СИСТЕМА РАЗЛИВА АЛЮМИНИЯ ИЗ МИКСЕРА В ФОРМЫ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОБКИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ОТКЛОНИТЕЛЬ ПОТОКА РАСПЛАВА АЛЮМИНИЯ В ЛОТКЕ Российский патент 2008 года по МПК B22D21/00 

Область техники

Изобретение относится к МГД - технике, применяемой в металлургическом и литейном производстве алюминия, дозирования алюминия при литье слитков.

Уровень техники

Известны системы разлива алюминия при помощи электромагнитных насосов, в которых применено электромагнитное управление через взаимодействие магнитного поля и наведенного электрического тока, направленных перпендикулярно к направлению течения металла.

Применение этих устройств оправдано с точки зрения энергетической, когда важна доля передачи энергии от электромагнитного устройства в энергию движения жидкого металла.

В проблеме управления течением жидкого металла понятие энергетического коэффициента полезного действия не существенно, так как жидкий металл движется за счет уже имеющейся потенциальной энергии силы тяжести или, в варианте, энергии сжатого газа.

В предлагаемом изобретении используются как поперечные, так и продольные течению компоненты магнитного или электрического поля. Для поставленной задачи управления сливом применяются оба варианта управления: в летке, т.е. на выходе из миксера в лоток для разлива предлагается применить продольное магнитное поле от электромагнитной «пробки», индукционные токи которой, взаимодействующие с полем, создают устойчивый отжим внутрь миксера, т.е. фактически предлагается использовать вариант известных аналогов [1-5], на открытом лотке с подсоединенными каналами для разлива - использовать продольный вдоль течения электрический ток и поперечное магнитное поле. В обоих случаях применяются, в сущности, однофазные электромагнитные устройства, известные в литературе как однофазные электромагнитные насосы. Однофазные насосы отечественных авторов: Я.Г.Смолина и Г.К.Смолина [2], Р.С.Гелядова [3], предложивших однофазные электромагнитные насосы, основываются на явлении взаимодействия проводящего массивного кольца с сердечником электромагнита, питаемым переменным электрическим током, и осложняются тем, что одновременно с силами отталкивания индукционных токов от противоположных токов в обмотке образуются силы притяжения к ферромагнитной массе магнитопровода. Это явление легко наблюдать на опыте выталкивания алюминиевого кольца от электромагнита переменного тока (опыт Фуко), при этом всегда наблюдается «завал» - притяжение кольца к сердечнику.

Характер электромагнитных взаимодействий зависит от частоты, проводимости жидкометаллической среды, ее линейных размеров в канале насоса, от т.н. параметра Ценнека - χ, т.е. отношения линейных размеров к глубине поверхностного эффекта:

(d - линейный размер канала, σ - электропроводность, ω - круговая частота, μ₀ - магнитная постоянная).

В случае малых значений параметра Ценнека, т.е. χ≤1 - слабо развитого поверхностного эффекта, сдвиг фаз между индуцирующим магнитным полем и током в расплаве алюминия близок к 90°, а сила взаимодействия между полем и током имеет знакопеременный характер с удвоенной частотой, а ее среднее значение близко к нулю.

Эта сила может иметь очень большое значение, т.е. образовывать давление до одной атмосферы при поле в 1 Тл, при обратном неравенстве, т.е. χ≤1, когда ток в индукторе и индуцируемый ток в расплаве имеют разность фаз в 180°, т.е. противоположное направление.

Совершенно другой характер и другой способ расчета их действия имеют силы взаимодействия токов с ферромагнитными телами: это взаимодействие тока со своим «магнитным изображением», например, при токе в проводе, расположенном параллельно плоской границе с ферромагнитным телом на расстоянии h, эта сила примерно равна притяжению между параллельными проводами с идентичным током, расположенными на удвоенном расстоянии, т.е. 2h. В замкнутом ферромагнитном пространстве, например в трубе с полным заполнением расплавом, эффекта взаимодействия можно и не заметить, а при частичном заполнении появится явление «размазывания» или прилипания к стенкам трубы. Исходя из изложенного легко показать, что в аналогах [2] и [3] трудно ожидать значительного эффекта, поэтому насосы предлагаются как насосы управляемого перелива через край ковша.

