Принцип действия индукционных МГД-устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Реферат

по дисциплине «Введение в электроэнергетику и электротехнику»

Принцип действия индукционных МГД-устройств

Студент: Лесников Д.А.

Группа: ЭНЗ-150052ду, 63501416

Руководитель: Мезенин С.М., к.т.н.

Екатеринбург

2016



Содержание

расплав слиток перемешиватель кристаллизация

Введение

1. Область применения МГД-устройств и их классификация

2. Принцип действия индукционных МГД-устройств

3. Рафинирование алюминиевых расплавов в ковшах

4. Электромагнитные перемешиватели расплавов в печах и миксерах

5. Электромагнитный кристаллизатор

6. МГД-перемешиватель жидкой сердцевины слитка при кристаллизации

7. Индукционные насосы с вращающимся магнитным полем

Заключение

Библиографический список

Введение

Магнитная гидродинамика изучает явления при движении электропроводящих газов и жидкостей в магнитном поле. В металлургии электропроводными жидкостями являются жидкие металлы и их сплавы. Воздействуя на жидкие металлы магнитным полем (пульсирующим, вращающимся, бегущим) можно осуществить ряд технологических операций необходимых в металлургических процессах. Устройства, принцип действия которых основан на взаимодействии жидких металлов с магнитным полем, называют магнитогидродинамическими (МГД-устройства), а технологии с МГД-устройствами называют МГД-технологиями.

Электромагнитным насосом называют МГД-устройство, предназначенное для создания в расплаве некоторого давления, независимо от того, используется ли это давление для перемещения и подъема жидкого металла или предназначено для других целей, в том числе и противоположных.

Электромагнитный насос, присоединенный к нижней части какой-то емкости, может быть включен таким образом, что электромагнитные силы будут противодействовать истечению расплава через канал насоса под действием собственного веса. Такой насос, создавая противодавление, может управлять истечением в роли вентиля. Электромагнитные насосы отличаются от электромагнитных желобов тем, что поток расплава в их каналах окружен твердыми стенками по всему периметру поперечного сечения и не имеет свободной поверхности. В большинстве случаев поток в канале насоса является напорным. Воздействуя на жидкий металл электромагнитными силами на некотором участке канала (активной длине насоса), получают некоторую разность давлений на входе и выходе последнего, т.е. давление, развиваемое насосом. Это давление определяют, интегрируя элементарную объемную электромагнитную силу по длине активной зоны. В кондукционном электромагнитном насосе эта длина соответствует длине электродов и полюсов магнита по оси канала, несколько отличаясь вследствие краевых эффектов.

Для расплавов черных металлов пригодными представляются индукционные электромагнитные насосы, осуществляющие бесконтактное воздействие на жидкий металл.

Кондукционные электромагнитные насосы мало пригодны для работы с тугоплавкими расплавами, поскольку электроды подвергаются эрозии и расплавлению в контакте с жидким металлом или, наоборот, охлаждают его. Тепловое равновесие на границе расплав -- электрод, которое было достигнуто в нескольких экспериментальных установках в результате охлаждения электродов, оказывалось неустойчивым, и это через короткое время приводило либо к расплавлению электродов, либо к замерзанию металла в канале.



1. Область применения МГД-устройств и их классификация

Индукционные МГД-устройства получили большое распространение в металлургии благодаря их бесконтактному воздействию на жидкие металлы.

В настоящем реферате будут рассмотрены технологические процессы, осуществляемые в литейном производстве с помощью МГД устройств и сами эти устройства.

Для иллюстрации возможностей применения МГД-устройств в литейном производстве алюминиевых сплавов на рис. 1 Представлен эскиз плавильно-литейного агрегата в составе: миксера-копильника 1, заливочного кармана 2, миксера раздаточного 3, установки рафинирования газами с МГД - вращателем 5, кристаллизатора слитков 6.

Жидкий алюминий поступает на литейную площадку в ковшах. С целью удаления щелочных и щелочноземельных металлов (лития, натрия, магния) в ковшах может проводиться рафинирование расплава солями. Для интенсификации перемешивания расплава с солями, может использоваться МГД-перемешиватель 7. Из ковша через заливной карман расплав переливается в миксер-копильник.

В процессе приготовления сплава в миксере - копильнике используется МГД - перемешиватель 8, который позволяет в автоматическом режиме выравнивать химический состав и температуру по объему ванны. Из миксера - копильника расплав поступает в раздаточный миксер.

Транспортировка расплава может осуществляться с помощью МГД-насоса 9. На металлургических заводах расплав может готовиться в индукционных канальных печах (ИКП) путем расплавления твердой шихты. С целью интенсификации тепломассообмена между ванной печи и индукционными единицами, последние могут оснащаться МГД-вращателями. Интенсивное вращение расплава в каналах, кроме этого, способствует уменьшению скорости их зарастания окислами.



