передняя поверхность 69 не является смежной и компланарной с передними краевыми поверхностями 77 ребер 73 подобно передней поверхности 13 в отношении передних краевых поверхностей ребер 16 в катушке 10. Наоборот, передняя поверхность 69 углублена относительно поверхностей 77 на первом и втором участках 75, 76 ребер 73.
Стенки 55 - 60 задней части 54 катушки образует полость 78, которая имеет переднее отверстие 79 для размещения передней части 53 катушки (фиг. 16). Передняя поверхность 69 передней части 53 катушки остается незакрытой задней частью 54 катушки и обращена к открытой стороне 48 зазора 49 через переднее отверстие 79 полости 78 (фиг. 16). Полость 78 больше передней части 53 катушки, так что ребра 73 не контактируют с внутренними поверхностями стенок 55 - 60 задней части катушки (фиг. 15 и 16).
Передние краевые поверхности 77 первого и второго участков 75 и 76 ребер 73 компланарны относительно переднего отверстия 79 полости 78. Передняя часть 53 катушки расположена внутри полости, а передняя поверхность 69 передней части катушки углублена относительно переднего отверстия 79 полости 78 (фиг. 15 и 16).
Для использования совместно с устройством 47 кольцевой фланец 80 прикреплен к каждой торцевой поверхности 81 каждого катка 50 и 51. Внешний диаметр каждого фланца 80 равен внешнему диаметру катка 50 и 51 и каждый фланец проходит вовне от каждой торцевой поверхности 81 катка в направлении, параллельном оси катка 82 или 83. Каждый фланец 80 имеет такой внутренний диаметр, что толщина фланца в принципе меньше глубины скина материала, из которого выполнен фланец при данной частоте тока, проходящего в катушке 52. Каждый фланец 80 также определяет обод кольцевого пространства 84, имеющий внешнее отверстие и внутреннюю поверхность, соответствующую торцевой поверхности 81 катка.
Каждый фланец 80 имеет также внешнюю круговую поверхность, образующую продольное удлинение круговой линейной поверхности катка (50 или 51), к которой прикреплен фланец. Пары фланцев 80, вращающихся в противоположных направлениях вместе с соответствующими катками 50 и 51, образуют таким образом продольное удлинение 85 зазора 49. Соответственно, открытая сторона 48 зазора 49 фактически размещается у открытого конца продольного удлинения 85 зазора, которое в этом варианте реализации является частью зазора 49 (фиг. 16). Естественно, статическое давление выдавливает находящийся в зазоре расплавленный металл внутрь продольного удлинения зазора 85, из которого, если бы не катушка 52, расплавленный металл вытекал бы через открытую сторону.
Каждое удлинение 85 зазора в принципе в 1-3 раза длиннее и, желательно, приблизительно в 2 раза длиннее глубины скина данного расплавленного металла, удерживаемого при данной частоте тока, протекающего в катушке. Такие размеры удлинений 85 обеспечивают то, что на расплавленный металл действует достаточный магнитный поток, чтобы удерживать его в зазоре.
Величина магнитного потока, которая может воздействовать на расплавленный металл в зазоре 49, меняется с изменением размера удлинений 85 зазора (и кольцевых пространств 84, в которые выдаются участки 75, 76 ребер 73). Если удлинение 85 зазора небольшое, то слишком небольшая часть магнитного потока связывается с расплавленным металлом, чтобы создать ограничивающее давление, достаточное для предотвращения утечки расплавленного металла из зазора. Тогда требуется более высокий суммарный ток, чтобы дать катушке 52 возможность создать достаточный магнитный поток, чтобы удержать расплавленный металл.
Если удлинение 85 велико, то большое количество потока связывается с расплавленным металлом, однако потери энергии в расплавленном металле избыточно высоки и катушка 52 становится неэффективной.
В этом варианте реализации размер удлинения 85 полости обычно составляет приблизительно между 1, 5 и 3 глубинами скина для материала, из которого выполнены фланцы 80. При частоте тока, текущего по катушке, например, 3000 Гц, длина каждого удлинения полости 85 в принципе составляет между 16 и 34 мм (для фланцев, выполненных из стали).
