СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ПОТОКА И ЗАМЕДЛЕНИЯ ПОТОКА РАСПЛАВОВ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ВЫПУСКЕ ИЗ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ЕМКОСТЕЙ, ТАКИХ КАК ДОМЕННЫЕ ПЕЧИ И ПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ Российский патент 2014 года по МПК C21B7/12 F27D3/15 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу и устройствам управления скоростью потока и замедления потока не обладающих ферромагнитными свойствами расплавов с помощью магнитных полей при выпуске из металлургических емкостей, таких как доменные печи и плавильные печи.

Уровень техники

Параллельная патентная заявка 102008036799.0-24 предлагает устройство управления аналогичного вида, которое характеризуется наличием сердечника из ферромагнитного материала, который имеет два полюса, образующих зазор для проводящего элемента для потока расплава, а также расположением на сердечнике катушек индуктивности для создания магнитного поля, действующего на поток расплава в расположенном между полюсами проводящем элементе.

В этом устройстве управления замкнутый магнитный контур используется для создания магнитного поля, индуцирующего напряжение в потоке расплава, вызывающее появление вихревых токов, которые при взаимодействии с магнитным полем приводят к возникновению сил, способных снижать скорость потока расплава и притормаживать его.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить способ и устройства для управления скоростью потока и замедления потока неферромагнитных расплавов путем воздействия на расплав магнитным полем, вызывающим вихревые токи, которые увеличивают действующие в расплаве силы.

Эта задача решается согласно настоящему изобретению: способу в соответствии с п.1 и устройству управления в соответствии с пп.6 и 7 формулы изобретения.

Зависимые пункты содержат признаки предпочтительных и целесообразных вариантов воплощения способа согласно п.1 и устройства управления согласно пп.6 и 7 формулы изобретения.

Соответствующий изобретению способ управления скоростью потока и замедления потока неферромагнитного расплава при выпуске из металлургических емкостей, таких как доменные печи и плавильные печи, отличается тем, что поток расплава направляется в закрытом направляющем элементе, используя, по меньшей мере, два магнитных поля, расположенных последовательно один за другим по направлению потока расплава, причем указанные магнитные поля имеют постоянную и противоположную друг другу полярность, таким образом, линии магнитного поля в поперечном направлении проникают в поток расплава по всему его сечению, и магнитные поля индуцируют противоположные по знаку напряжения в потоке расплава, в результате чего в потоке расплава образуются, по меньшей мере, три поля вихревых токов, которые расположены по оси одно за другим, а благодаря взаимодействию между магнитными полями и вихревыми токами возникают силы, которые могут использоваться для уменьшения скорости потока расплава в зависимости от силы действующего магнитного поля.

В предпочтительном варианте осуществления магнитный поток замкнутого магнитного контура посредством двух противоположно направленных магнитных полей между двумя полюсами индуцирует два противоположных по знаку напряжения в потоке расплава. В результате этого они оказывают взаимно дополняющее, усиливающее действие на силу тока по центральной осевой линии поля вихревых токов.

Благодаря двойному использованию магнитного потока замкнутого магнитного контура магнитное сопротивление железного сердечника магнитного контура и, соответственно, внутренние потери в магнитном контуре снижаются приблизительно в два раза.

В одном варианте способа магнитный поток двух последовательно расположенных замкнутых магнитных контуров посредством двух противоположно направленных магнитных полей между двумя полюсами индуцируют два противоположных по знаку напряжения в потоке расплава. В результате этого они оказывают взаимно дополняющее, усиливающее действие на силу тока по центральной осевой линии поля вихревых токов.

Благодаря близкому последовательному расположению достигают влияния магнитного поля магнитного контура на поток расплава в зазоре между двумя полюсами, так что градиент уменьшения магнитного потока на боковой стороне зазора оказывается как можно большим, а из-за близкого расположения зазора длина пути вихревых токов в образующихся в потоке расплава полях вихревых токов уменьшается и снижается электрическое сопротивление.

Основная идея изобретения состоит в том, что благодаря использованию двух магнитных потоков замкнутого магнитного контура в потоке расплава создаются два противоположных, усиливающих вихревые токи напряжения, при этом магнитное сопротивление в железном сердечнике и внутренние потери уменьшаются примерно в два раза.