Конструкция насоса Слепиана из Электрической кампании Вестингаус [4] фактически повторяет в элементах принцип [2, 3], в нем соединены последовательно два насоса этого типа.

Известен магнитодинамический насос В.П.Полищука и В.С.Яковлева [5], в котором применен принцип разделения в пространстве обмоток, создающих магнитное поле, и обмоток, возбуждающих электрический ток, создавая в тех случаях, когда они используются одновременно, сдвиг фазы между питающими напряжениями около 90° путем одновременного подключения обмоток, например, одну к напряжению одной фазы, а другую к межфазному от двух других фаз.

Необходимость управления подачей расплавленного металла в промышленных количествах является важной задачей при разливке металлов в литейных аппаратах разных видов для предотвращения перелива или недостаточной подачи металла. Например, непрерывная управляемая подача полезна для согласования скорости подачи расплавленного металла со скоростью работы литейного устройства или машины, в которую постоянно подается расплавленный металл. В известных системах используются дорогостоящие поворотные печи, разливочные желоба и стопоры с сервоуправлением. Однако реакция на сигнал управления в подобных системах относительно слаба, и их техническое обслуживание может быть дорогостоящим.

Прототипом данного изобретения является способ, система и аппарат, использующие высокоэнергетические постоянные магниты для электромагнитного перемешивания, торможения и дозирования расплавленных металлов, подаваемых в литейные машины [6]. Предлагается аппарат, система и способ для точного и быстрого управления подачей расплавленного металла в литейную машину путем его накачки, торможения и дросселирования. Использован электромагнитный принцип Фарадея-Ампера для тока в однонаправленном магнитном поле, а направление насосного действия или дросселирования определяется правилом правой руки. Постоянные магниты, содержащие неодим или подобные редкоземельные высокоэнергетические материалы, обеспечивают уникальное магнитное «дальнодействие». Такие неомагниты, выполненные в виде кубиков, собраны в различные мощные конфигурации для создания интенсивного однонаправленного магнитного поля (В) в немагнитном промежутке, во много раз большем, нежели промежутки, реально осуществимые иными способами. В этом промежутке размещен магнитопровод для прокачивания и перемещения расплавленного металла.

Недостатками системы-прототипа являются ее сложность и большие материальные затраты на редкоземельные высокоэнергетические материалы.

Раскрытие изобретения

Задачей создания изобретения является разработка простой и надежной системы разлива алюминия из миксера в формы с использованием как поперечных, так и продольных течению алюминия компонентов магнитного или электрического поля.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения.

Система разлива алюминия из миксера в формы, включающая миксер, лоток для разлива расплава алюминия в формы, электромагнитную пробку для разлива расплава алюминия из миксера, расположенную в нижней части стенки миксера, электромагнитную пробку для слива расплава алюминия через канал подачи в дне лотка и электромагнитный отклонитель потока расплава алюминия в лотке для его подачи через отверстие в боковой стенке корпуса лотка, отличается тем, что электромагнитная пробка для разлива расплава алюминия из миксера выполнена в виде магнитопровода конической формы с обмоткой намагничивания, взаимодействующего с коническим отверстием в стенке миксера из стали, электромагнитный отклонитель потока расплавленного алюминия в лотке имеет расположенный на корпусе лотка по ходу движения металла токовый трансформатор, состоящий из сердечника с обмоткой, охватывающей в поперечном сечении весь лоток, и магнитопровода С-образной формы, на вертикальной стенке которого размещена обмотка переменного тока, а электромагнитная пробка для слива расплава алюминия через канал подачи в дне лотка выполнена в виде плоского электромагнита переменного тока с магнитопроводом и обмоткой намагничивания, причем электромагнит с сердечником и обмоткой имеют осесимметричную форму, а канал подачи выполнен из массивной ферромагнитной стали, являющейся замыкающим якорем электромагнита.