Рис. 1. Плавильно-литейный агрегат с МГД устройством

Из раздаточного миксера 3 по желобам расплав поступает в литейную машину. Автоматическое регулирование скоростью подачи расплава из раздаточного миксера может осуществляться МГД дозатором (леткой 10). На пути к литейной машине расплав проходит через фильтр и установку рафинирования 5. С целью интенсификации взаимодействия газов (хлор, аргон) с расплавом, установка рафинирования может быть оборудована МГД - вращателем. При формировании слитков могут использоваться обычные кристаллизаторы и электромагнитные (ЭМК) 11. ЭМК можно также отнести к МГД - устройствам, так как в основе их действия лежит взаимодействие переменного магнитного поля с жидким металлом.

2. Принцип действия индукционных МГД-устройств

Принцип действия индукционных МГД-устройств аналогичный принципу действия асинхронных электрических двигателей. Как известно из классической теории электрических машин вращающееся и бегущее магнитные поля можно получить в устройствах питаемой симметричной многофазной (m?2) системой электрических токов. На рисунке 2 представлены устройства для получения вращающегося а) и бегущего б) магнитных полей от двухфазной системы напряжения.

Рис. 2. Двухфазная система для получения вращающегося а) и бегущего б) магнитных полей

Если по двум рамкам, расположенным в перпендикулярных плоскостях, протекают переменные синусоидальные токи iа и ib, сдвинутые относительно друг друга по фазе на 90 градусов, то во внутреннем пространстве рамок образуется вращающееся магнитное поле. Вектор магнитной индукции результирующего магнитного поля является результатом наложения магнитных полей рамок и вращается с числом оборотов n в минуту:

где f - частота токов, Гц; p - число пар полюсов (при двух рамках p=1).

Если рамки находятся в одной плоскости (рис. 2,б) и по ним также протекают электрические токи токи iа и ib, то создаваемое рамками результирующее магнитное поле перемещается ("бежит") в плоскости рамок с линейной скоростью, м/с:

где - полюсное деление (при двух рамках полюсное деление равно ширине рамки).

При конструировании электрических машин, с целью усиления магнитного поля, вместо рамок используют многовитковые катушки, активные стороны которых укладывают в пазы ферромагнитных сердечников, цилиндрических (рис. 3, а) или линейных (рис. 3, б). Сердечник с катушками называется статором или индуктором.

Рис. 3. Эскизы цилиндрического вращающегося электродвигателя (АД) а) и линейного асинхронного (индукционного электродвигателя поступательного движения) б: 1 - магнитопровод индуктора; 2 - ротор (вторичная часть); 3 - обмотки индуктора

Если внутрь цилиндрического статора поместить цилиндрический ротор и обмотки статора подключить к источнику напряжения, ротор начнет вращаться со скоростью, об/мин.



,

скольжение.

В линейном индукционном двигателе в качестве ротора выступает электропроводная полоса, которую принято называть вторичной частью. Подключенный к источнику напряжения индуктор будет двигаться относительно вторичной части со скоростью:

,

скольжение.

Если индуктор закрепить неподвижно, то с этой же скоростью будет двигаться вторичная часть. Если в цилиндрическом двигателе ротор заменить цилиндрической емкостью с жидким металлом, то при включении индуктора в сеть жидкий металл приходит во вращательное движение. Если линейный индуктор приставить к плоской стенке ванны с жидким металлом, последний начинает двигаться. На рис. 4 представлена аналогичная симметричная трехфазная система для получения вращающегося а) и бегущего б) магнитных устройств, а на рис. 5 представлены эскизы трехфазных цилиндрического а) и линейного б) асинхронных двигателей.

На этом принципе основано действие индукционных МГД - устройств.

Рис. 4. Двухфазная система для получения вращающегося а) и бегущего б) магнитных полей



Рис. 5. Эскизы трехфазных цилиндрического а) и линейного б) асинхронных двигателей: 1 - магнитопровод индуктора; 2 - ротор (вторичная часть); 3 - обмотки индуктора

3. Рафинирование алюминиевых расплавов в ковшах

Развитие современной техники предъявляет всё более высокие требования к качеству металлов. Одним из важных факторов устойчивого повышения качества металла, получивших развитие в последнее время, является внепечное рафинирование жидких металлов, то есть физическое или физико-химическое воздействие на металл во время или после выпуска плавки. Цель внепечной обработки: с одной стороны - улучшить чистоту металла по растворённым и взвешенным примесям, с другой - повысить производительность плавильно-литейных агрегатов, так как в этом случае часть технологических операций может быть вынесена из их рабочего пространства.

