СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОГО РАСПЛАВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F27D23/04 B01F13/08 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности, к способам и устройствам для перемешивания цветных металлов и их сплавов в емкости в виде миксера, печи или ковша.

Известен способ электромагнитного перемешивания электропроводного расплава (Вальдманис Я.Я., Кришберг P.P., 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 бегущим электромагнитным полем.

Данный способ имеет следующие недостатки:
1) 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.

Известны способ электромагнитного перемешивания электропроводного расплава и устройство для его осуществления (пат. 2132028, опубл. 20.06.99 г.), которые по совокупности общих признаков выбраны в качестве ближайшего аналога-прототипа.

Способ по прототипу включает электромагнитное перемешивание электропроводящего расплава в миксере, печи или ковше путем воздействия на электропроводный расплав несколькими бегущими электромагнитными полями и одновременно с ними несколькими пульсирующими электромагнитными полями, расположенными в одной зоне миксера, или печи, или ковша и направленными под разными углами друг к другу в трехмерном пространстве. При этом воздействие электромагнитными полями осуществляют или только с боковой стороны миксера, или печи, или ковша, или только со стороны днища, а бегущие электромагнитные поля направляют под углом 90^o друг к другу или в противоположные стороны или по окружности.

Для осуществления способа предложено устройство, содержащее емкость в виде миксера, печи или ковша, электропроводящий расплав, источник электромагнитного поля, расположенный со стороны днища или сбоку миксера, печи, ковша. В качестве источника электромагнитного поля используют электрическую машину, способную создать как минимум два бегущих электромагнитных поля, направленных под разными углами друг к другу. Одновременно с ними в плоской линейной индукционной машине возникают пульсирующие электромагнитные поля, направленные перпендикулярно активной плоскости линейной индукционной электрической машины. Под воздействием бегущих и пульсирующих электромагнитных полей металл в емкости начинает двигаться, в зависимости от взаимного расположения полей или в горизонтальной, или в вертикальной плоскости расплава.

Основной недостаток способа и устройства для его осуществления заключается в низкой эффективности перемешивания. Это обусловлено тем, что металлургические агрегаты (миксер, печь, ковш) имеют большие линейные размеры (от 1 до 10 м), что вызывает необходимость использования низких (0,1-1 Гц) частот тока, питающего обмотки источников электромагнитного поля, т.к. электромагнитные поля промышленной частоты (50 Гц) проникают в толщу электропроводящего материала, как правило, только на 3-8 см и могут практически полностью поглотиться уже в стенках агрегатов. Кроме того, величина индукции электромагнитного поля уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника поля и уже на расстояниях в 0,2-0,3 м величина электромагнитного поля практически не отличается от нуля. Учитывая, что суммарная толщина кожуха и футеровки металлургических агрегатов, как правило, составляет не менее 0,3 м, то, очевидно, что способ и устройство по прототипу могут найти очень ограниченное применение, а эффективность перемешивания при значительных энергозатратах будет невысокой.

Технический результат изобретения заключается в устранении указанных недостатков, а также в повышении эффективности перемешивания электропроводного расплава, в интенсификации процесса и в повышении качества получаемых сплавов за счет уменьшения содержания оксидных и флюсовых включений.

Данный технический результат достигается за счет того, что предложен способ электромагнитного перемешивания электропроводного расплава, включающий воздействие электромагнитного поля на электропроводный расплав в миксере, печи или ковше, новым является то, что электромагнитное поле создают внутри электропроводного расплава путем наложения на расплав скрещенных электрического и магнитного полей, при этом напряженность электрического поля в разъеме контура поддерживают в пределах 0,5-5,0 В/м, а напряженность магнитного поля - (1-5)•10⁹ А/м.

Для осуществления способа предложено устройство, включающее емкость в виде миксера, печи или ковша, в которой размещен электропроводящий расплав, источник электромагнитного поля, новым является то, что оно дополнительно снабжено трансформатором и металлическим контуром, служащими источником электромагнитного поля, причем нижняя часть контура выполнена разомкнутой, размещена в расплаве и снабжена магнитопроводом, а верхняя часть контура расположена над емкостью и соединена с трансформатором.

Кроме того, боковые поверхности нижней части контура, размещенной в расплаве, покрыты электроизоляционным материалом.

Кроме того, магнитопровод выполнен П-образной формы в виде седла.

Кроме того, магнитопровод размещен над разомкнутой частью контура.

Кроме того, магнитопровод выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью, точка Кюри которого превышает температуру электропроводного расплава.

Кроме того, в качестве материала для магнитопровода использует феррокобальтовый сплав.

