СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОГО РАСПЛАВА Российский патент 1999 года по МПК F27D23/04 C21C7/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам интенсификации технологических процессов в жидких металлах.

Известен электромагнитный способ перемешивания электропроводного расплава с помощью устройств, создающих бегущее электромагнитное поле со стороны днища миксера, печи, кн. "Магнитная гидродинамика в металлургии" И.Л. Повх, А.Б. Капуста, Б.В. Чекин, М.: Металлургия, 1974, 240 с.".

Данный способ является малоэффективным, так как при его реализации бегущее электромагнитное поле будет сильно ослаблено из-за большого расстояния между источником поля и расплавом, что обусловлено толщиной футеровки подины. Расположение источника электромагнитного поля снизу миксера или печи значительно ограничивает управление траекторией движения жидкого металла, что в некоторых случаях приводит к увеличению гидродинамического сопротивления для потока металла и к образованию "мертвых зон", особенно, если миксер или печь имеют прямоугольную форму.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ электромагнитного перемешивания электропроводных расплавов /Валдманис Я.Я., Кришберг Р.Р., Шишко А.Я. "Исследование плоского индукционного МГД - насоса. Тезисы доклада на XI Рижском совещании по магнитной гидродинамике". Саласпилс, 1984, с. 31 - 34/, в котором на электропроводный расплав воздействуют только одним бегущим электромагнитным полем.

Данный способ также имеет следующие недостатки:
1). Согласно способу, бегущее электромагнитное поле действует только в одной линии и может создавать траекторию движения электропроводного расплава только в одной плоскости.

2). Для эффективного перемешивания расплава необходима специальная конфигурация миксера или печи, что значительно затрудняет реализацию способа.

3). В способе не учитывается влияние электромагнитных полей продольных краевых эффектов устройств, реализующих способ, что снижает эффективность способа в целом и приводит к уменьшению коэффициента полезного действия устройств, в частности.

В основу изобретения положена задача управления движением электропроводного расплава в трехмерном пространстве миксера, печи или ковша для интенсификации тепло - массообменных процессов и повышения качества выплавляемых сплавов независимо от места расположения источника электромагнитного поля в области миксера, печи или ковша.

Поставленная задача решается тем, что в способе электромагнитного перемешивания электропроводного расплава в миксере, печи или ковше, посредством воздействия на него бегущим электромагнитным полем, согласно изобретению, на электропроводный расплав воздействуют несколькими бегущими электромагнитными полями и, одновременно с ними, несколькими пульсирующими электромагнитными полями, расположенными в одной зоне миксера, печи или ковша и направленными под разными углами друг к другу в трехмерном пространстве. Источник электромагнитных полей может быть установлен как с боковой стороны миксера, печи или ковша, так и со стороны днища или в угловой части. Бегущие электромагнитные поля могут быть направлены в противоположные стороны друг к другу, под углом 90^o или по окружности. Для изменения траектории движения электропроводного расплава и повышения качества перемешивания, они могут изменять свою интенсивность.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая способ, когда источник электромагнитного поля расположен со стороны днища миксера, печи, ковша; на фиг. 2 - то же, вид сбоку; на фиг. 3 представлена схема, поясняющая способ, когда источник электромагнитного поля расположен с боковой стороны миксера, печи или ковша.

В миксере, печи или ковше 1 находится электропроводный расплав 2. Под днищем миксера, печи, ковша или с боковой стороны расположен источник электромагнитного поля 3. При воздействии на электропроводный расплав 2 бегущего электромагнитного поля Ф₁, расплав движется по траектории 4, а при реверсе поля Ф₁ - по траектории 5. При воздействии бегущего электромагнитного поля Ф₂, расплав движется по траектории 6, а при реверсе - по траектории 7. Если бегущие электромагнитные поля Ф₁ и Ф₂ действуют одновременно, направлены перпендикулярно друг к другу и обеспечивают временной и пространственный сдвиг между собой, то в области источника 3 создается результирующее бегущее электромагнитное поле, под действием которого электропроводный расплав движется по траектории 8.

Способ реализуется следующим образом. В качестве источника электромагнитных полей 3 можно использовать электрическую машину (например, плоскую линейную индукционную машину специальной конструкции), способную создать, как минимум, два бегущих электромагнитных поля Ф₁ и Ф₂, направленных под разными углами друг к другу, например, по осям X и Y соответственно (фиг. 1). Одновременно с ними в плоской линейной индукционной машине возникают пульсирующие электромагнитные поля Ф_п, направленные перпендикулярно активной плоскости линейной индукционной электрической машины, например, по оси Z (фиг. 3). При этом, как показали экспериментальные исследования на физических моделях и промышленные испытания подобных машин, пульсирующие электромагнитные поля, в большей степени, проявляются со стороны входа жидкого металла в область действия бегущего электромагнитного поля, нежели на выходе. Независимое управление пульсирующими электромагнитными полями широко изучено и не представляет технической трудности для реализации на практике (например: А.И. Вольдек. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. Л.: Энергия, 1970).

