3. Мгд-перемешивание расплава вращающимся магнитным полем

На рисунке 6.25 представлена картина распределения магнитного поля в ИТП, полученная в результате численного моделирования.

Как следует из рисунка 6.25, магнитное поле в индукционной тигельной печи, в основном, сосредоточено между индуктором и металлом в тигле. Используя существующий в печи магнитный поток, который направлен по оси симметрии, можно создать дополнительный магнитный поток, направленный перпендикулярно по отношению к существующему и сдвинутый по фазе. В результате наложения двух магнитных потоков, сдвинутых в пространстве, и по фазе образуется вращающееся магнитное поле, приводящее расплав в тигле во вращательное движение [6.11].

Рисунок 6.25. Магнитное поле индукционной тигельной печи

На рисунке 6.26 представлен эскиз цилиндрической ванны с жидким металлом. Ванна 1 с металлом 2 помещены в цилиндрический индуктор, состоящий из основной обмотки 3 в виде соленоида и дополнительной катушки 4, выполненной в виде двух секций соединенных встречно. На рисунке 6.27 представлена фотография физической модели индуктора с основной и дополнительной катушками. При питании основной катушки синусоидальным током, в области металла образуется магнитный поток Ф₁, направленный параллельно оси l-l^', а при питании дополнительной катушки синусоидальным током, сдвинутым по фазе относительно тока основной катушки, образуется магнитный поток Ф₂, направленный перпендикулярно оси l-l^'.

Рисунок 6.26. Эскиз индукционно-тигельной печи	Рисунок 6.27.Физическая модель индуктора

В результате наложения сдвинутых относительно друг друга в пространстве и по фазе магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ образуется результирующий магнитный поток Ф₁₂, который будет вращаться в области металла с угловой скоростью Ω, приводя жидкий металл в движение.

На рисунке 6.28 представлена фотография циркуляции жидкого металла при прямом и обратном вращении магнитного поля в ндукторе (Галлий при 50^оС).

На рисунке 6.28,а металл по оси ванны двигается снизу вверх и мы наблюдаем выпуклость. На рисунке 6.28,б металл по оси ванны двигается сверху вниз и мы наблюдаем вогнутость.

а б

Рисунок 6.28. Форма миниска при прямой (а) и при обратной (б) циркуляции металла

Индукционная тигельная печь с электромагнитным вращателем позволяет регулировать скорость циркуляции жидкого металла в большом диапазоне, а также осуществлять ее реверсирование, и может использоваться для рафинирования многокомпонентных расплавов.

4. Схема подключения индукционной тигельной печи к источнику однофазного напряжения

Изобретение относится к металлургии, в частности к индукционным тигельным печам-миксерам.

Известна одночастотная индукционная тигельная печь, содержащая тигель, индуктор, рабочая часть которого состоит из основной однофазной катушки и дополнительных катушек питаемых током, фаза которого отстает на 15-90 электрических градусов от фазы тока в основной катушке. [ * ]

Однако известная печь предъявляет высокие требования к источнику питания и имеет низкий коэффициент мощности , что удорожает стоимость установки в целом.

Цель изобретения – повышение коэффициента мощности при эффективной циркуляции металла в печи – миксера от однофазного источника питания.

На фиг.1 изображен эскиз одночастотной индукционной тигельной печи; на фиг.2 представлена электрическая схема замещения печи; на фиг.3 – векторная диаграмма токов и напряжений.

Фиг.1 Эскиз одночастотной индукционной тигельной печи

Фиг.2 Электрическая схема замещения тигельной печи-миксера.

Фиг.3 Векторная диаграмма токов и напряжений.

Индукционная тигельная печь – миксер состоит из тигля 1, основной катушки 2 и дополнительной катушки 3, выполненной в виде двух секций соединенных последовательно и встречно. Количество витков в секциях дополнительной катушки 3 неодинаково, поэтому между основной и дополнительной катушками существует индуктивная связь. Дополнительная катушка 3 соединенная с конденсатором 4 образуют короткозамкнутый контур, а основная катушка 2 с последовательно подключенным конденсатором 5 подключены к зажимам однофазного переменного напряжения (здесь и далее точкой обозначены комплексные величины).

Индукционная тигельная печь – миксер работает следующим образом.

При подключении последовательного контура с основной обмоткой 2 и конденсатором 5 к источнику напряжения, в основной катушке возникает переменный электрический ток, который создает переменный магнитный поток, пронизывающий витки дополнительной катушки 3. Так как числа витков встречно включенных секций дополнительной катушки неодинаково, в последней возникает электрический ток, создающий переменный поток.

В точках плоскости (на фиг.1) направления магнитных потоковиперпендикулярны.

Сдвинутые в пространстве и во времени магнитные потоки иобразуют вращающееся магнитное поле, которое приводит расплавленный металл во вращательное движение по всей окружности тигля в плоскости.Вращающий момент имеет максимальное значение при условии, что величина фазовый сдвиг между магнитными потоками и составляет величину .

Для определения соотношений между параметрами элементов электрической цепи, позволяющих получить фазовый сдвиг , запишем уравнения для двух индуктивно связанных контуров по закону Кирхгофа в комплексной форме (фиг.2)

; (1)

. (2)

Здесь ;;- активные сопротивления, индуктивности и емкости контуров;-взаимная индуктивность между основной и дополнительной катушками;- угловая частота питающего напряжения.

Зная индуктивности основной и дополнительнойкатушек, емкости конденсаторов 4 и 5 должны удовлетворять условиям

;. (3)

В этом случае из уравнений (1) и (2) имеем

; (4)

. (5)

При выполнении условия , выражения (4) и (5) преобразуются к виду

;.

Уравнениям (1) и (2), при соблюдении описанных выше условий соответствует векторная диаграмма токов и напряжении представленная на фиг.3.

Как следует из векторной диаграммы ток отстает по фазе от токана, следовательно такой же фазовый сдвиг имеют магнитные потокии, что обеспечивает максимальный вращающий момент расплава.

Токсовпадает по фазе с напряжением сети, следовательно электрическая цепь работает в режиме резонанса, потребляет из сети только активную мощность и коэффициент мощности установки.

15