DE19954452A1 - Verfahren zur Einstellung der Kraftdichte beim induktiven Rühren und Fördern sowie Induktoren zum induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Kraftdichte beim induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten sowie Induktoren zum induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten, welche auf verbesserte Weise die Einstellung der Kraftdichte beim induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten ermöglichen. Nach einer ersten Variante der Erfindung wird dies durch den Einsatz einer Vorrichtug erreicht, die einen Induktor mit mindestens zwei magnetisch nicht gekoppelten Wicklungen (U1-Z1; U2-Z2) auf einem gemeinsamen Blechpaket (B) aufweist, bei dem für das Rühren oder Fördern von den mindestens zwei Wicklungen erzeugte Magnetfelder entsprechend einer gewünschten Kraftdichteverteilung aufeinander abgestimmt separat eingestellt werden durch Variation der Parameter des in die jeweilige Wicklung eingespeisten Stroms.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Einstellung der Kraftdichte beim induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten sowie Induktoren zum induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind aus der Praxis für einer Vielzahl von Anwendungsbereichen bekannt. So wird induktives Rühren beispielsweise beim Stranggießen von Stählen mit oder ohne Tauchrohrbetrieb eingesetzt oder in Lichtbogenöfen für Stahlschmelzen. Induktives Fördern wird zum Transport von flüssigen Metallen mit geneigten Induktions-Förderrinnen verwendet.

Die elektrisch leitenden Flüssigkeiten befinden sich dabei jeweils in einer erstarrten Außenschale, einem Gehäuse oder einer Förderrinne, die sich in dem Einflußbereich eines Induktors befinden. Der Induktor erzeugt mittels stromdurchflossener, in die Nuten eines Blechpakets eingebetteter Spulen in der Flüssigkeit ein Magnetfeld. Es kann sich dabei um ein Drehfeld handeln, wenn die Spulen um das Gehäuse herum mit Spulenebenen parallel zur Achse des Gehäuses angeordnet sind, oder um ein Wanderfeld, wenn die Spulenebenen entweder parallel zur Ebene der Rinne angeordnet sind oder normal zur Gehäuseachse liegen, beispielsweise wenn die Spulen um das Gehäuse gewickelt sind. Die durch das Magnetfeld auf die Flüssigkeit einwirkenden Kräfte bewirken dann je nach Spulenanordnung eine Rotationsbewegung der Flüssigkeit um die Gehäuseachse oder eine Translationsbewegung in Richtung der Rinnenebene oder der Gehäuseachse. Die Einstellung der Kraftdichte kann über eine Variation der Frequenz oder der Amplitude des Stroms, der in die Spulen eingespeist wird, erfolgen. Von Bedeutung ist dabei zum einen die resultierende Geschwindigkeit der elektrisch leitenden Flüssigkeit und zum anderen die Dicke des Randbereiches der Flüssigkeit, in dem die Kraftdichte eine Wirkung hervorruft.

Zur Erzielung eines optimalen Ergebnisses existieren für verschiedene Anwendungen unterschiedliche Anforderungen an die Bewegungen in den einzelnen Bereichen der elektrisch leitenden Flüssigkeit und somit an die Kraftdichteverteilung durch das erzeugte Magnetfeld.

So erfordert das Stranggießen von Stählen mit Tauchrohrbetrieb, daß beim induktiven Rühren des Flüssigkerns die Rührintensität im Bereich des Badspiegels begrenzt ist, damit das Abdeckpulver nicht in die Schmelze eingerührt wird und der Verschleiß des Tauchrohrs gering gehalten wird. In "von Starck, A., Gerbig, H.-E.: Zum Stand des elektromagnetischen Rührens von Stahlstrangguß, elektrowärme international 50 (1992) G4, S. B317-B321" wird zu diesem Zweck vorgeschlagen, den Rührinduktor gegenüber der Kokille nach unten zu verschieben. Hierdurch wird jedoch das schnelle Abkühlen des flüssigen Stahls innerhalb der Kokille beeinträchtigt.

Das induktive Rühren in Lichtbogenöfen für Stahlschmelzen geht einher mit einem Verschleiß der feuerfesten Zustellung durch die Badbewegung ("Elektrowärme, Theorie und Praxis. Herausgegeben von der Union Internationale d'Electrothermie (UIE) Paris. Essen: Verlag W. Girardet, 1974"), der ebenfalls möglichst gering gehalten werden sollte.