Наиболее характерной операцией практически всех способов внепечного рафинирования металла является перемешивание. Начиная от усреднения химического состава и температуры металла по объему ковша и заканчивая самыми сложными процессами ввода модифицирующих и микролегирующих реагентов - во всех случаях перемешивание оказывает решающее влияние на результаты внепечной обработки. С увеличением интенсивности перемешивания сокращается время усреднения химического состава и температур металла, улучшается подвод реагирующих веществ в зону реакции, в ряде случаев увеличивается поверхность реагента с металлом. В зависимости от вида расходуемой энергии перемешивание в процессах внепечной обработки может быть механическим, пневматическим, электромагнитным. На рис. 5 представлена установка для рафинирования расплава в ковшах фирмы STAS. В этой установке перемешивание в ковше осуществляется механическим способом.

Механический способ и устройства перемешивания расплавов в ковшах имеют ряд недостатков, главным из которых является то, что необходим непосредственный контакт перемешивающего устройства с жидким металлом. Это приводит к быстрому износу оборудования и попадания частиц этого оборудования в расплав.

Этого недостатка лишены устройства для бесконтактного воздействия на жидкий металл. Удобным и эффективным способом, позволяющим качественно перемешивать металл является индукционное перемешивание жидкого металла бегущим электромагнитным полем (рис. 6).

Рис. 5. Установка для рафинирования фирмы STAS



Рис. 6. Устройство для рафинирования с индуктором расположенным сбоку ковша: 1 - ковш; 2 - крышка; 5 - патрубок подачи соли; 6 - патрубок газоудаления; 7- индуктор; 8 - расплав; 9 - рафинирующая соль

4. Электромагнитные перемешиватели расплавов в печах и миксерах

Магнитогидродинамическое перемешивание металлов в литейно-плавильных агрегатах, как способ, используется достаточно давно - с 50-х годов 20-го века и в настоящий момент приобрел большую популярность ввиду многих существенных достоинств несмотря на то что существуют и другие способы приготовления сплавов с интенсификацией физико-химических процессов, протекающих в рабочей зоне печей. В частности к другим известным способами относится перемешивание механическими вращающимися роторами и вдуваемыми газодинамическими потоками. Наиболее востребованным способом для приготовления сплавов в печах является на сегодняшний день является способ с применением электромагнитного перемешивания. Он заключается в использовании совместно с печью (или транспортным ковшом) электромагнитного перемешивателя, индуктор которого устанавливается с одной из сторон печи или под подиной. Кроме индукторов создающих магнитное поля для создания бегущего магнитного поля используют также системы с постоянными магнитами перемещаемыми под подиной печи.

Распространенность электромагнитного перемешивания в черной и цветной металлургии объясняется очевидными технологическими преимуществами такого способа - отсутствием контакта между расплавленным металлом и индуктором, простота конструкции, высокая надежность.

Известен канальный и бесканальный способ перемешивания расплава в миксерах. В первом случае, в стенке миксера выполняется канал. Жидкий металл в канале приводится в движение путем воздействия на него бегущего магнитного поля одностороннего индуктора. Вследствие зарастания канала окислами и низкой механической стойкости тонкой плиты в месте установки индуктора, канальный способ не нашел широкого применения. Бесканальный способ лишен этих недостатков, поэтому получил наибольшее распространение. На рисунке 6 представлен макет миксера с комплексом бесканального МГД- перемешивания расплава. Здесь показан пример установки индуктора перемешивателя с боковой стороны миксера. Такая установка предпочтительна для оснащения существующих стационарных миксеров, когда установка индуктора под подину связана с большими работами по изменению фундамента миксера.

Рис. 7. Макет миксера с комплексом бесканального МГД- перемешивания расплава.

Технологическая установка миксера алюминиевых сплавов (печь) с индуктором МГДП предназначена для приготовления алюминиевых сплавов за счет интенсификации процесса перемешивания и растворения лигатур в расплаве алюминия. Суть технологии заключается в создании ЭМП состоящего из бегущего и пульсирующего магнитного полей, по-разному проявляющихся в разных зонах индуктора, под действием которых расплавленный металл перемешивается в одной части печи (при реверсе бегущего магнитного поля расплав перемешивается в другой ее части). Автоматическое управление реверсированием движения магнитного поля позволяет достигать требуемых технологических параметров расплава через 10-30 мин (в зависимости от марки сплава и объема металла в миксере). Устройство технологической установки, состоящей из стационарного миксера сопротивления и вертикально установленным МГДП приведено на рисунке 8 и рисунке 9. Стационарный миксер сопротивления (рис. 8 и 9) состоит из следующих основных частей: 2 - металлического каркаса; 11 - футеровки; 6 - электронагревателей; 12 - заливочного кармана; 9 - форкамер; 10 - ванны расплава; 8 - вытяжного зонта. Рабочее пространство миксера выполнено в виде прямоугольной камеры в металлическом кожухе. Камера миксера имеет две тепловые зоны - нижнюю 10 со сплавом (ванна расплава) и верхнюю 1 без расплава (внутренняя полость). В боковой стенке установлен МГДП - 5.