Когда источник электромагнитного поля 3 расположен со стороны днища миксера, печи или ковша 1, то при действии только бегущего электромагнитного поля Ф₁ наблюдается движение электропроводного расплава 2 по траектории 4 в плоскости X-Y (квадранты A и B), а при реверсе Ф₁ на противоположное направление - движение расплава происходит по траектории 5 (квадранты C и D). Одновременно с бегущим электромагнитным полем Ф₁ возникают пульсирующие электромагнитные поля Ф_п, которые, как известно, на входе проявляются значительно сильнее, чем на выходе. В этом случае картина движения электропроводного расплава представлена на фиг. 2. Расплав будет двигаться по траектории 4 в плоскости Z-Y. Такое движение расплава позволяет поднимать частицы тяжелой шихты с подины и перемещать их в верхние слои, поддерживая во взвешенном состоянии. При реверсировании Ф₁ картинка движения расплава зеркально отобразится относительно оси Z и эффективное перемешивание будет происходить в противоположной полуплоскости (фиг. 2). Аналогично происходит перемешивание электропроводного расплава при действии только бегущего электромагнитного поля Ф₂ и соответствующего ему пульсирующего поля с той лишь разницей, что расплав движется по траектории 6, а при реверсе - по траектории 7.

Если бегущие электромагнитные поля Ф₁ и Ф₂ действуют одновременно и направлены под углом 90^o, то направление движения расплава под действием результирующего электромагнитного поля Ф будет соответствовать траектории 8.

При последовательном изменении интенсивности электромагнитных полей Ф₁ и Ф₂ (например, по часовой стрелке), сдвинутых по отношению друг к другу во времени и в пространстве, в плоскости X-Y образуется вращающееся электромагнитное поле, под действием которого электропроводный расплав будет вращаться с угловой скоростью Ω по траектории 9, а при реверсе - изменит свое направление на противоположное.

Предложенный способ не содержит ограничений по месту расположения источника. Его можно располагать не только со стороны днища, но и в удобном месте, с любой боковой стороны миксера, печи или ковша, как показано на фиг. 3, а также в их угловой части. В этом случае, при реализации способа, перемешивание электропроводного расплава происходит во всех зонах миксера, печи или ковша с достаточно высокой эффективностью по траекториям движения, показанным на фиг. 3 в аксонометрии.

Как следует из приведенных доказательств, в рассматриваемом способе электромагнитного перемешивания расплава, наиболее полно решена задача управления движением электропроводного расплава на основе совокупного использования разнонаправленных бегущих и пульсирующих электромагнитных полей в трехмерном пространстве, расположенных в одной зоне миксера, печи, ковша.

Кроме того, предложенный авторами способ обладает преимуществами перед известными способами, что позволяет:
1) устанавливать источник электромагнитного поля в любом удобном для эксплуатации месте миксера, печи, ковша, не изменяя его конструкцию;
2) производить эффективное перемешивание в миксере, печи или ковше, практически, любой конфигурации;
3) уменьшить время перемешивания одних и тех же объемов электропроводного расплава на 30 - 50% в зависимости от химического состава сплава.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам интенсификации технологических процессов в жидких металлах. При применении способа электромагнитного перемешивания электропроводного расплава в миксере, печи или ковше воздействуют на расплав несколькими бегущими электромагнитными полями (БП) совместно с несколькими пульсирующими электромагнитными полями (ПП), БП и ПП расположены в одной зоне миксера, печи, ковша и направлены под разными углами друг к другу в трехмерном пространстве. Изобретение позволяет интенсифицировать тепло- и массообменные процессы в жидких металлах и увеличивать качество выплавляемых сплавов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ электромагнитного перемешивания электропроводного расплава в миксере, печи или ковше, включающий воздействие бегущим электромагнитным полем на электропроводный расплав, отличающийся тем, что на электропроводный расплав воздействует несколькими бегущими электромагнитными полями и одновременно с ними несколькими пульсирующими электромагнитными полями, расположенными в одной зоне миксера, печи или ковша и направленными под разными углами друг к другу в трехмерном пространстве. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие электромагнитными полями осуществляют только с боковой стороны миксера, печи, ковша или только со стороны днища. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что бегущие электромагнитные поля направляют под углом 90^o друг к другу. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что бегущие электромагнитные поля направляют в противоположные стороны. 5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что бегущие электромагнитные поля направляют по кругу.