Bei dem in "von Starck, A: Das Eldomet-Verfahren: Induktives Fördern und Dosieren flüssiger Metalle, elektrowärme international 28 (1970) Heft 4, S. 207-212" beschriebenen Transport von flüssigen Metallen mit geneigten Induktions- Förderrinnen stellt sich eine ungleichmäßige, nachteilige Geschwindigkeitsverteilung im Rinnenquerschnitt ein: In der Mitte fließt das Flüssigmetall bergauf und an den beiden seitlichen inneren Rinnenwänden bergab ("Pesteanu, O.: Simulation of Turbulent Molten Metal Flow in Electromagnetic Field. Fortschr.-Ber. VDI, Reihe 7, Nr. 237, Düsseldorf: VDI-Verlag, 1994"). Die Geschwindigkeit im Mittenbereich ist dabei bei Rinnen mit größeren Steigungswinkeln größer. Der maximal zulässige Steigungswinkel beträgt ungefähr 18°, da oberhalb dieses Winkels die Mittengeschwindigkeit mit über 1,5 m/s zu groß wird. Somit müssen in Gießereien verhältnismäßig lange Förderrinnen verwendet werden, die maximal mit 18° geneigt sind. Eine ähnliche Geschwindigkeitsverteilung und damit ein ähnliches Problem tritt auch im Kanalquerschnitt von Induktionspumpen auf, da auch bei diesen die elektromagnetische Förderkraftdichte in der Kanalmitte den größten Wert hat und an den seitlichen Rändern null ist.

Für elektrisch leitende Flüssigkeiten, insbesondere für metallische Schmelzen, ist aus der DE 35 27 387 A1 ein Rühr- bzw. Förderverfahren mit zwei oder mehreren elektromagnetischen Feldern bekannt, die eine unterschiedliche Polteilung oder Polpaarzahl haben und sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in unterschiedlicher Richtung bewegen. Um dies zu erreichen, wird die Rühr- oder Fördereinrichtung mit einem Drehstrom betrieben, der sich aus Überlagerung von Drehströmen mit unterschiedlicher Frequenz und unterschiedlicher Drehrichtung ergibt. Gemäß "Spitzer, K.-H., Reiter, G., Schwerdtfeger, K.: Volume Force Design in Liquid Metals by Multifrequency Electromagnetic Stirring. Int. Symposium on Electromagnetic Processing of Materials, Nagoya, Japan 1994, Proc., S. 178-183" werden hierbei zum Speisen eines zweipoligen Induktors mit drei Strömen zwei symmetrische dreiphasige Systeme mit verschiedenen Frequenzen, z. B. 20 und 600 Hz, überlagert. Bei dieser Mehrfrequenz-Speisung ist es jedoch erforderlich, einen speziellen Umformer zu verwenden. Außerdem kann beim Rühren des flüssigen Kerns von Stahlsträngen die höhere, verhältnismäßig große Frequenz, z. B. 600 Hz, das unmagnetische Stahlgehäuse des Rührers, die Kupferkokille und die erstarrte Strangschale praktisch nicht durchdringen. Zusätzlich führt sie zu großen Eisenverlusten im Induktor.

Auf dem Gebiet des Stranggießens wurde zur Strömungsregelung im Bereich der freien Oberfläche in "Beitelman, L., Mulcahy, J. A.: Flow Control in the Meniscus of Continuous Casting Mold with an Auxiliary A. C. Magnetic Field. Int. Symposium an Electromagnetic Processing of Materials, Nagoya, Japan 1994, Proc., S. 235-241" bzw. "Ohsaki, H., Henneberger, G.: Numerische Berechnung des elektromagnetischen Linearfeldrührens in der Kokille eiener Stahlstranggießanlage, elektrowärme international 51 (1993) B4, S. B167-B174" vorgeschlagen, über dem Hauptrührer einen zweiten Rührinduktor mit gegenläufig oder gleichgerichtet wirkendem magnetischen Dreh- oder Wanderfeld einzusetzen. Ausführliche industrielle Untersuchungen ("Kunstreich, S., Nove, M. C., Yves, D., Courths, W., Korte, E.: In Mold Double Stirring System in Continuous Casting: Effect of Two Conter Rotating Magnetic Fields. Electromagnetic Processing of Materials Int. Congress, Paris 1997, Proc. Vol. 2, S. 355- 365") zeigten jedoch, daß bei Bremsung der horizontalen Strömung aufgrund der starken vertikalen Nebenströmungen eine hohe Instabilität der freien Oberfläche auftritt, und daß sich die Innenqualität des Knüppelstrangs infolge der verringerten Abkühlung des Flüssigstahls in der Kokille verschlechtert.

