CC BY
91
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2015 ISSN 2410-6070
8. Леонов О.А., Киселева Е.Н., Вергазова Ю.Г. Влияние шероховатости поверхности деталей на долговечность соединений при ремонте сельскохозяйственной техники // Международный технико -экономический журнал. 2014. № 5. С. 47-51.
9. Леонов О.А. Обоснование параметров шероховатости поверхности при проектировании и ремонте техники // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2010. № 1. С. 103-105.
10. Леонов О.А., Вергазова Ю.Г. Корреляция параметров шероховатости поверхности // Наука в современном информационном обществе. 2015. С. 88-90.
11. Леонов О.А., Вергазова Ю.Г. Расчет посадок соединений со шпонками для сельскохозяйственной техники // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2014. № 2. С. 13-15.
© Вергазова Ю.Г., 2015
УДК 621.643
Э. Р. Винтер
Студент 4 курса кафедры «Электротехнологические установки и ситемы» Политехнического
института, Сибирский федеральный университет
А. А. Гуляшинов
Студент 4 курса кафедры «Электротехнологические установки и ситемы» Политехнического
института, Сибирский федеральный университет Научный руководитель: В. Н. Тимофеев д.т.н., профессор кафедры «Электротехнологические установки и системы» Политехнический институт, Сибирский федеральный университет
Г. Красноярск, Российская Федерация
ОБЗОР РАБОТ ПО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ ИНДУКЦИОННОЙ
ЕДИНИЦЫ КАНАЛЬНОЙ ПЕЧИ
Введение. В условиях современной промышленности металлургическая продукция должна соответствовать высоким требованиям, предъявляемым к качеству и эксплуатационным характеристикам сплавов цветных металлов в связи с расширяющейся областью их применения. Использование современного электротехнологического оборудования позволяет повысить эффективность и продуктивность производственного процесса получения качественных сплавов. Среди таких установок широкое применение находят индукционные плавильные печи. Основным элементом индукционной канальной печи является индукционная единица, в которой происходит преобразование электрической энергии в тепловую и механическую. На основе индукционной единицы можно создать установки плавления, гомогенизации, дегазации и литья, МГД-насосы, насосы для транспортировки жидкого металла.
В данной статье проведён обзор работ по реализации способов вращения жидкого металла в канале индукционной единицы, принципов их действия и области применения.
1. Индукционная канальная печь.
Индукционная канальная печь рис.1 «а», конструктивно состоит из футерованный ванны 2, в которой находится расплав 3, под ванной находится индукционная единица (ИЕ), в которой и происходит преобразование энергии. ИЕ представляет собой магнитопровод 1 с обмоткой индуктора 4. В окнах магнитопровода располагаются продольные каналы 5, которые окружены подовым камнем 6.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2015 2410-6070
Рисунок 1 - Устройство индукционной канальной печи;
По принципу действия ИЕ аналогична однофазному трансформатору, работающему в режиме короткого замыкания, роль вторичной обмотки в котором выполняет расплавленный металл в каналах, образующих короткозамкнутый виток.
При взаимодействии тока в канале с магнитным потом рассеяния, возникают электродинамические силы, действующие на расплав. Под действием этих электродинамических сил и конвективного движения, нагретый металл из канала поднимается в ванну, а холодный металл из ванны опускается в канал, где разогревается протекающим в канале током.
В процессе плавки алюминия, а также его сплавов, каналы индукционной единицы быстро заполняются окислами, образовывающихся в результате нарушения целостности окисной пленки. Каналы выполняются цилиндрическими с прямыми участками для сохранения работоспособности установки, так как требуется их регулярная чистка. Для замедления процесса зарастания каналов окислами, возможно создать с помощью электромагнитного поля вращательное движение расплава в каналах.
2. Электромагнитные вращатели расплава в канальной части печи.
Наличие больших магнитных полей рассеяния в области канальной части, которые сосредоточены между первичной и вторичной обмотками вне магнитопровода, т.е между обмоткой индуктора и расплавленным металлом, позволило предложить различные способы получения вращения металла в каналах ИЕ.
2.1 Способ и устройства вращения электропроводного тела в пульсирующем неоднородном магнитном поле индукционной единицы.