В предлагаемом изобретении используются как поперечные, так и продольные течению компоненты магнитного или электрического поля.

Для поставленной задачи управления сливом применяются оба варианта управления:

- в летке, т.е. на выходе из миксера в лоток для разлива предлагается применить продольное магнитное поле от электромагнитной «пробки», индукционные токи которой, взаимодействующие с полем, создают устойчивый отжим внутрь миксера;

- на открытом лотке с подсоединенными каналами для разлива - использовать продольный вдоль течения электрический ток и поперечное магнитное поле.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в пункте 2 формулы изобретения, таких как электромагнитная пробка системы разлива алюминия из миксера в формы, характеризующаяся тем, что она выполнена в виде магнитопровода конической формы с обмоткой намагничивания, установленной с возможностью перемещения в коническом отверстии в нижней части стенки миксера из стали.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в пункте 3 формулы изобретения.

Электромагнитный отклонитель потока расплава алюминия в лотке системы разлива алюминия из миксера в формы, характеризуется тем, что он состоит из расположенного на корпусе лотка по ходу движения металла токового трансформатора, состоящего из сердечника с обмоткой, охватывающей в поперечном сечении весь лоток, и магнитопровода С-образной формы, на вертикальной стенке которого размещена обмотка переменного тока.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в пункте 4 формулы изобретения.

Электромагнитная пробка системы разлива алюминия через канал подачи в дне лотка характеризуется тем, что она выполнена в виде плоского электромагнита переменного тока с магнитопроводом и обмоткой намагничивания, при этом электромагнит с сердечником имеют осесимметричную форму, а канал подачи выполнен из массивной ферромагнитной стали, являющейся замыкающим якорем электромагнита.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - создание простой и надежной системы разлива алюминия из миксера в формы с использованием как поперечных, так и продольных течению алюминия компонентов магнитного или электрического поля.

Сущность изобретения можно представить на нижеследующих чертежах.

На фиг.1 изображен участок разлива металла применительно к подаче расплавленного алюминия из миксера по лотку в формы.

Фиг.2 - электромагнитная пробка, предлагаемая в качестве запирающего устройства в лотке алюминиевого миксера при размещении ее в пространстве летки.

Фиг.3 и 4 - электромагнитный отклонитель потока для подачи расплавленного алюминия через отверстия в боковых стенках лотка (варианты прекращения подачи и подачи металла).

Фиг.5 - продольный разрез фиг.3 и 4, схема электропитания.

Фиг.6 и 7 - электромагнитная пробка системы разлива расплавленного алюминия через канал подачи в дне лотка.

Система разлива алюминия (фиг.1) из миксера 1 в формы 2 включает электромагнитные пробки, расположенные одна 3 в нижней части стенки миксера 1, а другая 4 в корпусе лотка 5, и электромагнитный отклонитель потока 6 для подачи расплавленного алюминия 7 через отверстие 8 в боковой стенке корпуса лотка 5.

Пробка 3 миксера 1, взаимодействующая с коническим отверстием 9 в стенке миксера 1 из стали, выполнена в виде магнитопровода конической формы, в котором размещена токовая обмотка 10 (фиг.2).

Электромагнитный отклонитель потока 6 (фиг.1 и 5) алюминия в лотке 5 (лоток может быть выполнен из керамики) состоит из расположенного на корпусе лотка по ходу движения металла токового трансформатора 11, состоящего из сердечника 12 с обмоткой 13, охватывающей в поперечном сечении весь лоток 5, и магнитопровода С-образной формы 14, на вертикальной стенке 15 которого размещена обмотка переменного тока 16. А,В,С,О - ввод трехфазного электропитания.