Insgesamt wird ersichtlich, daß bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen die Kraftdichteverteilung in den Flüssigkeiten noch nicht optimal den Erfordernissen entsprechend einstellbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Verfahren zur Einstellung der Kraftdichte beim induktiven Rühren und Fördern elektrische leitender Flüssigkeiten und Induktoren zum induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten mit verbesserter Einstellbarkeit der Kraftdichte zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe wird nach einer ersten Variante zum einen gelöst durch ein Verfahren zur Einstellung der Kraftdichte beim induktiven Rühren oder Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten mittels einer Vorrichtung, die einen Induktor mit mindestens zwei magnetisch nicht gekoppelten Wicklungen auf einem gemeinsamen Blechpaket aufweist, bei dem für das Rühren oder Fördern von den mindestens zwei Wicklungen erzeugte Magnetfelder entsprechend einer gewünschten Kraftdichteverteilung aufeinander abgestimmt separat eingestellt werden durch Variation der Parameter des in die jeweilige Wicklung eingespeisten Stroms.

Nach der ersten Variante wird die Aufgabe zum anderen durch einen Induktor einer Vorrichtung zum induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten in einem Gehäuse gelöst, der ein Blechpaket umfaßt, wobei auf dem Blechpaket mindestens zwei magnetisch nicht gekoppelter Wicklungen zum Erzeugen von das Rühren oder Fördern bewirkenden Magnetfeldern angebracht sind, deren Polpaarzahlenverhältnis oder Polteilungslängenverhältnis eine gerade Zahl oder der Umkehrwert einer geraden Zahl ist.

Nach einer zweiten Variante der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Einstellung der Kraftdichte beim induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten mittels eines magnetischen Dreh- oder Wanderfeldes gelöst, bei dem die Kraftdichteanteile der Grundwelle und der Oberwellen des Magnetfeldes aufeinander abgestimmt geregelt werden.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gemäß der zweiten Variante beispielsweise durch einen Induktor einer Vorrichtung zum induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten gelöst, der eine gerade Anzahl fortlaufend numerierter Spulen aufweist, wobei die Spulen mit geraden Ordnungszahlen und die Spulen mit ungeraden Ordnungszahlen jeweils dreisträngig mit zwei symmetrischen Drehströmen unterschiedlich einstellbarer Amplituden speisbar sind.

Schließlich wird die Aufgabe gemäß einer dritten Variante der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Einstellung der Kraftdichte beim induktiven Rühren oder Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten mittels einer Vorrichtung, die einen Induktor mit mindestens einer polumschaltbaren Wicklung umfaßt, das die folgenden Schritte umfaßt:

• - periodisches Umschalten der mindestens einen polumschaltbaren Wicklung des Induktors;
• - wiederholte polpaarzahlvariierende Änderung der Netzspeisungsdauer zur Einstellung eines gewünschten zeitlichen Mittelwerts der erzeugten Kraftdichteverteilung.

Der gemeinsame, in den verschiedenen Varianten verwirklichte Grundgedanke der Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß in einer elektrisch leitenden Flüssigkeit Magnetfelder mit unterschiedlichen Verteilungen der Kraftdichte und unterschiedlichen Wirkrichtungen erzeugt werden können. Insbesondere haben Magnetfelder mit verschiedenen Polpaarzahlen p bzw. Polteilungslängen τ eine unterschiedliche Verteilung der Kraftdichte in der Flüssigkeit. Je größer die Polpaarzahl bzw. je kleiner die Polteilungslänge ist, desto geringer ist die Eindringtiefe in die Flüssigkeit. Beim Rotationsrühren wird also mit der Polpaarzahl bzw. der Polteilungslänge die Dicke des äußeren Randbereichs, in dem die Kraft wirkt, und beim Linearrühren und Fördern die Dicke der induktornächsten Schmelzenschicht festgelegt, in der die Kraft wirkt. Sind dabei mindestens zwei Magnetfelder unabhängig voneinander einstellbar, so kann durch Überlagerung der Magnetfelder ein auf die jeweiligen Erfordernisse abgestimmtes Gesamtfeld erzeugt werden.

Gemäß der ersten Variante der Erfindung werden von einem Induktor, der mit mehreren Wicklungen versehen ist, mehrere überlagerte Magnetfelder erzeugt. Da die Wicklungen magnetisch nicht gekoppelt sein sollen, können die erzeugten Kraftdichten unabhängig voneinander eingestellt werden. Die magnetische Unabhängigkeit der Wicklungen wird dadurch erreicht, daß das Verhältnis der Polpaarzahlen der verschiedenen Wicklungen eine gerade Zahl bzw. der Umkehrwert einer geraden Zahl ist, da in diesem Fall der von einer Wicklung erzeugte magnetische Fluß in einem Strang einer anderen Wicklung null ist. Die Wicklungen werden mehr- oder einphasig mit derselben oder mit verschiedenen Frequenzen oder mit Gleichstrom gespeist. Für eine Speisung mit verschiedenen Frequenzen können gewöhnliche Umformer eingesetzt werden, da keine Beeinflussung zwischen den Umformern durch die Wicklungen gegeneinander erscheint. Die Windungszahlen und Leiterquerschnitte der nicht gekoppelten Wicklungen können optimal für die entsprechenden Polpaarzahlen bzw. Polteilungslängen, Speisespannungen und Frequenzen ausgelegt werden.

