ЭМВ

2.2. Электромагнитные насосы

Электромагнитные насосы (ЭМН) [1, 2] в основном предназначены для транспорта жидких металлов, но есть ряд насосов, в которых сочетается нагрев и перемещение металла (рис. 12).

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ НАСОСЫ:

кондукционные,

индукционные

Перемещение

Нагрев и перемещение

Рис. 12. Электромагнитные насосы

2.2.1. Индукционные насосы

Бегущее магнитное поле обычно представляют как результат преобразования вращающегося поля кольцевого статора трех­фазного электродвигателя, если последний мысленно разрезать и развернуть на плоскость. Можно, однако, считать и наоборот, что в том же электродвигателе, в воздушном зазоре между стато­ром и ротором, магнитное поле является бегущим, только оно движется не прямолинейно, а по окружности кольцевого воздуш­ного зазора. Это поле наводит в стержнях ротора индукционные токи, а взаимодействие магнитного поля и электрического тока обусловливает возникновение электромагнитных сил. Последние направлены тангенциально к окружности ротора и приводят его во вращение.

В дальнейшем все же под бегущим магнитным полем будем понимать только поле в виде волн, возникающих на одном конце и исчезающих на другом конце рабочей зоны прямолинейного индуктора с разомкнутым магнитопроводом.

Индуктор бегущего магнитного поля может располагаться по обеим сторонам канала жидкого металла в виде двух «развернутых статоров», как показано на рис. 13, а или только с одной стороны. В последнем случае отсутствующую его половину, как правило, заменяют магнитопроводом, не име­ющим обмотки (рис. 13, б). Известны, однако, родственные плоским линейным индукционным насосам (ПЛИН-устройства), не имеющие на одной стороне канала ни обмотки, ни активной стали (рис. 13, е). Таким устройством является, в част­ности, электромагнитный желоб.

В целях исключения влияния поперечного краевого эффекта ПЛИН можно преобразовать таким образом, что плоский слой металла в его канале как бы сворачивается в цилиндрический слой, «трубку», ось которой совпадает с направлением движения бегущего магнитного поля (рис. 13, д). Тогда слой жидкого ме­талла не имеет краев и энергетические показатели такого устрой­ства, называемого цилиндрическим линейным индукционным насосом (ЦЛИН), как правило, лучше. Однако конструкция такого насоса получается достаточно сложной.

Особенные затруднения возникают с той половиной индуктора, которая при свертывании ПЛИН попадает внутрь цилиндрического слоя жид­кого металла. Поэтому его чаще всего заменяют не имеющим обмотки пассивным магнитопроводом, защищенным огнеупорной футеровкой (рис. 13, е) или, другими словами, получают цилиндрический линейный индукционный насос «свертыванием» пло­ского линейного индукционного насоса с односторонним индук­тором. Однако для тугоплавких металлов иногда и эта конструк­ция оказывается неприемлемой. Чтобы стальной внутренний сердечник такого насоса выполнял свою роль, температура его не должна превышать точки Кюри и, следовательно, этот сердеч­ник приходится охлаждать, что связано со значительными за­труднениями.

Рис. 13. Разновидности индукционных насосов с бегущим магнитным полем: а – плоский с двусторонним индуктором; б – плоский с односторонним индуктором и вторым необмотанным сердечником; в – плоский с односторонним индуктором; г – электромагнитный желоб; д – цилиндрический с двусторонним индуктором; е – цилиндрический с односторонним индуктором и ферромагнитным сердечником; ж – цилиндрический с односторонним индуктором и немагнитным сердечником; з – цилиндрический ус круглым (без сердечника) сечением канала; 1 – магнитопровод; 2 – обмотка; 3 – канал; 4 -футеровка

Поэтому иногда целесообразно отказаться от него (ценой значительного ухудшения энергетических показателей) и поместить внутрь цилиндрического слоя жидкого металла не­магнитный сердечник - стержень из огнеупорного материала (рис. 13, ж). Эта конструкция может рассматриваться как «свер­нутый» ПЛИН с односторонним индуктором (не имеющим актив­ной стали по другую сторону слоя жидкого металла). Предельным шагом в упрощении конструкции ПЛИН является вообще отказ от внутреннего сердечника, в результате чего цилиндрический слой жидкого металла, имеющий в поперечном сечении форму кольца, превращается в сплошной цилиндр, имеющий в сечении круг (рис. 13, з). Энергетические показатели при таком преобразовании еще более ухудшаются за счет гидравлических явлений в канале, однако, несмотря на это, такое устройство представляется весьма перспективным для тугоплавких металлов, а при малых напорах - и для металлов со сравнительно невысокой температурой разливки. Характерной чертой прикладной МГД-техники в металлургии, в отличие от аналогичной техники в ядерной энергетике или МГД-преобразователях энергии, является предпочтение технологиче­ских преимуществ (среди которых на первом месте стоит упроще­ние конструкции канала) энергетическим показателям.

Сравнительная простота проточной части, отличающая индукционные электромагнитные насосы с бегущим магнитным полем и обусловливает в основном их преимущества перед другими типами насосов для использования в металлургическом и литей­ном производстве. Из этого правила есть исключения: в отдельных случаях удобнее использовать электромагнитные насосы других типов.

Кафедра «Электротехника и электротехнологические системы» продолжительное время занимается проблемами электромагнитного воздействия на жидкие металлы, в частности вопросами электромагнитного транспорта и электромагнитного перемешивания жидких металлов [18, 19, 20, 23].