Было обнаружено что, если в пульсирующее неоднородное магнитное поле внести проводящий цилиндр, то на последний будет действовать вращающий момент [5].
На рисунке 4 «а, б, в» показаны схемы получения вращения электропроводного тела, расположенного между ферромагнитными телами. Регулирование скорости вращения тела осуществляется изменением расстояния между электропроводным телом и ферромагнитными поверхностями. При смещении тела относительно оси симметрии рис.4 «а, в», на него действует вращающий момент, если электропроводное тело расположено симметрично относительно ферромагнитным поверхностей, вращающий момент равен нулю.
а б в
Рисунок 3 - Эскиз вращения электропроводного тела
На основании этого были предложены конструкции ИЕ, со смещенными продольными каналами относительно плоскости, проходящей через центр катушки параллельно продольной оси (рис.5 «а, б, в»).
На рисунке 5 «а» изображена ИЕ со смещением каналов в разные стороны относительно плоскости симметрии на рисунке 5 «б», смещение в одну сторону, в третьем варианте, изображенном на рисунке 5 «в» в свободном месте от окна каналов используются шихтованные ферромагнитные вставки, что так же обеспечивает неоднородность магнитного поля. Направление вращения металла в каналах показано стрелками.
Рисунок 4 - Индукционная единица со смещением продольных каналов
Достоинством данного метода является то, что не требуется применения дополнительных устройств. Но металл имеет относительно не высокую скорость вращения. Так же к недостаткам данного метода относится то, что вследствие смещения каналов приходится увеличивать габариты магнитопровода, что влечет за собой увеличение потоков рассеяния, а соответственно и потребление реактивной мощности [2].
Существует способ создания неоднородного магнитного поля в ИЕ без смещения продольных каналов [8].
На рисунке 5 «а, б, в» показаны магнитопровод 1 с намотанной на него обмоткой индуктора 2, охваченный 3 и неохваченный магнитопроводом продольные каналы. В данном устройстве неоднородность магнитного поля создается из-за неодинакового количества витков обмотки индуктора по разные стороны относительно плоскости 1-1'.
в
Рисунок 5 - Индукционная единица с неодинаковым количеством витков
На рис.5 «а» неоднородность поля достигается за счет неодинакового шага намотки витков индуктора по стержню магнитопровода, на рис. 5 «б» за счет неодинаковой ширины индуктирующего провода, рис.5 «в» за счет неодинаково количества слоев обмотки индуктора.
Основным недостатком данного устройства является плохой коэффициент заполнения обмотки.
Рисунок 6 - ИЕ с обмоткой, имеющей дополнительные выводы
Так же известен еще один способ создания неоднородного магнитного поля в ИЕ без переделки конструкции каналов [9], изображенный на рис.6. Устройство содержит блок конденсаторов 6 подключенный параллельно к индуктору и блок переменных конденсаторов 5 подключенный к индуктору только на часть витков.
Блок переменных конденсаторов 6 служит для компенсации реактивной мощности, а неоднородность магнитного поля создается обмоткой с дополнительными выводами, к которым параллельно подключен один из блоков переменных конденсаторов для создания резонанса токов. В данном устройстве обмотка имеет высокий коэффициент заполнения.
2.2 Электромагнитный экран в виде сектора, короткозамкнутый виток
Принцип действия устройства основан на создании вращающегося магнитного потока, в результате наложения двух потоков, сдвинутых по фазе и в пространстве. [2]
На рисунке 7 изображена ИЕ с электромагнитным экраном 6. Индуктор состоит из магнитопровода 1 и обмотки 2. Продольный футерованный канал 4 с жидким металлом 3 охвачен цилиндрическим каркасом 5.
Так как каналы с жидким металлом пронизываются основным магнитным потоком , то установленный электромагнитный экран на пути основного магнитного потока будет создавать свой
магнитный поток Ф 2, за счет наведенных в нем вихревых токов, который будет сдвинут по фазе относительно основного магнитного потока, вследствие того, что экран обладает индуктивностью L.
Рисунок 8 - Короткозамкнутый виток, охватывающий продольный канал
К достоинствам данного устройства стоит отнести надежность работы и возможность регулирования скорости, путем изменением угла X . Недостатком является то, что для экрана требуется дополнительное охлаждение, т.к он перегревается из-за значительного потребления им электроэнергии. Так же данный метод не позволяет получить относительно большие скорости вращения.