In der zweiten Variante erfolgt die Einstellung der Kraftdichteverteilung durch die Einstellung der Grundwelle und der Oberwellen eines Magnetfeldes, das zum Rühren oder Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten eingesetzt wird. Eine Mehrphasenwicklung erzeugt ein Magnetfeld, welches sich aus einer Grundwelle und aus mit- und gegenläufigen Oberwellen zusammensetzt. Da die Grundwelle und die Oberwellen unterschiedliche Polteilungslängen aufweisen, haben sie außerdem verschieden weite Einflußbereiche in der Flüssigkeit. Die Grundwelle mit der höheren Polteilungslänge dringt bei gleicher Amplitude weiter in die Flüssigkeit ein. Bei entsprechender Abstimmung von Grundwelle und Oberwellen aufeinander kann somit die Kraftdichteverteilung in der elektrisch leitenden Flüssigkeit je nach Bedarf eingestellt werden.

Die dritte Variante der Erfindung basiert auf einem Induktor mit mindestens einer polumschaltbaren Wicklung, die beispielsweise mit einer Dahlander-Schaltung oder mit einer Wicklung mit Pol-Amplituden Modulation realisiert werden kann. Zur Einstellung der Kraftdichteverteilung wird zum einen die polumschaltbare Wicklung periodisch umgeschaltet, wodurch jeweils auf die Flüssigkeit Kräftedichten mit unterschiedlicher Verteilung entsprechend den unterschiedlichen Polpaarzahlen ausgeübt werden. Zum anderen wird die Netzeinspeisungsdauer der Schaltungen so geregelt, daß sich verschiedene Mittelwerte der Kräftedichten der Felder mit verschiedenen Polpaarzahlen ergeben, wodurch die mittlere Eindringtiefe des Kraftfelds in die Flüssigkeit gesteuert wird. Die Kombination der beiden Maßnahmen erlaubt die Steuerung der erzeugten elektromagnetischen Kraftdichte im zeitlichen Mittel. Es handelt sich also auch hier in gewissem Sinne um die "Überlagerung" von zwei Magnetfeldern mit unterschiedlichen Polpaarzahlen, die aber zeitlich versetzt auftreten, so daß der Effekt der "Überlagerung" in dem sich ergebenden zeitlichen Mittelwert zum Tragen kommt.

Durch die drei Varianten der Erfindung lassen sich die oben aufgeführten Nachteile der bekannten Induktoren und Verfahren vermeiden.

So können beim Stranggußverfahren mittels der einstellbaren elektromagnetischen Kraftdichte verschiedene metallurgisch anwendbare Geschwindigkeitsverteilungen im flüssigen Stranginneren erzeugt werden, welche z. B. beim Tauchrohrguß zu einer begrenzten Rührbewegung im inneren Badspiegelbereich oder zu einer Verringerung der weißen Bänder aufgrund der Erzeugung von kleineren Geschwindigkeiten vor der Erstarrungsfront führen können. Turbulenzen an der Oberfläche können effektiv unterdrückt werden bei gleichzeitiger Gewährleistung einer guten Abkühlung des Flüssigstahls in der Kokille.

Beim elektromagnetischen Umrühren in Lichtbogenöfen kann die regelbare elektromagnetische Kraftdichte am Rand des Flüssigmetalls kleiner eingestellt werden, so daß ein geringerer Mehrverschleiß des Herdes und der Ofenausmauerung erzielt wird.

Beim induktiven Transport von Flüssigmetallen mit elektromagnetisch betriebenen Förderrinnen oder Pumpen wird es ermöglicht, durch Vermischung der Fluidschichten mit verschiedenen Geschwindigkeiten zu einer gleichmäßigeren Geschwindigkeitsverteilung über dem Rinnen- oder Kanalquerschnitt zu gelangen, wodurch kürzere Förderrinnen mit größeren Steigungswinkeln zum Einsatz kommen können.