Накопленный опыт разработки, расчета, создания и эксплуатации устройств электромагнитного перемешивания (ЭМП) и электромагнитного транспорта (ЭМТ) показывает, что в настоящее время для предварительного анализа влияния ЭМП на кристаллизующийся металл и усилий, развиваемых устройством ЭМТ в канале с жидким металлом, расчета параметров интегральных характеристик электромагнитных перемешивателей и электромагнитных насосов необходимо иметь достаточно универсальную математическую модель, которая позволяет учитывать схемы включения обмоток индуктора, частоту питающей сети, физические свойства отливаемых и транспортируемых металлов и сплавов, многослойность экрана между поверхностью магнитопровода и рабочим телом (металлом или сплавом), форму лунки жидкой фазы кристаллизующегося слитка и сечения канала электромагнитного насоса.

Такая математическая модель, базирующаяся на детализированных схемах замещения, создана на кафедре «Электротехника и электротехнологические системы» ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ» [22]. Эта модель достаточно успешно была использована для прогнозирования режимов работы устройств электромагнитного перемешивания и электромагнитного транспорта, расчета и анализа этих устройств. Экспериментальные исследования и промышленные испытания устройств ЭМП и ЭМТ проводились на базе центральных заводских лабораторий и в производственных цехах предприятий по обработке цветных металлов.

Индукционный насос состоит из двух модулей - магнитопроводов, между которыми помещаются два канала для жидкого металла, разделенные пассивным ферромагнитным сердечником (рис. 14). В качестве каркаса каналов и кожуха насоса использовалась тонколистовая нержавеющая сталь. Исследование электромагнитного насоса в лабораторных условиях проводились в электродинамическом приближении. В качестве объекта силового воздействия устройства ЭМТ были использованы пластины из нейзильбера, цинка, алюминия, меди, имеющие равные длину и ширину и разную толщину. Пластины закреплялись на динамометре в зоне канала. Измерялся вес пластин при отключенном электромагнитном насосе и при включенном,

Рис. 14. Промышленный образец электромагнитного насоса

с направлением бегущего электромагнитного поля «сверху вниз».

Разница между весом пластин в этих режимах и являлась величиной усилия, развиваемого этим насосом. Измерения проводились при неизменном напряжении. Сравнение расчетных и экспериментальных значений развиваемых усилий показало достаточно хорошую сходимость. Было отмечено, что отношение развиваемого усилия к потребляемой активной мощности устройства ЭМТ для пластин из одного и того же металла были практически одинаковыми независимо от толщины пластины.

На рис. 15 представлено в относительных единицах изменение отношения развиваемого усилия в пластинах к произведению потребляемой активной мощности электромагнитного насоса и электропроводности материала пластины (ось ординат) в функции электропроводности материала пластины (ось абсцисс).

Диапазон электропроводности материалов пластин достаточно широкий: нейзильбер – Омм^-1, цинк - Омм^-1, алюминий - Омм^-1, медь - Омм^-1.

Рис. 15. Изменение

Электропроводность металла в жидком состоянии уменьшается, примерно, на порядок. Диаграмма, приведенная на рис. 15, может быть использована для прогнозирования работоспособности насоса для перекачивания алюминия, цинка и их сплавов.

Промышленные испытания показали, что применение устройств ЭМТ в ряде случаев способствует снижению трудозатрат, интенсификации производства, снижению потерь металла на «угар» и частично предотвращает появление окисной пленки. Устройства ЭМТ могут быть использованы в сочетании с закрытыми подогреваемыми металлотрактами.

Весьма удачную конструкцию своеобразного индукционного насоса предложил М.Тама (Пат. (США), № 2536325, 1946). Принцип действия насоса М.Тама основан на использовании явления линейного пинч-эффекта.

Насос состоит по существу только из огнеупорной трубы, соот­ветствующим образом (с помощью проводящей втулки) соединен­ной с канальной индукционной раздаточной, печью (рис. 16). Трансформатор печи имеет замкнутый магнитопровод, набранный из листовой трансформаторной стали. На нем размещены две катушки первичной обмотки, питаемые током промышленной частоты. Вторичный контур, состоящий из двух петель, образован тремя плавильными каналами, ванной печи и поперечным каналом на дне. Сила тока во вторичной цепи достигает значений нескольких тысяч ампер. В сравнительно узких каналах при этом создается чрезвычайно большая плотность тока, при кото-

Рис. 16. Индукционный насос М.Тама: 1 - первичная обмотка трансформатора; 2 - магнитопровод трансформатора; 3 - канал; 4 - огнеупорная трубка; 5 - насадка из карборунда

рой жидкий про­водник с током как бы пережимается электромагнитными силами, созданными взаимодействием тока с его же собственным магнит­ным полем. На оси проводника при этом создается некоторое избыточное давление, которое в данном случае используется для подъема жидкого металла на некоторую высоту в наклонной трубке, по которой он попадает из печи в литейную машину.

Трубка, через которую движется металл, изготовленная из огнеупорного материала, установлена таким образом, что ее нижний конец находится в отверстии центрального канала, а верхний конец, снабженный дополнительной подогревающей обмоткой, выведен за пределы печи.

При отсутствии напряжения в первичной обмотке уровень металла в трубке соответствует уровню металла в печи. С увеличением напряжения в первичных катушках печи и при соответствующем напряжении давление, образующееся в центральном канале, оказывается достаточным для выливания металла из верхнего конца трубки.