При последовательном расположении нескольких замкнутых магнитных контуров с двойным использованием магнитного потока влияние на поток расплава оказывается большим, чем ожидалось, ввиду непропорционального увеличения более крутых градиентов магнитного потока, непропорционального увеличения полей вихревых токов и их двойного взаимодействия с магнитными полями, а также двойного индуцирующего действия электрических катушек индуктивности. Множественное использования и получаемое в результате распределение вихревых токов в отдельных полях вихревых токов в потоке расплава увеличивают силы, действующие на поток расплава.

Краткое описание графических материалов

Далее будут описаны устройства для управления скоростью потока и замедления потока расплава, действующие в соответствии с описанными выше способами и используемые, в частности, при выпуске из доменных печей, со ссылкой на схематические чертежи, где:

На Фиг.1 приведен вид в перспективе устройства управления согласно параллельной заявке на патент 102008036799.0-24 с использованием магнитного поля постоянной полярности для управления скоростью потока и для замедления потока расплава.

На Фиг.2 приведен график плотности магнитного потока в создаваемом устройством согласно Фиг.1 магнитном поле по длине участка воздействия магнитного поля на поток расплава.

На Фиг.3 приведен вид в перспективе первого варианта устройства управления согласно изобретению.

На Фиг.4 приведен график плотности магнитного потока в создаваемых устройством согласно Фиг.3 двух магнитных полях, а также график плотности магнитного потока в случае последовательного расположения одинаковых устройств управления.

На Фиг.5 приведен вид в перспективе второго варианта устройства управления согласно изобретению.

На Фиг.6 показано расположение устройства управления на выходе выпускного канала доменной печи.

На Фиг.7 схематически представлено двойное использование индуцирующего магнитный поток действия электрических катушек индуктивности.

Осуществление изобретения

Устройство управления 1 в соответствии с Фиг.1, которое предпочтительно используется при выпуске из доменных печей для управления скоростью потока и замедления потока расплава 2 с помощью магнитного поля 3 с постоянной полярностью, имеет сердечник 4 из ферромагнитного материала, ярмо 5 с двумя полюсами 6, 7, которые образуют зазор 8, в который помещают направляющий элемент 9 в виде трубки 10 для прохождения потока расплава 2. На ярме 5 установлены две индукционные катушки 11, 12 для создания замкнутого магнитного контура 13 с магнитным полем 3 постоянной полярности между двумя полюсами 6, 7, которое характеризуется силовыми линиями 14.

Поток расплава 2 входит в магнитное поле 3 в области 15 и выходит из него в области 16. При вхождении в магнитное поле 3 в потоке расплава 2 в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля 14, индуцируется напряжение 17, которое по закону Ленца создает осевые вихревые токи 18 в потоке расплава 2. В результате взаимодействия магнитного поля 3 и вихревых токов 18 в потоке расплава 2 возникают так называемые силы Лоренца 19, которые противоположны направлению а потока расплава 2 и таким образом замедляют течения расплава 2, уменьшая скорость потока.

В области выхода 16 из магнитного поля 3 в потоке расплава 2 образуются вихревые токи 20, которые в результате взаимодействия с магнитным полем 3 также создают силы Лоренца 21, направление которых также противоположно направлению а потока расплава 2 и которые оказывают дополнительное замедляющее воздействие на поток, дополняющее действие сил Лоренца 19 в области входа 15 потока расплава в магнитное поле 3.

Для лучшей иллюстрации на Фиг.1 индуцированное напряжение 17 и вихревые токи 18, 20 повернут на 90° от горизонтальной плоскости в вертикальную плоскость.

На Фиг.2 приведен график плотности магнитного потока в теслах (Т) в создаваемом устройством управления 1 согласно Фиг.1 магнитном поле 3 по длине L участка воздействия магнитного поля 3 на поток расплава 2. Вследствие магнитного насыщения железа достижение плотности магнитного потока свыше 2 Т требует усилий, превышающих коммерчески разумные. Распространение магнитного поля 3, иллюстрируемое его силовыми линиями 14, в зазоре 8 между двумя полюсами 6 и 7 приводит к тому, что кривая плотности магнитного потока оказывается плоской и широкой на участке зазора 8 между краями полюсов 6, 7. В зависимости от полярности и интенсивности магнитного поля 3 оно индуцирует соответствующее электрическое напряжение 17 в потоке расплава 2, которое выступает в качестве движущей силы для вихревых токов 18, 20, так что вихревые токи могут замыкать контур только за пределами магнитного поля 3. Меньший градиент снижения плотности магнитного потока расширяет поля вихревых токов 18, 20, образуя длинные пути протекания тока. Увеличение длины связано с увеличением электрического сопротивления и соответствующим уменьшением вихревых токов.