Vorteilhaft Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Regelung von Grund- und Oberwellen des Magnetfeldes bei einem Induktor oder Verfahren gemäß der zweiten Variante der Erfindung kann mittels Einstellung der Frequenz eines eingespeisten Drehstroms erfolgen. Die Polpaarzahl der Oberwelle mit der Ordnungzahl n ist n Mal größer als die Polpaarzahl p der Grundwelle. Das Verhältnis des Kraftdichteanteils der Oberwellen zu dem Kraftdichteanteil der Grundwelle kann durch Änderung der Frequenz eingestellt werden. Bei Erhöhung der Frequenz verkleinert sich nämlich die Amplitude der Grundwelle aufgrund der Reaktion der im Flüssigmetall induzierten Ströme erheblich stärker als die Amplituden der Oberwellen. So überwiegt ab einer bestimmten Frequenz die Kraftdichte der ersten Oberwelle mit n = 5, und weil sie gegenläufig ist, wird die Flüssigkeit in entgegengesetzte Richtung gerührt als dies bei niedrigeren Frequenzen der Fall ist, bei denen der Einfluß der Grundwelle dominiert.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit der Regelung von Grund- und Oberwellen besteht darin, einen dreisträngigen Induktor mit einer geraden Anzahl von fortlaufend numerierten Spulengruppen einzusetzen, bei dem die Spulengruppen mit geraden Ordnungszahlen und die Spulengruppen mit ungeraden Ordnungszahlen mit zwei verschiedenen symmetrischen Drehströmen betrieben werden. Dadurch wird eine durch die Amplitude der eingespeisten Drehströme einstellbare Grundwelle und eine ebenso einstellbare doppelpolige gegenläufige Oberwelle erzeugt.

Werden bei dieser Ausführungsform die Spulengruppen mit geraden und ungeraden Ordnungszahlen zudem periodisch alternierend mit den zwei verschiedenen symmetrischen Drehströmen gespeist, so wird zusätzlich eine gleichmäßigere Verteilung der elektromagnetischen Kraftdichte in der elektrisch leitenden Flüssigkeit erzielt.

Ist eine alternierende Speisung nicht vorgesehen, so können die Spulengruppen, die mit den niedrigeren Drehströmen gespeist werden, mit kleineren Windungszahlen, mit weniger ausgeprägten Polen oder mit Anzapfungen ausgeführt werden.

Die Einstellmöglichkeit der Kraftdichte in ihrem zeitlichen Mittelwert gemäß der dritten Variante der Erfindung wird vorteilhafterweise dadurch verfeinert, daß zusätzlich zu der Variation der Netzspeisungsdauer beim Polumschalten auch der Drehfeldsinn, der Spannungseffektivwert, die Feldintensität und/oder die Frequenz geändert werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung eines Induktors einer beliebigen der drei Varianten der Erfindung weist das Blechpaket des Induktors, auf dem die Wicklungen angebracht sind, geschrägte Nuten auf. Hierdurch haben die durch die Wicklungen erzeugten entgegengesetzten elektromagnetischen Kraftdichten neben den Komponenten in Rühr- oder Förderrichtung zusätzlich Komponenten senkrecht zur Rühr- oder Förderrichtung. Diese zusätzlichen Komponenten der Kraftdichten können bei verschiedenen Abständen bis zum Induktor zusammen mit den Hauptkomponenten entweder gezielt gewünschte entgegengesetzte helikoidale Strömungen erzeugen, oder aber vorhandenen störenden Strömungen entgegenwirken.

Noch komplexere Strömungen können erzeugt werden, indem das Blechpaket des Induktors mit doppelt geschrägte Nuten für die Wicklungen ausgeführt wird. Auf diese Weise können mehrere räumlich abgegrenzte Nebenströmungen bzw. helikoidale Strömungen erzeugt oder störende Strömungen unterdrückt werden. Beim Transport mit elektromagnetischen Pumpen oder mit geneigten Förderrinnen ergibt sich durch die Nebenströmungen aufgrund der resultierenden Vermischung der Flüssigmetallschichten mit verschiedenen Geschwindigkeiten eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung im Kanal- oder Rinnenquerschnitt. Bei Förderrinnen kann zudem eine transportierte Metallschicht mit einer gleichmäßigeren Höhe erzielt werden.

Bei einem Induktor einer Förderrinne mit doppelt geschrägten Nuten sind des weiteren vorteilhafterweise in der Mitte des Blechpakets die Höhe der Zähne verkleinert. Dadurch wird im Rinnenquerschnitt das zentrale Maximum der Förderkraftdichte verringert und es ergibt sich eine noch gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung.