Наиболее эффективным фазосдвигающим устройством является короткозамкнутый виток [6], который охватывает продольный канал и может поворачиваться вокруг оси канала (рис.8).
Скорость вращения регулируется поворотом короткозамкнутого витка вокруг оси канала, т.е изменением угла X . Также, как и электромагнитный экран, короткозамкнутый виток создает относительно невысокие скорости вращения металла, 10-30 об/мин.
2.3 Дополнительные обмотки с током
Устройства в виде дополнительных обмоток с током [2] позволяет получить относительно большие скорости вращения металла в канальной части ИЕ.
На рисунке 9 изображена ИЕ с вращателем в виде дополнительной седлообразной катушки с током 6, охватывающей продольный канал 3 [7]. Дополнительная катушка имеет внешний источник питания.
Ток протекающий через дополнительную обмотку, создает свой магнитный поток. Наложение потоков ф
(основной поток) и ф0 (поток дополнительной катушки),
которые с сдвинуты на 90° в пространстве и по фазе , создает вращательное движение металла в канале. Регулирование скорости вращения осуществляется с помощью регулирования величины и фазы тока в дополнительной катушке.
Из-за имеющихся у седлообразной катушки лобовых частей 7, порой затруднено ее использование в ИЕ.
На рис. 10 «а, б» показаны индукционные единицы с дополнительными катушками в виде двух секций, соединенных встречно, у которых лобовые части отсутствуют [2].
На рис. 10 «а» секции расположены на ярмах магнитопровода. На рис. 10 «б» секции дополнительной обмотки 6 находятся на одном стержне магнитопровода 1 и расположены поверх основной обмотки индуктора 2. Размещены секции по разные стороны относительно плоскости, проходящей через оси каналов.
2 6 7
Рисунок 9 - Электромагнитный вращатель в виде дополнительной катушки
а б
Рисунок 10 - Электромагнитный вращатель с дополнительной катушкой в виде двух секций
Из-за того, что магнитный поток, создаваемый токами дополнительной катушки, пронизывает как охваченный, так и не охваченные каналы, вращение металла создается в обоих каналах с помощью одного электромагнитного вращателя.
2.3.1 Пусковые катушки.
Для снижения расхода электроэнергии могут применятся пусковые катушки [4].
Принцип действия устройства следующий: при подключении дополнительных обмоток 4 создается вращательное движение металла в каналах ИЕ 3, скорость вращения О и момент М при этом изменяются согласно кривой 1 (рис.12). При достижении установившейся скорости О , когда электромагнитный момент
равен моменту сопротивления М1 = Мст, датчик измерения скорости отключает питание дополнительных
катушек, величина электромагнитного момента при этом падает до значения М , скорость начнет
уменьшаться по кривой 2, пока момент не достигнет прежнего значения - это произойдёт при О = О .
Рисунок 11 - Электромагнитный вращатель в виде пусковых
Рисунок 12 - Зависимости электромагнитного момента
Отключение дополнительных катушек позволяет сократить потребление электрической мощности.
2.4 Анализ и сравнение способов получения вращения жидкого металла в ИЕ
Для получения относительно высоких скоростей вращения расплава в каналах, наиболее предпочтительным устройством является электромагнитный вращатель в виде дополнительных обмоток с током.
Возможно создание вращения металла в каналах без применения дополнительных устройств. В этом случае необходимо создать в канальной части неоднородное пульсирующее магнитное поле. Этого можно добиться путем смещения продольных каналов, неодинаковым числом витков обмотки индуктора или с помощью дополнительных отводов у индуктора, к которым подключаются блоки переменных конденсаторов.
Из [12] приведена таблица 1 с результатами численного моделирования некоторых электромагнитных вращателей.
Таблица 1
Значения относительных моментов для разных типов вращателей
Устройства электромагнитного вращателя Момент, о.е.