Известно, что перемешивание электропроводного расплава происходит под действием объемной электромагнитной силы, равной векторному произведению плотности тока на величину индукции магнитного поля. В случае использования бегущих и пульсирующих магнитных полей эта сила будет соответственно равна векторному произведению плотности индуцированного в расплаве электрического тока на величину магнитной индукции этих полей. Очевидно, что величина объемной электромагнитной силы, в случае по прототипу, будет незначительной ввиду многократного (в сотни раз) ослабления величины индукции магнитных полей из-за большого расстояния от индуктора до электропроводного расплава (20-40 см) и последующей затратой энергии магнитных полей на индуцирование электрического тока.

В заявленном способе предлагается электромагнитное поле создавать внутри электропроводного расплава путем создания в нем скрещенных электрического и магнитного полей. В этом случае, практически вся энергия электромагнитного поля (за исключением энергии, расходуемой на "джоулево" выделение тепла) передается на перемешивание электропроводного расплава.

Для реализации способа предложено устройство для перемешивания электропроводного расплава в виде контура, которое позволяет создать скрещенные электрическое и магнитное поля внутри расплава, и тем самым повысить эффективность перемешивания. Соответственно и производительность устройства увеличивается.

Металлический контур является по своей сути одновитковой вторичной обмоткой трансформатора, разомкнутой в непроводящей среде и замкнутой в электропроводной среде. Причем, учитывая, что боковые стенки контура покрыты электроизоляционным материалом, замыкание происходит через торцы контура в месте его разъема.

Размещение над разомкнутой часть контура магнитопровода П-образной формы в виде седла из материала с точкой Кюри выше температуры электропроводного расплава, например из феррокобальтового сплава, позволяет направить электромагнитную силу в направлении седла и соответственно электропроводный расплав под действием этой силы приобретет такое же направление движения и, ударяясь о внутреннюю поверхность седла магнитопровода, покинет активную зону магнитогидродинамического перемешивателя в виде двух противоположно направленных потоков, создавая движение расплава в емкости. Причем при отсутствии П-образного магнитопровода электромагнитная сила будет направлена на ось симметрии расплава с током. При этом движения электропроводящей жидкости не будет.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку заявленная группа - способ электромагнитного перемешивания электропроводного расплава и устройство для его осуществления - образует единый изобретательский замысел, причем устройство предназначено для осуществления способа электромагнитного перемешивания. При этом оба объекта предназначены для решения одной и той же задачи с получением единого технического результата.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе электромагнитного перемешивания электропроводного расплава и устройстве для его осуществления, изложенных в пунктах формулы изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа и устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показан общий вид устройства для электромагнитного перемешивания электропроводного материала, на фиг. 2 показаны векторы электромагнитной силы, при наложении скрещенных электрического поля (векторы плотности тока - j - направлены внутрь и из седла) и магнитного поля с вектором индукции В.

Устройство состоит из печи 1, в которой установлена емкость 2 в виде реторты с герметичной крышкой 3, в которой размещен электропроводный расплав 4, на съемной герметичной крышке 3 смонтирован источник электромагнитного поля, выполненный в виде контура 5 с зазором 6, над которым размещен П-образный магнитопровод 7, выполненный в виде седла. Контур в верхней части соединен с трансформатором 8.

Устройство работает следующим образом.

В трансформаторе 8 монтируют контур 5, который пропускают через отверстие в крышке 3. Контур 5 выполнен с зазором 6, над которым крепят магнитопровод 7, выполненный П-образной формы в виде седла. Магнитопровод выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью, точка Кюри которого превышает температуру электропроводного материала в емкости, например, из феррокобальтового сплава. С боковых сторон контура 5 нанесен электроизоляционный материал. На крышке 3 устанавливают трансформатор 8. Крышку 3 герметично устанавливают на реторту 2, в которую предварительно загрузили электропроводный расплав 4.

На первичную обмотку трансформатора 8 подают напряжение и при этом в металлическом контуре 5 индуцируется электрический ток, пропорциональный по величине произведению количества витков на величину тока в первичной обмотке трансформатора 8. То есть практически достаточно легко получить в металлическом контуре 5 и соответственно в электропроводном расплаве 4, находящемся в разъеме 6 контура 5, высокие значения силы тока в 5-7 кА. Этот ток создает внутри металлического контура 5 и в расплаве 4 осесимметричное магнитное поле. Величину магнитной индукции этого поля можно найти из закона полного тока:

где l - периметр сечения контура.