На фиг. 15 для того, чтобы сегменты фланцев 80 входили в выемку 86, участки верхней стенки 58, 59 и нижняя стенка 60 задней части 54 катушки имеют пазы для размещения этих сегментов фланцев (фиг. 15). Каждый участок верхней стенки 58, 59 содержит пазы 87, 88, имеющие такие размеры, чтобы позволить сегменту фланца 80 войти в выемку 86, не контактируя с участками 58, 59 верхней стенки. Кроме того, нижняя стенка 60 содержит паз 89, имеющий такие размеры, чтобы позволить сегменту фланца 80 на каждом катке 50, 51 входить в выемку 86, не контактируя с нижней стенкой.
Для того, чтобы максимально увеличить проникновение потока внутрь расплавленного металла (что позволяют сделать фланцы 80, входящие в выемку 86), расстояние, на которое участки 75, 76 ребер 73 выдаются вперед относительно передней поверхности 69, равно длине удлинений 85 полости. Однако, фланцы 80 не соприкасаются с катушкой 52, а участки 75, 76 ребер 73 не соприкасаются с торцевыми поверхностями 81 катков 50, 51 (или с кольцевыми дисками, описанными ниже, которые в принципе закрывают торцевые поверхности 81 катков).
Фланцы 80 выполнены из немагнитного материала с низкой электрической проводимостью. Этот состав позволяет магнитному потоку, вызванному катушкой 52, проходить через те сегменты и дуги фланцев 80, которые находятся внутри выемки 86, при любой данной ориентации вращение катка 50, 51 (очевидно, эти сегменты меняются при вращении катков). Магнитный поток, проходящий через эти конкретные сегменты фланцев 80, затем может глубже проникать внутрь расплавленного металла, связываясь с ним внутри зазора 49 и продольных удлинений 85 зазора, чем в том случае, если бы ребра 73 не выдавались вперед относительно передней поверхности 69. Поэтому эта конфигурация позволяет катушке 52 оказывать более сильное удерживающее давление на расплавленный металл, чем могла бы оказывать катушка, если бы участки 75, 76 ребер 73 не выдавались вперед относительно передней поверхности.
Кольцевой диск 90 в принципе покрывает каждую торцевую поверхность 81 каждого катка 50, 51. Каждая торцевая поверхность 81 это также внутренняя поверхность соответствующего кольцевого пространства 84. Каждый диск 90 выполнен из меди или другого немагнитного материала и поэтому ограничивает магнитное поле кольцевым пространством 84 внутри фланца 80 на каждом торце каждого катка 50, 51. Другими словами, магнитный поток в кольцевом пространстве 84 не проникает в торцевую поверхность 81 катка 50, поскольку поток ограничивается немагнитным диском 90.
Ограничение магнитного потока в кольцевых пространствах 84 у торцов 81 катков 50, 51 увеличивает концентрацию магнитного потока у открытой стороны 48 зазора 49 и увеличивает силу удерживающего (ограничивающего) давления, оказываемого на расплавленный металл в зазоре и в его удлинениях.
За исключением обсужденных выше аспектов, катушка 52 по своей структуре и функции тождественна катушке 10.
Приведенное выше подробное описание было приведено только с целью иллюстрации концепции настоящего изобретения и из него не нужно выводить каких-либо ограничений, поскольку модификации будут понятны для специалиста.
Устройства содержат электропроводную катушку для создания горизонтального магнитного поля, направленного на расплавленный металл в зазоре, причем передняя часть катушки включает в себя обращенный в сторону зазора участок передней поверхности и средство для концентрации электрического тока, которое выполнено в виде ряда вертикально разнесенных реберных элементов, установленных на передней части катушки и размещенных горизонтально по боковым сторонам и сзади передней поверхности, что позволяет концентрировать электрический ток и оказывать воздействие на расплавленный металл. 4 с. и 30 з.п. ф-лы, 18 ил.
34 Способ по п. 29, отличающийся тем, что толщину реберных элементов выполняют в четыре раза больше глубины скина для материала катушки при заранее определенной частоте.
| SU, авторское свидетельство, 383542, кл | |||
| Машина для добывания торфа и т.п. | 1922 |
|
SU22A1 |