Пробка 4 (фиг.6, 7) для слива расплава алюминия через канал подачи 17 в дне лотка 5 выполнена в виде плоского электромагнита переменного тока с магнитопроводом 18 и обмоткой намагничивания 19, причем электромагнит с сердечником и обмоткой имеют осесимметричную форму, а канал подачи 17 выполнен из массивной ферромагнитной стали, являющейся замыкающим якорем электромагнита. Питание электромагнита обозначено позицией 20, сторона подъема жидкого металла 21. Схема оборудования КИП и автоматики на чертежах не показана.

Система работает следующим образом.

В целом, предлагаемая система управления разливом алюминия из миксера в лоток действует следующим образом: общая подача алюминия, своеобразный кран, управляющий потоком алюминия и при необходимости запирающий его при помощи электромагнитной пробки, изображенной на фиг.2. При отключении питания в обмотке 10 (фиг.2.) жидкий металл 7 под действием гидростатического давления свободно переливается через коническое отверстие в стенке миксера 1, попадая в лоток 5, а затем в литейные формы 2.

При включении питания в обмотке 10 в жидком металле 7, находящемся в сливном отверстии 9, электромагнитом индуцируется круговой электрический ток, который при взаимодействии с магнитным полем отжимается во внутрь миксера, запирая сливное отверстие 9 и полностью прекращая разлив жидкого металла 7 в литейный формы 2. В данной конструкции стенки сливного отверстия 9 миксера 1 должны быть выполнены из стали.

Разлив алюминия в формы возможен при помощи устройства, изображенного на фиг.3-5, причем вылив металла будет происходить через отверстия 8 в боковых стенках лотка 5 и осуществляться за счет перехода уровня жидкого металла 21 в поперечном направлении.

Отклонитель - устройство управления уровнем жидкого металла (фиг.1 и 5) работает на кондукционном принципе. При пропускании электрического тока вдоль лотка 5 в вертикальном магнитном поле, созданном при пропускании электрического тока по обмоткам 16 электромагнита, возникает сила Лоренца, которая, в зависимости от взаимного направления течения тока вдоль лотка и направления вертикальной составляющей магнитного поля, производит увлечение жидкого металла в области действия вертикального магнитного поля к одной из стенок лотка. При изменении направления течения тока вдоль лотка или направления вертикальной компоненты магнитного поля меняется направление действия силы Лоренца и соответственно стенка, к которой увлекается жидкий металл.

Для возбуждения электрического тока вдоль лотка используется токовый трансформатор 11.

Другой этап работы системы при однофазном питании изображен на фиг.6 и 7, где в отверстии в дне лотка 5 осуществляется или прекращается подача жидкого металла 7, причем используется эффект притяжения индукционных токов к ферромагнитной стали.

Электромагнитная пробка 4 для слива расплавленного алюминия через канал подачи в дне лотка (фиг.6, 7) работает на индукционном принципе. При отсутствии тока в обмотке 19 электромагнита жидкий металл 7 свободно заливается в формы 2 через сливное отверстие, проделанное в дне лотка 5 (фиг.7). При включении переменного электрического тока в обмотке 19 на поверхности жидкого металла (при условии действия сильного скин-эффекта) индуцируется круговой электрический ток. Ток в обмотке электромагнита и индуцированный ток, имея противоположенные направления, отталкиваются друг от друга, в результате чего происходит осушение дна лотка под электромагнитом с прекращением подачи жидкого металла. Для усиления эффекта дно лотка делается с использованием ферромагнитной стали 17 (фиг.6).

Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения. Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.

Литература

1. Brit. Pat. I 373453, H02N 4/20. Filed 15 March 1971, Carbonnel H.Alsacienne atom (Fr)"CONDUCTION PUMP FOR CORROSIVE METAL".

2. А.c. CCCP №1612365 A1, H02К 44/00. Я.Г.Смолин, Г.К.Смолин. «Устройство для обработки расплавленного металла». БИ №45, 07.12.90.

3. А.c. CCCP №843129, H02К 44/02, 30.06.81. БИ №24. Р.С.Гелядов. «Однофазный электромагнитный индукционный насос».

4. Patent US 5277551 C1, 447/50, January 11, 1994 Slepian; Robert M. Keeton: Alver N. Nyilas; Charles P. (Westinghouse Electric Corp.) Submersible single phase electromagnetic pumping assembly for liquid metal.