Рис. 8. Поперечный разрез стационарного миксера с МГДП



Рис. 9. Продольный разрез стационарного миксера с МГДП

В последнее время на российских металлургических и алюминиевых предприятиях вводятся в эксплуатацию поворотные миксеры. В этом случае индукторы МГД - перемешивателей удобно устанавливать под подиной миксера. Основное преимущество такого способа установки состоит в том, что перемешивание осуществляется при любом уровне расплава в ванне и максимальные скорости расплава возникают в самых нижних слоях, где сосредоточены тяжеловесные примеси.

На рисунке 10 а, б показан поворотный миксер с МГДП установленным горизонтально под подиной.

Рис. 10. Разрезы миксера сопротивления с МГДП: а - продольный разрез; б - поперечный разрез: 1 - металлокаркас; 2 - футеровка; 3 - расплав; 4 - нагреватель; 5 - форкамера; 6 - заливочный карман; 7 - вытяжной зонт; 8 - поворотная опора; 9 - внутренняя полость; 10 - МГДП; 11- термопара в своде; 12 - термопара на поверхности расплава; 13 - термопара в расплаве



В процессе работы МГДП при перемешивании расплава, по сравнению с миксером без МГДП, достигаются следующие результаты:

повышается производительность на 25%;

уменьшается температурный перепад между зеркалом металла и подиной со 120 до 5-12 °С;

снижается окисление расплавленного металла и уменьшается выход шлаков на 20-50%;

уменьшается время очистки от шлаков на 15-25%;

снижается растворимость водорода в алюминиевом расплаве с 2,2 мл / 100 г (при температуре 865°С) до 0,7 мл / 100 г (при 660°С);

обеспечивает однородность химического расплава, которая соответствует техническим условиям по всему объему ванны;

снижается время плавления и расплавления шихты в результате большего теплообмена между слоями расплавленного металла;

уменьшается количество потребляемой электроэнергии на 15%;

ускоряется процесс растворения легирующих добавок и снижается их расход.

Также необходимо отметить, что при нагреве расплава без МГД-перемешивания, интенсивный тепломассобмен в расплаве за счет естественной конвекции невозможен из-за нагрева расплава сверху, что делает слои жидкости устойчивыми. Однако, незначительные конвективные течения ячеистой структуры в расплаве будут происходить под действием горизонтального градиента температуры, вызванного неравномерным нагревом поверхности.

МГД-перемешиватель используемый в описанной выше технологической установке сплавов представляет из себя двух или трехфазную одностороннюю линейную индукционную машину (ЛИМ), устанавливаемую под днищем или в боковой стенке печи. Основным отличием ЛИМ от асинхронных машин является то, что они имеют разомкнутую магнитную цепь. В России наибольшее распространение получили МГДП производства ООО «НПЦ магнитной гидродинамики» (г. Красноярск) и ОАО «Электросила» (г. Санкт-Петербург). За рубежом основным производителем МГДП является фирма ABB (Германия), однако небольшое количество МГДП выпускается и другими фирмами - General Electric Сo (США), Atomic International (США), Westinghouse Electric Corp. (США), Novaatom (Франция), Toshiba (Япония), Mitsubishi Atomic Power Industries Inc. (Япония), СКБ МГД Института физики АН республики Латвия (г. Рига). Стоит отметить, что в общем случае двухфазные индукторы МГДП предпочтительнее трехфазных из-за более простой конструкции при одинаковой длине индуктора и мощности. Наиболее распространенный в России МГДП с бегущим магнитным полем производства НПЦ Магнитной гидродинамики представлен на рис. 11 и 12.

Рис. 11. МГД перемешиватель установленный под подиной поворотного миксера

Рис. 12. МГД перемешиватель установленный в стенке стационарного миксера



Рис. 13. Наиболее распространенные обмотки МГДП

В результате воздействия бегущего ЭМП в расплаве возникают вихревые токи, а с ними и поле сил Лоренца действующих на расплав. На рисунке 13 показано распределение сил Лоренца в продольном сечении ванны действующих на расплав при установившемся движении. На рисунке 14 приведена типичная картина распределения магнитной индукции в индукторе и расплаве. Из анализа распределения сил, видно, что кроме тангенциальных сил, обеспечивающих горизонтальное движение расплава, существуют значительные нормальные составляющие сил (силы отталкивания), особенно на входной части индуктора, что обусловлено входным эффектом. Значительные тангенциальные силы на выходе индуктора и преобладание их над нормальными силами обусловлено продольным краевым эффектом, обеспечивающим тангенциальное движение расплава. Очевидно, что при таком неоднозначном распределении сил, характер движения расплава будет сложным и его трудно предсказать.