Alternativ zu der Verkleinerung der Zähne im mittleren Bereich eines Blechpakets mit doppelt geschrägten Nuten kann bei einem Induktor einer Förderrinne der Magnetkreis in der Mitte unterbrochen werden, indem das Blechpaket aufgeteilt wird in zwei parallele Blechpakete mit entgegengesetzt einfach geschrägten Nuten. Die Wicklung wird dann in die zwei Blechpakete mit einfach geschrägten Nuten eingebettet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1a eine schematische Teildarstellung eines Rotationsrührers mit einem Induktor gemäß der ersten Variante der Erfindung,

Fig. 1b eine schematische Darstellung der Wicklungen des Induktors aus Fig. 1a,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wicklungen und des Feldverlaufs bei einem Induktor gemäß der zweiten Variante der Erfindung,

Fig. 3 die schematische Darstellung des Strömungsverlaufs bei einem Induktor mit angeschrägten Nuten,

Fig. 4 die schematische Darstellung des Strömungsverlaufs bei einem Induktor mit doppelt angeschrägten Nuten,

Fig. 5a eine Fördervorrichtung mit doppelt angeschrägten Nuten des Induktors und

Fig. 5b eine Fördervorrichtung mit zwei einfach angeschrägten Nuten auf magnetisch unterbrochenen Blechpaketen des Induktors.

In den Fig. 1a und 1b ist ein Induktor eines Rotationsrührers gemäß der ersten Variante der Erfindung schematisch dargestellt.

In Fig. 1a ist als Induktor ein um ein Gehäuse G mit flüssigem Metall F angeordnetes Blechpaket B mit sechs ausgeprägten Polen P zu sehen. Der Induktor weist zwei dreisträngige Wicklungen auf. Hierzu befindet sich auf jeden Pol P anstelle einer einzigen Spule eine innere, unmittelbar auf den Pol gewickelte Spule U1-Z1 und eine äußere, über die innere Spule U1-Z1 gewickelte Spule U2-Z2.

In Fig. 1b sind mit den dickeren, mit U1-Z1 und U2-Z2 bezeichneten Linien die zwei Wicklungen des Induktors angedeutet, die beispielsweise durch Aufteilung der Spulen eines herkömmlichen Rührinduktors erhalten werden können. Die Spulen auf den jeweils entgegengesetzten Polen sind entsprechend der dünneren Linien in Fig. 1b so in Reihe geschaltet, daß die inneren Spulen, beispielsweise U1 und X1, gleichgerichtete magnetische Flüsse und die äußeren Spulen U2 und X2 entgegengesetzte magnetische Flüsse erzeugen, wobei die Flüsse mit Pfeilen symbolisiert sind. Diese Schaltung beseitigt die magnetische Kopplung zwischen den beiden Wicklungen.

Die inneren Spulen erzeugen somit bei Speisung mit einem symmetrischen Drehstrom ein magnetisches Drehfeld mit einer Polpaarzahl von p = 1 im negativen Sinne und die äußeren Spulen ein magnetisches Drehfeld mit p = 2 im positiven Sinne. Die Überlagerung der beiden Felder ergibt die resultierende Kraftdichteverteilung in der Flüssigkeit. Dabei hat das Drehfeld in negativer Richtung aufgrund der kleineren Polpaarzahl eine größere Eindringtiefe in das flüssige Metall, so daß durch Einspeisung von Strömen mit verschiedenen Effektivwerten in die erste und in die zweite Wicklung die Geschwindigkeitsverteilung in der Metallschmelze je nach Bedarf eingestellt werden kann.

Fig. 2 zeigt schematisch die Spulen eines dreisträngigen Rührinduktors gemäß der zweiten Variante der Erfindung, die auf der Beeinflussung von Grund- und Oberwellen eines erzeugten Magnetfeldes basiert. Die Einstellung der Kraftdichte erfolgt in diesem Ausführungsbeispiels mittels Veränderung der Amplituden der Grund- und Oberwellen.

Die Spulen des dreisträngigen Induktors sind fortlaufend von 1 bis 6 numeriert. Die Spulen mit geraden und mit ungeraden Ordnungszahlen werden mit zwei verschiedenen symmetrischen Drehströmen gespeist, die aber die gleiche Frequenz aufweisen. Die Mittelebenen der Spulen der drei Stränge des Induktors sind mit U, V und W bezeichnet. Die Spulen werden vom dreiphasigen Netz von den entsprechenden Phasen U, V und W gespeist.

Werden die Spulen mit einem Drehstrom mit dem Effektivwert I_a so gespeist, daß zwei entgegengesetzte Spulen, z. B. 1 und 4, entgegengesetzte magnetische Flüsse erzeugen, dann erzeugen alle Spulen ein Drehfeld mit p = 2 im positiven Sinn. Werden die Spulen mit einem zweiten Drehstrom mit dem Effektivwert I_b so gespeist, daß die entgegengesetzten Spulen gleichgerichtete Flüsse erzeugen, dann wird ein Drehfeld im negativen Sinne mit p = 1 erzeugt.