Силы, возникающие в результате взаимодействия вихревых токов и магнитного поля, зависят от силы вихревых токов, которая, в свою очередь, также зависит от длины пути протекания тока. Чем короче путь протекания, тем меньше электрическое сопротивление и тем выше получающийся в результате вихревой ток при прочих равных условиях. Поскольку пути протекания тока могут замыкаться только вне магнитного поля, желательно было бы, чтобы на краю магнитное поле было нулевым. Однако в действительности, величина магнитного поля будет такой, как показано на Фиг.2.

Кроме того, вихревые токи в возникающем контуре однократно взаимодействуют с магнитным полем и, следовательно, приводят к образованию одной силы.

Если же разместить рядом два магнитных поля с противоположной полярностью так, чтобы их силовые линии пересекали в поперечном направлении поток расплава, появятся следующие преимущества:

1. Магнитное поле у края, рядом с противоположно направленным магнитным полем имеет самый крутой возможный градиент и, следовательно, приводит к образованию кратчайших контуров протекания тока, как показано на Фиг.4.

2. Поскольку соседнее магнитное поле имеет обратную полярность, оно действует в том же контуре вихревого тока, в том же направлении, усиливая/удваивая ток. Это проиллюстрировано на Фиг.4.

Новое устройство управления 22 в соответствии с Фиг.3, которое может применяться, в частности, при выпуске из доменных печей для управления скоростью потока и замедления потока расплава 2 в выпускном канале доменной печи, имеет два ярма 24, 25, сердечник 23 из ферромагнитного материала и две последовательно расположенные пары полюсов 26, 27 с полюсами 28, 29; 30, 31. Две пары полюсов 26, 27 образуют два последовательно расположенных зазора 32, 33, в которые помещают направляющий элемент 9 для прохождения потока расплава 2 в виде трубы 10 или канала. На четырех полюсных наконечниках 34-37 ярма 24 и ярма 25 сердечника 23 установлены четыре катушки индуктивности 38-41 для формирования в направлении а потока расплава 2 последовательно расположенных магнитных полей 42, 43 в замкнутом магнитном контуре 44 между полюсами 28, 29; 30, 31 двух пар полюсов 26, 27, причем магнитные поля 42, 43 обладают противоположной полярностью. Магнитные поля 42, 43 индуцируют в потоке расплава 2 противоположно направленные напряжения 45, 46. В результате этого в потоке расплава 2 образуются три последовательно расположенных по оси поля вихревых токов 47-49, так что центральное поле вихревого тока 48, расположенное между двумя внешними вихретоковыми полями 47, 49, испытывает усиливающее действие. В результате взаимодействия магнитных полей и вихревых токов в потоке расплава возникают силы, способные уменьшить скорость потока расплава.

Устройство управления может расширяться по мере необходимости для увеличения силы, действующей на поток расплава для уменьшения его скорости, путем установки четного числа полюсов на длине L воздействия магнитного поля на поток расплава.

На графике Фиг.4 сплошной линией показана плотность магнитного потока в теслах (Т), создаваемого двумя магнитными полями 42, 43 в замкнутом магнитном контуре 44 изображенного на Фиг.3 устройства управления 22 на длине L воздействия магнитных полей на поток расплава, а пунктирной линией - плотность магнитного потока, создаваемого расположенным рядом с первым и конструктивно идентичным устройству управления 22 вторым устройством управления.

Сплошная линия на Фиг.4 показывает, что при использовании устройства управления 22 по Фиг.3 магнитный поток в замкнутом магнитном контуре 44 имеет разную полярность и удваивается. Увеличение плотности магнитного потока приводит к соответствующему усилению вихревых токов. Двойное использование противоположных полярностей в замкнутом магнитном контуре означает, что магнитный поток действует как в положительном, так и отрицательном направлении. Вследствие этого, полезная для образования вихревого тока плотность магнитного потока в 2 Т увеличивается примерно до 4 Т в том же магнитном контуре. Кроме того, градиент уменьшения плотности магнитного потока особенно велик в показанной на Фиг.4 области 50 между двумя магнитными полями 42, 43. Таким образом, длина пути протекания вихревых токов и, следовательно, электрическое сопротивление оказывается меньше, что приводит к соответствующему увеличению силы тока.