5. А.c. CCCP №209211, F04F 11/00, БИ №4, 06.03.1968. В.П.Полищук, В.С.Яковлев. Погружной магнитодинамический насос для перекачки жидких металлов.

6. Патент РФ №2256279, МПК H02К 44/04, опубл.10.07.2005 г. - Прототип.

Изобретения относятся к литью цветных металлов и могут быть использованы при разливе алюминия из миксера в формы. Система разлива алюминия из миксера в формы включает миксер, лоток для разлива расплава алюминия в формы, электромагнитную пробку для разлива расплава алюминия из миксера, расположенную в нижней части стенки миксера, электромагнитную пробку для слива расплава алюминия через канал подачи в дне лотка и электромагнитный отклонитель потока расплава алюминия в лотке для его подачи через отверстие в боковой стенке корпуса лотка. Электромагнитная пробка для разлива расплава алюминия из миксера выполнена в виде магнитопровода конической формы с обмоткой намагничивания, взаимодействующего с коническим отверстием в стенке миксера из стали. Электромагнитный отклонитель потока расплавленного алюминия в лотке имеет расположенный на корпусе лотка по ходу движения металла токовый трансформатор, состоящий из сердечника с обмоткой, охватывающей в поперечном сечении весь лоток, и магнитопровода С-образной формы, на вертикальной стенке которого размещена обмотка переменного тока. Изобретение позволяет использовать поперечные и продольные течению алюминия магнитные или электромагнитные поля. 4 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система разлива алюминия из миксера в формы, включающая миксер, лоток для разлива расплава алюминия в формы, электромагнитную пробку для разлива расплава алюминия из миксера, расположенную в нижней части стенки миксера, электромагнитную пробку для слива расплава алюминия через канал подачи в дне лотка и электромагнитный отклонитель потока расплава алюминия в лотке для его подачи через отверстие в боковой стенке корпуса лотка, отличающаяся тем, что электромагнитная пробка для разлива расплава алюминия из миксера выполнена в виде магнитопровода конической формы с обмоткой намагничивания, взаимодействующего с коническим отверстием в стенке миксера из стали, электромагнитный отклонитель потока расплавленного алюминия в лотке имеет расположенный на корпусе лотка по ходу движения металла токовый трансформатор, состоящий из сердечника с обмоткой, охватывающей в поперечном сечении весь лоток, и магнитопровода С-образной формы, на вертикальной стенке которого размещена обмотка переменного тока, а электромагнитная пробка для слива расплава алюминия через канал подачи в дне лотка выполнена в виде плоского электромагнита переменного тока с магнитопроводом и обмоткой намагничивания, причем электромагнит с сердечником и обмоткой имеют осесимметричную форму, а канал подачи выполнен из ферромагнитной стали, являющейся замыкающим якорем электромагнита.2. Электромагнитная пробка для разлива расплава алюминия из миксера системы разлива алюминия из миксера в формы, характеризующаяся тем, что она выполнена конической формы с обмоткой намагничивания, установленной с возможностью перемещения в коническом отверстии в нижней части стенки миксера из стали.3. Электромагнитный отклонитель потока расплава алюминия в лотке системы разлива алюминия из миксера в формы, характеризующийся тем, что он состоит из расположенного на корпусе лотка по ходу движения металла токового трансформатора, состоящего из сердечника с обмоткой, охватывающей в поперечном сечении весь лоток, и магнитопровода С-образной формы, на вертикальной стенке которого размещена обмотка переменного тока.4. Электромагнитная пробка для разлива расплава алюминия через канал подачи в дне лотка системы разлива алюминия из миксера в формы, характеризующаяся тем, что она выполнена в виде плоского электромагнита переменного тока с магнитопроводом и обмоткой намагничивания, при этом электромагнит с сердечником имеют осесимметричную форму, а канал подачи выполнен из ферромагнитной стали, являющейся замыкающим якорем электромагнита