Изменяя периметр сечения контура 5 в месте его разъема 6, можно в определенных пределах управлять величиной магнитной индукции, создаваемой в электропроводном расплаве, заполняющем разъем 6 контура 5. Оценки по 1 показывают, что в данном случае легко достижимы величины в 0,2-0,5 Тл. Магнитное поле, взаимодействуя с электрическим полем, приводит к образованию электромагнитной силы, которая при установке над разъемом 6 П-образного магнитопровода 7 с высокой магнитной проницаемостью (μ=10²-10³) будет всегда направлена в сторону седла магнитопровода 7. Под действием этой силы, величина которой составляет (1-5)•10⁶ н/м³, электропроводный расплав с высоким ускорением 10²-10³ м/с² движется в разъеме 6 металлического контура 5, ограниченного боковыми стенками магнитопровода 7, ударяется в его седло и далее, расходясь вдоль седловидной поверхности магнитопровода 7 двумя потоками, направленными противоположно друг к другу (фиг. 1), покидает зону перемешивания и устремляется в верхние горизонты емкости с расплавом. Производительность устройства, в зависимости от геометрических и технологических параметров процесса, составляет от 10 до 80 м³/ч.

Пример осуществления способа.

В трехтонную реторту 2 печи сопротивления 1 типа СМТ-3 залили из вакуум-ковша жидкий магний-сырец 4, добавили расчетные количества алюминия, марганца и цинка для приготовления стандартного магниевого сплава МА8Ц. Расплав нагрели до 700^oС, и на реторту 2 установили герметично крышку 3 с монтированным на ней контуром 5 и установленным на ней трансформатором 8. Через патрубок в крышке 3 подали в реторту 2 инертный газ аргон и после стабилизации температуры металла подали напряжение на первичную обмотку трансформатора 8. Перемешивание производили 10 мин при силе тока во вторичной обмотке (металлическом контуре 5) 5000-6000 А. После окончания перемешивания металлу дали отстояться и слили на литейном конвейере. Анализ полученной продукции показал значительное снижение в 8-12 раз содержания оксидных и флюсовых включений и 1,5 кратное измельчение микроструктуры сплава.

Таким образом, при предложенном способе электромагнитного перемешивания электропроводного расплава и устройстве для его осуществления достигается значительное увеличение эффективности перемешивания и тем самым увеличивается производительность устройства и улучшается качество получаемых сплавов.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам и устройствам для перемешивания цветных металлов и их сплавов в емкости в виде миксера, печи или ковша. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности перемешивания электропроводного расплава, в интенсификации процесса и повышении качества получаемых сплавов за счет уменьшения содержания оксидных и флюсовых включений. Данный технический результат достигается за счет того, что в способе электромагнитного перемешивания электропроводного расплава, включающем воздействие электромагнитного поля на электропроводный расплав в миксере, печи или ковше, электромагнитное поле создают внутри электропроводного расплава путем наложения скрещенных электрического и магнитного полей, при этом напряженность электрического поля в разъеме контура поддерживают в пределах 0,5-5,0 В/м, а напряженность магнитного поля (1-5)•10⁹ А/м. Для осуществления способа предложено устройство, содержащее емкость в виде миксера, печи или ковша для размещения в ней электропроводного расплава и источника электромагнитного поля, в котором источника электромагнитного поля выполнен в виде трансформатора и металлического контура с разомкнутой нижней частью, снабженной магнитопроводом для размещения ее в расплаве, а верхняя часть контура расположена над емкостью и соединена с трансформатором. Боковые поверхности нижней части контура, размещенной в расплаве, покрыты электроизоляционным материалом. Магнитопровод выполнен П-образной формы в виде седла, размещен над разомкнутой частью контура и выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью, точка Кюри которого превышает температуру электропроводного расплава. В качестве материала для магнитопровода использован феррокобальтовый сплав. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ электромагнитного перемешивания электропроводного расплава, включающий воздействие электромагнитного поля на электропроводный расплав в миксере, печи или ковше, отличающийся тем, что электромагнитное поле создают внутри электропроводного расплава путем наложения скрещенных электрического и магнитного полей, при этом напряженность электрического поля в разъеме контура поддерживают в пределах 0,5-5,0 В/м, а напряженность магнитного поля (1-5)×10⁹ А/м.2. Устройство электромагнитного перемешивания электропроводного расплава, включающее емкость в виде миксера, печи или ковша, в которой размещен электропроводный расплав, источник электромагнитного поля, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено трансформатором и металлическим контуром, служащими источником электромагнитного поля, причем нижняя часть контура выполнена разомкнутой, размещена в расплаве и снабжена магнитопроводом, а верхняя часть контура расположена над емкостью и соединена с трансформатором.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что боковые поверхности нижней части контура, размещенной в расплаве, покрыты электроизоляционным материалом.4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что магнитопровод выполнен П-образной формы в виде седла.5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что магнитопровод размещен над разомкнутой частью контура.6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что магнитопровод выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью, точка Кюри которых превышает температуру электропроводного расплава.7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве материала для магнитопровода использован феррокобальтовый сплав.