Сплошная и пунктирная линии на Фиг.4 показывают плотность магнитного потока по длине воздействия магнитных полей на поток расплава при использовании двух последовательно расположенных устройств управления согласно Фиг.3 с двумя последовательными, замкнутыми магнитными контурами, каждый с двойным использованием магнитного потока. На графике Фиг.4 показан результат влияния устройства управления с замкнутым магнитным контуром: крутые кривые плотности магнитного потока между двумя плоскими кривыми. При использовании двух последовательно расположенных устройств управления с двумя замкнутыми магнитными контурами и двойным использованием магнитного потока в каждом магнитном контуре получаются три крутые кривые между двумя плоскими кривыми плотности магнитного потока. Таким образом, получаемое увеличение действия является более чем пропорциональным.

При использовании устройства управления 22 в соответствии с Фиг.3 зазоры 32, 33 между полюсами 28, 29 и 30, 31 и действующие в зазорах 32, 33 магнитные поля 42, 43 близко расположены. В области 50 магнитные поля 42, 43 примыкают друг к другу, несмотря на высокую плотность магнитного потока. Благодаря сокращению путей протекания вихревых токов и двойному действию вихревых токов электромагнитное влияния на поток расплава усиливается более чем в два раза.

На Фиг.5 показан еще один вариант 51 устройства управления, которое состоит из двух последовательно расположенных устройств управления 1 в соответствии с Фиг.1.

Устройство управления 51 имеет два последовательно расположенных сердечника 44 из ферромагнитного материала, ярмо 5 с двумя полюсами 6, 7, которые образуют зазор 8, и в данной конфигурации два зазора 8, 8 расположены один за другим, а в них находится направляющий элемент 9, в частности выпускной канал доменной печи для потока расплава 2. Устройство управления 51 также имеет два полюсных наконечника ярма 5 и ярма 5, на которых установлены катушки индуктивности 11, 12 для создания двух последовательно расположенных магнитных полей 42, 43 с противоположной полярностью в двух отдельных, замкнутых, противоположных магнитных контурах 13, 13а, причем магнитные поля 42, 43 создают в потоке расплава 2 осевые вихревые токи, создающие силы, оказывающее тормозящее действие на поток расплава 2.

По сравнению с устройством управления, изображенным на Фиг.3, с двойным использованием магнитного потока замкнутого магнитного контура устройство управления 51 согласно Фиг.5 с обычным использованием магнитного потока двух последовательно расположенных замкнутых магнитных контуров является менее эффективным. Тем не менее, оно обеспечивает значительное усиление вихревых токов в потоке расплава по сравнению с устройством управления согласно Фиг.1 с замкнутым магнитным контуром и обычным использованием магнитного потока.

В то время как в устройстве управления с максимальной эффективностью и многократным использованием магнитного потока в магнитном контуре можно устанавливать только четное число пар полюсов, в устройстве управления с обычным использованием магнитного потока нескольких контуров возможна установка как четного, так и нечетного числа пар полюсов. В некоторых ситуациях это позволяет лучше использовать ограниченное пространство.

Различные устройства управления 22, 51 могут располагаться перед выходным отверстием выпускного канала доменной печи или сточного канала плавильной печи вокруг выпускного или сточного канала, соответственно.

На Фиг.6 изображены два последовательно расположенных устройства управления 22 согласно Фиг.3, установленные к выходному отверстию выпускного канала доменной печи. В корпусе 52 размещены два замкнутых магнитных контура 44 с четырьмя зазорами 8 для двойного использования магнитного потока каждого магнитного контура. Выходящий из выпускного канала доменной печи поток расплава 2 протекает через трубу 10, которая проходит через четыре зазора 8 между четырьмя парами полюсов 26, 27; 26, 27, причем магнитные поля двух магнитных контуров 44 воздействуют на поток расплава 2 на длине L.