Седлообразная катушка на канале (рис. 9) 1
Перемещение канала (рис. 5) 0,02
Электромагнитный экран (рис. 7) 0,21
Две дополнительные катушки на ярме (рис. 10 «а») 0,92
Две катушки сверху основной катушки (рис. 10 «б») 0,76
3. Применение ИЕ с электромагнитными вращателями для различных технологических процессов в металлургии
Магнитогидродинамическое рафинирование. Была предложена установка внепечного рафинирования, работающая на основе индукционной единицы с электромагнитными вращателями для получения вращения металла в канале. [3]
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2015 ISSN 2410-6070
Эскиз установки изображен на рис. 13. Фильтрация жидкого расплава осуществляется через пенокерамический фильтр, который устанавливается в выходном отсеке ванны установки.
Установка содержит ИЕ со обмоткой 1 намотанной на магнитопровод 2, футерованный канал с жидким металлом 3, в котором создается вращательное движение металла с помощью электромагнитных вращателей, для максимальной проработки расплава газовыми пузырьками. В канал подается рафинирующая смесь с помощью газоввода 5. На выходе из канальной части установлен пенокерамический фильтр 7, обеспечивающий наиболее тонкую механическую очистку расплавленного метала.
L!
Рисунок 13 - Схема установки магнитогидродинамического рафинирования алюминиевых сплавов
Данная установка во время эксплуатации зарекомендовала себя энергоэффективной, экономичной и широко применяется в настоящее время.
Транспортировка, переливка и дозирование жидкого металла. МГД-насосы предназначены для транспорта расплавленного метала, и могут быть использованы в качестве заливочного устройства или дозатора. На рисунке 11 показан эскиз магнитодинамического насоса [11].
1_ 2
Рисунок 14 - МГД - насос с электромагнитными вращателями
При питании обмотки 2 переменным электрическим током, которая намотана на магнитопровод 1, создается переменный магнитный поток, который в расплаве, образующий короткозамкнутый виток в каналах трубопровода 4, индуктирует ток. При питании переменным электрическим током катушек 3
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2015 ISSN 2410-6070
электромагнита, создается пульсирующий магнитный поток, который замыкается через межполюсный зазор магнитопровода 5, при этом пронизывая рабочую зону насоса.
При взаимодействии в рабочей зоне электрического тока с рабочим магнитным потоком, на расплав начинает действовать электромагнитная сила, которая определяется векторным произведением плотности тока в расплаве и магнитной индукции.
Недостатком такого устройства является то, что в процессе эксплуатации, каналы трубопровода зарастают окислами. Чтобы избежать зарастания окислами каналов трубопровода, на них устанавливаются электромагнитные вращатели в виде дополнительных обмоток 6, питаемых от внешнего источника энергии, которые создают в каналах вращательное движение расплава. Возможно применение любого другого способа получения вращения металла, описанных выше.
Технологии гомогенизации многокомпонентных сплавов. В настоящее время с ростом предъявляемых требований к материалам, возникает потребность в качественном приготовлении многокомпонентных сплавов, которое включает в себя интенсивное перемешивание сплава с целью удаления макроскопических и микроскопических неоднородностей и выравнивания температуры по объему.
На рис. 15 представлен эскиз ИКП с тороидальной канальной частью [10]
Рисунок 15 - Индукционная канальная печь с тороидальной канальной частью
Устройство имеет Ш-образный магнитопровод 1, намотанную на центральный стержень основную обмотку 2, две дополнительные обмотки 3 намотанные поверх основной, канал с расплавом 4. Канальная тороидальная часть из футерованного материала 5, может иметь в сечении форму круга или эллипса.
При работе основной и дополнительной обмоток от сети двухфазного переменного напряжения в расплаве канальной части образуется вращательное движение.
На рис. 16 показано поле мгновенных скоростей расплава в канале, полученное с помощью математического моделирования в [13]. Видно, что в торе эллиптического сечения создается более сложное турбулентное движение, по сравнению с тором круглого сечения, где преобладает стационарное одноконтурное течение.
Рисунок 16 - Мгновенное поле скоростей расплава в торе круглого (слева) и эллиптичного (справа) сечений
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2015 ISSN 2410-6070
Данное устройство, дает возможность управлять степенью гомогенизации расплава, в зависимости от времени его нахождения в торе; воздействием на его структуру различными пульсациями. Заключение. Проведя обзор можно сделать выводы:
1) Имеется несколько способов и устройств для получения вращения жидкого металла в канальной части, без внесения существенных изменений в конструкцию индукционной единицы.