Рис. 14. Силы Лоренца, действующие на ванну (вид сбоку). Определено численным моделированием

Рис. 15. Магнитуда индукции магнитного поля в расплаве и индукторе. Определено численным моделированием

К преимуществам описанного МГДП можно отнести возможность создания сильного магнитного поля, поступательный характер движения поля (что обеспечивает создание направленного потока) и возможность регулировать скорость движения металла за счет регулирования частоты питающего напряжения. Недостатками данного устройства являются необходимость использования специализированного источника питания пониженной частоты, компенсации реактивной мощности, организации эффективного воздушного или водяного охлаждения обмоток (что требует создания системы с замкнутым циркулированием воды), а также высокая масса индуктора (в случае больших немагнитного зазора или емкости печи).

Одним из перспективных направлений развития МГДП является направление, связанное с использованием в их конструкциях постоянных магнитов, которые могут быть выполненными как с использованием редкоземельных металлов, так и с использованием магнитов в виде катушек индуктивности питаемых постоянным током. Движение металла при использовании таких магнитов обеспечивается тем, что вращающееся магнитное поле создается за счет вращения постоянных магнитов.

Наиболее успешный опыт внедрения таких устройств имеет Китайская народная республика (КНР), (компания Apollo). Ниже на рисунке 16 представлен МГДП на постоянных магнитах предназначенный для установки под подиной стационарной печи.

Рис. 16. МГДП на постоянных магнитах

5. Электромагнитный кристаллизатор

Электромагнитный кристаллизатор (ЭМК) состоит из трех основных элементов: индуктора 1, электромагнитного экрана 2 и кольцевого охладителя 3. Для создания равномерного магнитного поля по периметру жидкой зоны и уменьшения питающего напряжения в ЭМК применяются только одновитковые индукторы, изготовленные из медной прямоугольной трубки или медной шины.



Рис. 17. Электромагнитный кристаллизатор

Принцип действия ЭМК состоит в следующем. Жидкий металл, подаваемый из миксера через литейную оснастку в электромагнитный кристаллизатор, попадает в пульсирующее электромагнитное поле создаваемое индуктором 1. Под действием электромагнитного поля, в жидком металле наводятся вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с пульсирующим магнитным полем индуктора приводит к возникновению объемных сил действующих в направлении распространения электромагнитной энергии и удерживающих жидкий металл в индукторе от растекания. Жидкий металл, находящийся под некоторым гидростатическим давлением, сжимается в радиальном направлении и приобретает в поперечном сечении форму индуктора.

Процесс литья в электромагнитный кристаллизатор сводится, прежде всего, к формированию жидкой фазы 4 (рис. 17), имеющей в поперечном сечении форму слитка. Жидкометаллическая масса удерживается от растекания электромагнитным полем, интенсивность которого регулируется экраном 2. Электромагнитный экран устанавливается на регулирующих опорах 7 таким образом, что его можно перемещать в вертикальном направлении с целью выбора условий процесса литья. Формируемый магнитным полем столб жидкого металла опирается на токопроводящее основание (поддон) 5, представляющее собой металлическую затравку, переходящую в процессе литья в кристаллизующийся слиток.

6. МГД-перемешиватель жидкой сердцевины слитка при кристаллизации

С целью обеспечения однородности слитков по химическому составу и физическим свойствам, увеличению теплоотдачи от жидкой фазы можно осуществлять МГД - перемешивание жидкой сердцевины при кристаллизации слитка. На рис. 18 представлен эскиз кристаллизатора 2 с МГД - перемешивателем 3. Жидкий металл 1 поступает в кристаллизатор скольжения 2. В результате охлаждения кристаллизуется слиток 5 и медленно опускается вниз. Во время кристаллизации, в верхней части слитка, сохраняется жидкая сердцевина 4. Индуктор 3 воздействуя на сердцевину вращающимся или бегущим магнитным полем осуществляет перемешивание жидкого металла. При перемешивании осуществляется эффективное воздействие на дендритную структуру кристаллизующегося слитка, ускоряется процесс затвердевания и как следствие увеличивается скорость его вытягивания.



Рис. 18. МГД перемешивание жидкой сердцевины слитка при кристаллизации; 1 - жидкий металл; 2 - кристаллизатор скольжения; 3 - МГД-перемешиватель; 4 - жидкая сердцевина; 5 - твердый слиток

Внешний вид уменьшенных (в масштабе 1:10) физических моделей МГДП жидкой сердцевины слитка показан на рис. 19 а, б.