Werden nun sämtliche Spulen gleichzeitig mit den beiden Drehströmen gespeist, also die Spulen 1, 3 und 5 mit einem resultierenden Drehstrom mit dem Effektivwert I₁ = I_a + I_b und die Spulen 2, 4, und 6 mit einem resultierenden Drehstrom mit dem Effektivwert I₂ = I_a - I_b, dann erzeugen alle Spulen eine Grundwelle mit p = 1 im negativen Sinne, deren Amplitude proportional zu I_b = (I₁ - I₂)/2 ist. Da die Oberwelle mit der Ordnungszahl n = 2 eines Feldes mit p = 1 die Polpaarzahl np = 2 aufweist, erzeugen die Spulen außerdem eine vierpolige Oberwelle im positiven Sinne, deren Amplitude proportional zu I_a = (I₁ + I₂)/2 ist. Durch Änderung von I₁ und I₂ kann demnach die Verteilung der Kraftdichte eingestellt werden, da die Grundwelle aufgrund der niedrigeren Polpaarzahl einen größeren beeinflußten Randbereich beeinflußt.

Bei Speisung mit zwei Drehströmen, die dieselbe Frequenz haben, erscheinen im Flüssigmetall die größten magnetischen Induktionen immer in den Mittelebenen der mit den größeren Strömen gespeisten Spulen, also hier in den Mittelebenen der Spulen 1, 3, und 5. Um eine gleichmäßigere Verteilung der magnetischen Induktion und somit auch der Kraftdichte zu erhalten, können die Spulen mit geraden und ungeraden Ordnungszahlen periodisch alternierend mit den zwei Drehströmen mit den Effektivwerten 11 und 12 gespeist werden.

Alternativ können Grund- und Oberwellen auch bei einheitlicher Einspeisung durch eine Änderung der Frequenz eingestellt werden.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform der ersten oder zweiten Variante eines Rührers gemäß der Erfindung, bei der die Nuten N des Blechpakets, in denen die Spulen angeordnet sind, einfach geschrägt ausgeführt sind. Der Verlauf einer dieser geschrägten Nuten N ist in der Zeichnung angedeutet.

Der Rührer erzeugt entsprechend den Rührern der Fig. 1a, 1b und 2 zwei entgegengesetzte Drehfelder a und b. Die entsprechenden, senkrecht auf den geschrägten Nuten N wirkenden elektromagnetischen Kraftdichten f_a und f_b haben jedoch außer den horizontalen Rührkomponenten, die die Drehfelder a und b bewirken, auch noch die axialen Komponenten f_az und f_bz. Diese können entweder vertikale Nebenströmungen n antreiben oder vorhandene störende Vertikalströmungen unterdrücken. In Fig. 3 ergibt das Zusammenwirken der Hauptströmungen der Drehfelder a und b mit den durch Pfeile angedeuteten Nebenströmungen n zwei entgegengesetzte helikoidale Strömungen, nämlich eine äußere nach unten gerichtete und eine innere nach oben gerichtete helikoidale (schraubenförmige) Strömung.

Der in Fig. 4 schematisch dargestellte Rührer weist als Weiterentwicklung des Rührers in Fig. 3 doppelt geschrägte Nuten N auf. Auf diese Weise können mehrere und komplexere Nebenströmungen n erzeugt oder mehrere vorhandene störende Strömungen verringert werden.

Fig. 5a zeigt die schematische Darstellung einer elektromagnetisch betriebenen Förderrinne, die zur Horizontalen mit dem Winkel θ geneigt ist. Ein Blechpaket mit Wicklungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes ist unterhalb der Förderrinne angeordnet und weist wiederum doppelt geschrägte Nuten auf. In der Förderrinne befindet sich flüssiges Metall, das mittels des Magnetfeldes angetrieben werden soll.

In dem Querschnitt q der in der Förderrinne geförderten Metallschicht treiben die elektromagnetischen Kräfte aufgrund der geschrägten Nuten auch die Nebenströmungen n an, die durch Vermischung der flüssigen Metallschichten mit verschiedenen Geschwindigkeiten v eine vorteilhafte, gleichmäßigere Förderung des Metalls bewirken.

Um im Rinnenquerschnitt das zentrale Maximum der Förderkraftdichte abzubauen und somit eine kleinere Mittengeschwindigkeit zu erlangen, sind in der Mitte die Höhe der Zähne, die die Nuten N begrenzen, verkleinert ausgeführt.

Wie in Fig. 5a ist auch in Fig. 5b eine schematische Darstellung einer elektromagnetisch betriebenen Förderrinne zu sehen. Um im Rinnenquerschnitt das zentrale Maximum der Förderkraftdichte abzubauen ist hier als Alternative der Magnetkreis in der Mitte unterbrochen ausgeführt. Die Mehrphasenwicklung wird somit in zwei unterhalb der Förderrinne angeordnete, parallele Blechpakete mit einfach geschrägten Nuten N1 und N2 eingebettet.