2) С помощью индукционной единицы с электромагнитным вращателем можно повысить тепломассообмен между канальной частью и ванной печи, тем самым повысив производительность процесса плавления; создать установку дегазации и подогрева расплава без вращающихся механических элементов, МГД-насос для транспортировки и дозирования жидкого металла, установку гомогенизации, позволяющую устранить макро- и микронеоднородности многокомпонентных расплавов.
Список использованной литературы:
1. Слухоцкий, А. Е. Установки индукционного нагрева: учеб. пособие / А. Е Слухоцкий, В. С. Немков, Н.
A. Павлов, А. В. Бамунэр; под ред. А. Е Слухоцкого; Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981. - 328 с.
2. МГД технологии в металлургии. Интенсивный курс Специализация IV. Бааке Э., Барглик Д., Лупи С. [и др.]. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 250 с.
3. Маракушин, Н. П. Индукционная установка для рафинирования алюминиевых расплавов: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Н. П. Маракушин. - Красноярск, 2002. - 20 с.
4. А.с. 1527467, СССР. МКИ3 F 27 D 11/06, F 27 D 1/00. Способ вращения жидкого металла в каналах отъемной индукционной единицы/ Р. М. Христинич, В. Н Тимофеев, А.А. Темеров, С. А. Бояков, Л. М. Протопопова, Т. А. Волкова. (СССР). - №4434318/31-02; заявл. 30.03.88; опубл. 07.12.89, Бюл. №45 - 3с.
5. А.с. 1206902, СССР. МКИ3 F H 02 K 17/04. Способ вращения электропроводного тела / Р. М. Христинич,
B. Н Тимофеев, А.А. Темеров, Ю.М. Гориславец, А.Ф. Колисниченко. (СССР). - №3629054/24-07; заявл. 29.07.83; опубл. 23.01.86, Бюл. №3 - 2с.
6. А.с. 1195168, СССР. МКИ3 F 27 D 11/06. Отъемная индукционная единица / В. Н Тимофеев, А.А. Темеров, Ю.М. Гориславец, А.Ф. Колисниченко и Р. М. Христинич. (СССР). - №3717363/22-02; заявл. 30.03.83; опубл. 30.11.85, Бюл. №44 - 2с.
7. А.с. 1195168, СССР. МКИ3 F27D11/06. Отъемная индукционная единица / C. А. Бояков, В. А. Золотухин, А. А. Темеров, В. Н. Тимофеев. (СССР). - №3922294/22-02; заявл. 22.05.85; опубл. 30.03.87, Бюл. №12 - 3с.
8. Пат. 2235446 Российская Федерация, МПК7 H 05 B 6/34, Н 02 K 44/00, F 27 D 11. Отъемная индукционная единица / Е. А. Головенко, В. Н. Тимофеев. -№2002116306, заявл. 17.06.2002; опубл. 11.02.2004, Бюл. № 4.
9. Пат. 114258 Российская Федерация, МПК7 H 05 B 6/34. Отъемная индукционная единица / Д. В. Хохлов, Н. П. Маракушин, В. А. Горемыкин, Е. А. Головенко. заявл. 29.07.11; опубл. 10.01.12
10.Пат. 2438272 Российская Федерация, H 05 B 6/00. Индукционная тигельная печь/ В. Н. Тимофеев, Н. В. Тимофеев, Н. В. Сергеев. заявл. 07.10.2010; опубл. 27.12.2011
11. Магнитодинамические насосы для жидких металлов: монография/ В. П. Полищук [и др.]; отв. ред. В. А Ефимов; АН УССР. : Ин-т проблем литья. - Киев 1989. - 256 с.
12. Гудков, И. С Электромагнитные вращатели жидкого металла в канальной части индукционной печи / И.С. Гудков, А.А. Авдулов, В.Н. Тимофеев / / Индукционный нагрев. - 2013. - № 26.
13. Тимофеев, В.Н. Управление конвективными потоками расплава в канальной части индукционной печи / Тимофеев В.Н., Хацаюк М.Ю. / Известия академии наук. Энергетика. - 2013. - № 3. - С. 130-136.
© Винтер Э. Р., Гуляшинов А. А., 2015