Рис. 19. Физические модели МГДП жидкой сердцевины слитка: а) вариант с двумя катушками; б) вариант с четырьмя катушками

Использование различных типов обмоток и схем включения этих обмоток, позволяет добиться различной конфигурации поля скоростей и траекторий в жидкой сердцевине, что приводит к различному результату в структуре слитка. Один из вариантов распределения скоростей в сердцевине приведен на рисунке 20.

Рис. 20. Структура течения металла при одном из вариантов включения обмоток: а) магнитуда скорости; б) векторное поле скорости; в) линии тока

Технология перемешивания жидкой сердцевины слитка находиться еще на стадии развития и использование МГДП нуждается во всестороннем анализе в основном с использованием численного моделирования протекающих процессов, например как показано на рисунке 21.

Рис. 21. Результаты численного моделирования течений: а) распределение сил; б) магнитуда скорости; в) векторное поле скорости



Таким образом, приложения магнитной гидродинамики имеют большое значение в металлургии, и в частности, в плавильно-литейном производстве. Магнитогидродинамические устройства на базе индукционных машин позволяют осуществить электромагнитное перемешивание (в ковшах, в миксерах, в слитках при кристаллизации), транспортировку и дозирование расплава, бесконтактную кристаллизацию слитков и другие операции, автоматизировать эти процессы и повысить качество продукции плавильно-литейных агрегатов.

7. Индукционные насосы с вращающимся магнитным полем

В отличие от пульсирующего магнитного поля, индукция которого изменяется по синусоидальному закону во времени, вращающееся магнитное поле является переменным в пространственном отношении, так как при неизменной величине магнитного потока вектор индукции его вращается с угловой скоростью:

,

где: f - частота переменного тока;

p число пар полюсов статор, создающего вращающееся магнитное поле.

Помещая внутрь расточки статора (на место вынутого ротора) асинхронного электродвигателя сосуд с жидким металлом, мы приводим последний во вращение в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля и наведенных им в массе металла индукционных токов.

Если ось статора вертикальна, вращение ванны жидкого металла приводит к тому, что ее поверхность приобретает форму параболоида вращения; это явление имеет ряд практических применений.

Простейшим устройством для перекачивания жидкого металла индукционным насосом с вращающимся магнитным полем - является центробежный индукционный насос. По принципу действия он представляет собой центробежный насос, в котором крыльчатка заменена вращающимся магнитным полем. Перекачивание металла обусловливается центробежными силами, возникающими при вращении металла в тигле - рабочей камере насоса.

Центробежный индукционный насос имеет некоторое применение в лабораторных установках для металлов с невысокой температурой плавления.

Скорость движения жидкого металла жестко лимитируется недостаточной в большинстве случаев устойчивостью существующих огнеупорных материалов к эрозии в движущейся среде жидкого металла, имеющего высокую температуру и зачастую химически агрессивного к конструктивным материалам. С большим трудом удается решить вопрос, об устойчивости соприкасающихся с жидким металлом деталей при его движении, соответствующем полезной скорости. Естественно, что многократное смывание стенок камеры металлом при его вращении вызывает еще больший (во много раз) износ футеровки. Это является основной причиной ограниченных возможностей использования центробежных индукционных насосов для перекачивания жидкого металла в литейном и металлургическом производстве.

В рассмотренном центробежном индукционном насосе тангенциально направленные электромагнитные силы приводят металл во вращение и уже как следствие этого вращательного движения появляется центробежная сила, используемая для подачи жидкого металла. Л. Чабб в 1914 г. предложил устройство, позволяющее непосредственно использовать тангенциальные электромагнитные силы для нагнетания жидкого металла.

Во вращающееся магнитное поле помещен канал для жидкого металла, имеющий форму спирали (рис. 22). Тангенциальные по отношению к общей поверхности спирали электромагнитные силы гонят жидкий металл по виткам канала наподобие «жидкой гайки», осуществляя поступательное движение металла. Такое устройство получило название спирального индукционного насоса.

Рис. 22. Схема спирального индукционного насоса: 1 -- магнитопровод; 2 -- обмотка; 3 -- сердечник; 4 -- спиральная направляющая (перегородка)

Спиральные индукционные насосы широко применяются в современной технике для перекачивания легкоплавких металлов, особенно там, где нужны значительные напоры при сравнительно малых расходах.

Преимущество спирального индукционного насоса в случаях, когда требуется нагнетать жидкий металл под значительным давлением, обусловлено большой длиной их винтового капала. Как известно, давление нарастает по длине канала как результат интегрирования объемных электромагнитных сил, отнесенный к единице площади поперечного сечения.