Claims (15)

1. Verfahren zum Einstellen der Kraftdichte beim induktiven Rühren oder Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten (F) mittels einer Vorrichtung, die einen Induktor mit mindestens zwei magnetisch nicht gekoppelten Wicklungen (U1-Z1; U2-Z2) auf einem gemeinsamen Blechpaket (B) aufweist, bei dem für das Rühren oder Fördern von den mindestens zwei Wicklungen erzeugte Magnetfelder entsprechend einer gewünschten Kraftdichteverteilung aufeinander abgestimmt separat eingestellt werden durch Variation der Parameter des in die jeweilige Wicklung eingespeisten Stroms.

2. Induktor einer Vorrichtung zum induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten (F) in einem Gehäuse (G), der ein Blechpaket (B) umfaßt, wobei auf dem Blechpaket (B) mindestens zwei magnetisch nicht gekoppelter Wicklungen (U1-Z1; U2-Z2) zum Erzeugen von das Rühren oder Fördern bewirkenden Magnetfeldern angebracht sind, deren Polpaarzahlenverhältnis oder Polteilungslängenverhältnis eine gerade Zahl oder der Umkehrwert einer geraden Zahl ist.

3. Verfahren zum Einstellen der Kraftdichte beim induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten mittels eines magnetischen Dreh- oder Wanderfeldes, bei dem die Kraftdichteanteile der Grundwelle und der Oberwellen des Magnetfeldes aufeinander abgestimmt geregelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwelle und die Oberwellen durch Variation der Frequenz geregelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwelle und die Oberwellen geregelt werden, indem bei einem eingesetzten Induktor mit einer gerade Anzahl fortlaufend numerierter Spulen (1, 2, 3, 4, 5, 6) die Spulen mit geraden Ordnungszahlen (2, 4, 6) und die Spulen mit ungeraden Ordnungszahlen (1, 3, 5) jeweils dreisträngig mit zwei symmetrischen Drehströmen unterschiedlich einstellbarer Amplituden gespeist werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulengruppen bestehend aus den Spulen mit geraden Ordnungszahlen (2, 4, 6) und aus den Spulen mit ungeraden Ordnungszahlen (1, 3, 5) periodisch alternierend mit den zwei verschiedenen symmetrischen Drehströmen gespeist werden.

7. Induktor einer Vorrichtung zum induktiven Rühren und Fördern elektrisch leitender Flüssigkeiten, der eine gerade Anzahl fortlaufend numerierter Spulen (1, 2, 3, 4, 5, 6) aufweist, wobei die Spulen mit geraden Ordnungszahlen (2, 4, 6) und die Spulen mit ungeraden Ordnungszahlen (1, 3, 5) jeweils dreisträngig mit zwei symmetrischen Drehströmen unterschiedlich einstellbarer Amplituden speisbar sind.

8. Induktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen, die mit dem symmetrischen Drehstrom geringerer Amplitude gespeist werden, kleinere Windungszahlen, weniger ausgeprägte Pole und/oder Anzapfungen aufweisen.

9. Verfahren zum Einstellen der Kraftdichte beim induktiven Rühren oder Fördern elektrische leitender Flüssigkeiten mittels einer Vorrichtung, die einen Induktor mit mindestens einer polumschaltbaren Wicklung umfaßt, das die folgenden Schritte umfaßt:

• - periodisches Umschalten der mindestens einen polumschaltbaren Wicklung des Induktors;
• - wiederholte polpaarzahlvariierende Änderung der Netzspeisungsdauer zur Einstellung eines gewünschten zeitlichen Mittelwerts der erzeugten Kraftdichteverteilung.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitlichen Mittelwerteinstellung der Kraftdichteverteilung beim Polumschalten zusätzlich der Drehfeldsinn, die Feldintensität und/oder die Frequenz geändert wird.

11. Induktor zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 oder 10.

12. Induktor nach einem der Ansprüche 2, 7, 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechpaket zum Einbetten der Spulen der Wicklungen geschrägte Nuten (N) aufweist.

13. Induktor nach einem der Ansprüche 2, 7, 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechpaket zum Einbetten der Spulen der Wicklungen doppelt geschrägte Nuten (N) aufweist.

14. Induktor zum Längsrühren oder Fördern nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die sich zwischen den geschrägten Nuten (N) befindlichen Zähne des Blechpakets in der Mitte eine geringere Höhe aufweisen.

15. Induktor zum Längsrühren oder Fördern nach einem der Ansprüche 2, 7, 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkreis aus zwei parallelen Blechpaketen mit entgegengesetzt einfach geschrägten Nuten (N1, N2) zum Einbetten der Spulen der Wicklungen gebildet wird.