На Фиг.7 показаны три катушки индуктивности 53-55 с железным сердечником, которые создают замкнутые магнитные контуры с двойным использованием магнитного потока для образования вихревых токов в потоке расплава 2, протекающего через трубу 10. Катушки 53-55 должны работать с попеременно противоположной полярностью. На иллюстрации показаны направления тока в соответствующих правой и левой половинах катушки и направление результирующего магнитного потока 56. На магнитный поток в верхнем центральном сердечнике 57 действует не только установленная на нем катушка 54, но также правая половина катушки 53 на левом сердечнике 58 и левая половина катушки 55 на правом сердечнике 59. Таким образом, в этом примере левая половина катушки 55 на правом сердечнике 59 влияет на магнитный поток как в сердечнике 59, так и сердечнике 57. По принципу аналогии двойное использование относится ко всем половинам последовательно расположенных катушек, за исключением крайне правой и крайней левой. Тем самым обеспечивается дополнительный, превышающий пропорциональный эффект.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу управления течением и торможением потока неферромагнитного расплава с помощью магнитных полей при выпуске из металлургических емкостей. Способ включает направление потока расплава в закрытом направляющем элементе, используя по меньшей мере два магнитных поля, расположенных последовательно один за другим по направлению потока расплава. Указанные магнитные поля имеют постоянную и противоположную друг другу полярность, при этом линии магнитного поля в поперечном направлении проникают в поток расплава по всему его сечению, и магнитные поля индуцируют противоположные по знаку напряжения в потоке расплава, в результате чего в потоке расплава образуются по меньшей мере три поля вихревых токов, которые расположены по оси одно за другим. При взаимодействии магнитных полей и вихревых токов возникают силы, которые используют для уменьшения скорости потока расплава. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ управления скоростью и торможением потока неферромагнитного расплава с помощью магнитных полей при выпуске из металлургических емкостей, таких как плавильные печи, отличающийся тем, что поток расплава направляют в закрытом направляющем элементе, используя по меньшей мере два магнитных поля, расположенных последовательно, один за другим по направлению потока расплава, причем указанные магнитные поля имеют постоянную и противоположную друг другу полярность, при этом линии магнитного поля в поперечном направлении проникают в поток расплава по всему его сечению, а магнитные поля индуцируют в потоке расплава противоположные по знаку напряжения, в результате чего в потоке расплава образуются по меньшей мере три поля вихревых токов, расположенных по оси одно за другим, причем благодаря взаимодействию между магнитными полями и вихревыми токами возникают силы, которые используют для уменьшения скорости потока расплава в зависимости от силы действующего магнитного поля.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что магнитный поток замкнутого магнитного контура посредством двух противоположно направленных магнитных полей между двумя полюсами индуцирует два противоположных по знаку напряжения в потоке расплава, в результате чего они оказывают взаимно дополняющее, усиливающее действие на силу тока по центральной осевой линии поля вихревых токов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что магнитный поток двух последовательно расположенных замкнутых магнитных контуров посредством двух противоположно направленных магнитных полей между двумя полюсами индуцирует два противоположных по знаку напряжения в потоке расплава, которые оказывают взаимно дополняющее, усиливающее действие на силу тока по центральной осевой линии поля вихревых токов.

4. Устройство для управления скоростью и торможением потока неферромагнитного расплава при выпуске из металлургических емкостей, таких как плавильные печи, способом по одному из пп.1-3, характеризующееся тем, что оно содержит по меньшей мере два ярма (24, 25), сердечник (23) из ферромагнитного материала и две последовательно расположенные пары полюсов (26, 27) с полюсами (28, 29, 30, 31), направляющий элемент (9) для потока расплава (2), который помещен в два последовательно расположенных зазора (32, 33), при этом на четыре полюсных наконечника (34-37) ярма (24) и ярма (25) сердечника (23) установлены катушки индуктивности (38-41) для формирования двух последовательно расположенных магнитных полей (42, 43) в замкнутом магнитном контуре, воздействующих на поток расплава (2) в направляющем элементе (9), расположенном в зазоре (32, 33) между полюсами (28, 29, 30, 31) двух пар полюсов (26, 27).

5. Устройство для управления скоростью и торможением потока неферромагнитного расплава при выпуске из металлургических емкостей, таких как плавильные печи, способом по одному из пп. 1 или 3, характеризующееся тем, что оно содержит по меньшей мере два сердечника (4) из ферромагнитного материала, каждый из которых имеет ярмо (5) с двумя полюсами (6, 7), которые образуют зазор (8), при этом оба зазора (8) расположены один за другим, в них расположен направляющий элемент (9) для потока расплава (2), а на двух полюсных наконечниках каждого ярма (5) расположены катушки индуктивности (11, 12) для создания двух последовательно расположенных магнитных полей (42, 43) с противоположной полярностью в двух отдельных, замкнутых, противоположных магнитных контурах (13, 13а), причем магнитные поля создают в потоке расплава (2) осевые вихревые токи, создающие силы, оказывающие тормозящее действие на поток расплава.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью дополнительного увеличения пар полюсов на четное количество.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью дополнительного увеличения пар полюсов на четное и нечетное количества.

8. Устройство по любому из пп. 4-7, отличающееся тем, что оно расположено перед выходным отверстием выпускного канала доменной или плавильной печи.

9. Устройство по любому из пп. 4-7, отличающееся тем, что оно расположено вокруг выпускного канала доменной или плавильной печи.