Следует отметить одну особенность спирального индукционного насоса, делающего его пригодным для получения весьма высоких давлений (при достаточном, разумеется, числе витков спирали или общей длине насоса). Она состоит в том, что спиральный канал такого насоса заключен в пространстве между магнитным сердечником и внешним магнитопроводом статора -- индуктора вращающегося магнитного ноля. Обе части магнитной системы выполняются шихтованными из листовой стали.

В сборе статор представляет собой толстостенный стальной цилиндр, набранный из колец. Такой стальной цилиндр может использоваться не только в качестве активного железа магнитной цепи, но и как силовой элемент конструкции, выдерживающий механическую нагрузку и препятствующий разрушению или деформации канала под действием давления металла изнутри.

Для эффективной работы спирального индукционного насоса (во избежание сильного влияния поперечного краевого эффекта) необходимо, чтобы контуры индукционных токов не замыкались по ширине канала в пределах одного витка, а проходили через каналы и разделяющие их перегородки по всей высоте спирали. Это требование ограничивает область применения спиральных индукционных насосов, позволяя, по существу, использовать их лишь для тех жидких металлов, для которых можно применять металлы в качестве конструкционных материалов для канала. Необходимость контактирования жидкого металла со стенками (винтовыми перегородками) канала вызывает такое же требование стабильности переходных сопротивлений, чистоты металла и т. п., как у кондукционных насосов.

Последнее обстоятельство ограничивает перспективы применения спиральных индукционных насосов даже при условии» что проблема устойчивого к эрозии в жидком металле проводящего (поперек витков спирали) винтового канала будет решена применением керметов, высокоогнеупорных, окислов, нитридов и т. д.

В установках, где канал может быть выполнен металлическим, перспективной является особая разновидность спирального индукционного насоса с вращающимся магнитным полем -- насос, в котором индуктором является вращающийся ротор с полюсами, намагничиваемыми постоянным током, или с постоянными магнитами. Внешний магнитопровод набирается из колец, штампованных из листовой электротехнической стали (рис. 23). В таком устройстве исключен один из существенных недостатков индукционных насосов всех типов -- низкий коэффициент мощности.

Рис. 23. Спиральный индукционный насос с вращающимися полюсами: а) -- с приводом ротора от постороннего двигателя; б) -- с приводом ротора при помощи вращающегося магнитного поля: 1 -- ротор; 1-- внешний магнитопровод; 3 -- канал; 4 -- двигатель; 5 -- статор.

В зависимости от располагаемого источника энергии ротор такого насоса может приводиться в движение от постороннего привода через вал или, если предполагается электрический привод, непосредственно статором синхронного электродвигателя, внутрь расточки которого в таком случае помещается винтовой канал и ротор. Роль внешнего магнитопровода играет статор двигателя, а ротор насоса является и ротором двигателя.

Основное отличие спирального индукционного насоса - применение спирального канала для преобразования вращательного движения жидкого металла в поступательное -- является и основным его недостатком с точки зрения пригодности к использованию в металлургии и литейном производстве.

Выполнение такого канала из огнеупорных материалов затруднительно, сопряжение его со смежными участками тракта передачи жидкого металла также вызывает трудности. Поэтому более удобным оказывается пойти по другому пути--приспосабливать не форму канала к характеру движения магнитного поля (в данном случае к вращению магнитного поля), а, наоборот, изменить характер движения магнитного поля таким образом, чтобы осуществить нагнетание металла в простейшем, прямолинейном канале.



Заключение

Коренное усовершенствование этих операций представляет собой одну из актуальнейших задач; однако эту задачу в большинстве случаев не удается удовлетворительно решить при помощи обычных средств манипулирования с жидким металлом - ковшей, механических стопоров, пневматического давления и т.д. Автоматизация процессов требует более совершенных средств для перемещения жидкого металла и управления его разливкой, т.е. нужна техника, основанная на каком-то новом принципе силового воздействия на расплавленный металл.

Таким новым принципом является использование электромагнитных сил, создаваемых в жидком металле при помощи бегущего электромагнитного поля. Разработка основанных на этом принципе устройств для нагнетания и дозирования расплавленного металла была начата Л.А. Верте в 1947 году. Поскольку никакие более ранние исследования в этом направлении не были в то время известны и предложение вызвало принципиальные сомнения как у металлургов, так и у ряда электриков, в 1947-1950гг. были построены модели, на которых в опытах со ртутью и оловом была доказана физическая реальность нагнетания жидкого металла посредством бегущего магнитного поля.

Также была доказана возможность прекращения с его помощью истечения металла через открытый канал, соединенный с нижней частью резервуара, находящейся под металлостатическим давлением.

На стыке гидродинамики и электродинамики зародилась и в последние годы стремительно развивается новая область науки - магнитная гидродинамика, изучающая процессы, связанные с движением проводящих средств в электромагнитном поле. Как и многие другие отрасли физики, имеющие спутником прикладную науку (электродинамика - электротехнику, гидродинамика - гидравлику и т.д.), магнитная гидродинамика тоже имеет выход в промышленность не непосредственно, а через находящуюся в процессе становления прикладную науку инженерного характера.

Приложения магнитной гидродинамики имеют большое значение в металлургии для создания новых (электромагнитных) способов транспорта жидкого металла, его разливки, а также ряда новых технологических процессов, связанных с движением жидкого металла или бесконтактным силовым воздействием на него.

В решении практических задач в этой области вопросы, относящиеся непосредственно к магнитной гидродинамике, отошли на второй план, уступив место сложному комплексу отдельных разделов электротехники, теплотехники, материаловедения и т.д.

По существу вся электромагнитная техника металлургии, или техника электромагнитного силового воздействия на жидкие металлы, базируется на том или ином использовании разного рода устройств, получивших название электромагнитных (МГД) насосов. Эти насосы могут применятся для перекачивания жидкого металла или, наоборот, в качестве стопоров, вентилей, а также устройств для статического силового воздействия на жидкий металл и т.д. Модификациями электромагнитного насоса является по существу также электромагнитный желоб, электромагнитные перемешиватели для жидкого металла и другие устройства для силового воздействия на жидкий металл с помощью электромагнитного поля.

Силовое воздействие на жидкий металл в электромагнитных насосах, желобах и других аналогичных устройствах осуществляется электромагнитными силами. Эти силы возникают в жидком металле при взаимодействии магнитного поля и электрического тока, проходящего через металл.

Одно только магнитное поле не может создать в жидком металле заметные механические усилия, так как даже твердые металлы при нагреве выше определенной температуры - точки Кюри теряют свои ферромагнитные свойства, а в жидком состоянии все металлы практически немагнитны.

Хотя индукционные насосы по принципу действия аналогичны асинхронным двигателям, при их разработке возникает целый ряд совершенно новых теоретических и конструктивных вопросов. Это обусловлено тем, что индукционные насосы имеют по сравнению с асинхронными двигателями следующие существенные особенности:

разомкнутость магнитной цепи;

вторичная цепь образована жидким металлом и не представляет собой твердого тела;

большой немагнитный зазор между ферромагнитными пакетами индукторов, образованный жидким металлом и теплоизоляцией, которую необходимо применять в большинстве случаев, связанных с применением насосов в металлургии и в литейном производстве.

Указанные особенности влекут за собой множество своеобразных последствий (различные краевые эффекты, большие электромагнитные нагрузки в обмотках, необходимость их форсированного охлаждения, повышенные требования к электроизоляционным материалам и т.д.).

В результате, несмотря на аналогию с асинхронными двигателями, теорию индукционных насосов необходимо разрабатывать в качестве самостоятельной задачи.



Библиографический список

1. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. Учебник для вузов. - М.: Интермет Инжиниринг, 2005.

2. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. - М.: ВШ, 1990.

3. Федоров А.А., Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 386 с.

4. Введение в специальность «Электротехнологические установки и системы»: Учебное пособие/ Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов. Екатеринбург: УГТУ, 2008. 92 с.

5. Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева (часть 2): А.Д. Свенчанский, И.Т. Жердев, А.М. Кручинин и др.; Под ред. А.Д. Свенчанского. Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981. - 296 с.: ил.

6. А.Д. Свенчанский. Электрические промышленные печи. (часть 1). Учебник для вузов в 2-х ч. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергия, 1975. - 384 с.

7. Иванов И.И. Электротехника: учебник для студентов неэлектротехн. специальностей вузов / И.И. Иванов, Г.И. Соловьев, В.С. Равдоник. Краснодар: Лань, 2008. 496 с.

8. Касаткин А.С. Электротехника: учебник для студентов неэлектротехн. специальностей вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. М.: Академия, 2008. 544 с.

9. Кононенко В.В. Электротехника и электроника / В.В. Кононенко. Ростов н/Д.: Феникс, 2007. 784 с.

10. Лачин В.И. Электротехника: учеб. пособие для вузов / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. Ростов н/Д.: Феникс, 2004. 576 с.

11. Материал реферата основан на работах авторов, выполненных в Санкт-петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» при участии проф. Блинова Ю.И., доцента Галунина С.А. и др., в Пермском государственном университете при участии академика Кирко И.М. проф. Кирко Г.Е., в Уральском государственном техническом университете «УПИ» при участии проф. Сарапулова Ф.Н., Сарапулова С.Ф. и др., в Новосибирском государственном техническом университете «НЭТИ» при участии проф. Алиферова А.И., доцента Горевой Л.П. и др., в Сибирском федеральном университете при участии проф. Тимофеева В.Н., доцента Боякова С.А. и др.

Размещено на Allbest.ru