RU2160653C2

RU2160653C2 - Apparatus for electromagnetic metal casting

Info

Publication number: RU2160653C2
Application number: RU98110522/02A
Authority: RU
Inventors: С.А. Денисов; В.М. Долгих; С.Ю. Хрипченко
Original assignee: Институт машиноведения Уральского отделения РАН; Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН
Priority date: 1998-06-04
Filing date: 1998-06-04
Publication date: 2000-12-20

Abstract

FIELD: metallurgy, namely melt metal casting. SUBSTANCE: apparatus includes vessel for melt metal into which disc chamber with central and lateral openings is immersed. Between said openings disc chamber is embraced by -shaped magnetic circuit. Lateral opening is joined with metal duct which is used for applying electric current to disc chamber. Immersible electrode serves as other pole for electric current supply. Alternating or direct electric current passing between poles of -shaped magnetic circuit in disc chamber creates magnetic field between poles. Lorenz force occurring in the result of interaction of magnetic field and electric current causes rotation of metal. Centrifugal effort causes pressure drop between central and lateral openings, and metal is poured. Such casting procedure does not need additional source of magnetic field. EFFECT: reduced energy consumption, simplified design, enhanced efficiency of apparatus. 2 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для разливки жидкого металла. The invention relates to metallurgy and can be used for casting liquid metal.

Известно устройство по авт. св. СССР N 418265, МКИ B 22 D 39/00, предназначенное для дозированного разлива металла, состоящее из емкости для металла, металлопровода и рабочей ячейки, работающей по принципу магнитогидродинамического насоса и установленной под емкостью для металла. A device according to ed. St. USSR N 418265, MKI B 22 D 39/00, designed for dosed metal spill, consisting of a tank for metal, a metal wire and a working cell, operating on the principle of a magnetohydrodynamic pump and installed under a tank for metal.

Недостатком конструкции является низкая производительность насоса вследствии повышенного гидросопротивления, которое возникает в результате вихревого движения металла в зоне над рабочей ячейкой и обусловленное взаимодействием электрического тока в металле и магнитного поля электромагнита или постоянного магнита, установленного под рабочей ячейкой (в авт. св. N 418265 источник магнитного поля на чертеже не показан). Кроме того, установка источника магнитного поля усложняет конструкцию и увеличивает ее габариты. The design drawback is the low pump capacity due to increased hydroresistance, which occurs as a result of the vortex movement of the metal in the area above the working cell and due to the interaction of the electric current in the metal and the magnetic field of the electromagnet or permanent magnet installed under the working cell (in auth. St. N 418265 source magnetic field is not shown in the drawing). In addition, the installation of a magnetic field source complicates the design and increases its dimensions.

Наиболее близким по конструкции и достигаемому техническому результату и выбранное за прототип является устройство для электромагнитной разливки металла по авт. св. СССР N 1405963, МКИ B 22 D 39/00, содержащее емкость для разливки металла, в которой расположена дисковая камера с центральным и боковым отверстиями. Соосно центральному отверстию установлен заборный патрубок, а к боковому отверстию подключен металлопровод. Под дисковой камерой установлен источник магнитного поля. The closest in design and technical result achieved and selected for the prototype is a device for electromagnetic metal casting according to ed. St. USSR N 1405963, MKI B 22 D 39/00, containing a container for casting metal, in which there is a disk chamber with a central and side holes. An intake pipe is installed coaxially with the central hole, and a metal wire is connected to the side hole. A magnetic field source is installed under the disk chamber.

Недостатком конструкции является то, что применение источника магнитного поля под дисковой камерой усложняет конструкцию и вызывают следующие негативные факторы:
1. При использовании в качестве источника магнитного поля постоянного магнита практически невозможно достичь индукции магнитного поля в камере более 0,1 T, даже если магнит расположить непосредственно под камерой, так как магнитная система имеет большой немагнитный зазор, величина которого определяется диаметром дисковой камеры. Так как расход перекачиваемого металла пропорционален току (величина которого не может быть чрезмерно большой) и величина магнитной индукции, то производительность установки будет невелика. Кроме того, в этом случае рабочий ток может быть только постоянным, что предполагает установку сильноточного выпрямителя. В целом конструкция усложняется и возрастает ее себестоимость.The disadvantage of the design is that the use of a magnetic field source under the disk chamber complicates the design and cause the following negative factors:
1. When using a permanent magnet as a magnetic field source, it is practically impossible to achieve magnetic field induction in the chamber of more than 0.1 T, even if the magnet is located directly below the chamber, since the magnetic system has a large non-magnetic gap, the magnitude of which is determined by the diameter of the disk chamber. Since the flow rate of the pumped metal is proportional to the current (the value of which cannot be excessively large) and the magnitude of the magnetic induction, the productivity of the installation will be small. In addition, in this case, the operating current can only be constant, which involves the installation of a high-current rectifier. In general, the design is complicated and its cost is increasing.

2. При использовании в качестве источника магнитного поля электромагнита требуется дополнительный расход электроэнергии. 2. When using an electromagnet as a source of magnetic field, additional energy consumption is required.

3. При разливке жидких металлов с температурой 200^oC и более источник магнитного поля должен быть вынесен за пределы емкости для металла. В этом случае снижается величина индукции в дисковой камере и следовательно снижается производительность установки. Особенно это проявляется при использовании электромагнитов переменного тока, где за счет вихревых токов в стенках емкости для металла и в самом металле будет иметь место быстрое затухание магнитного поля в функции расстояния от электромагнита. Расстояние между источником магнитного поля и дисковой камерой должно быть минимально возможным, что определяет местоположение дисковой камеры непосредственно на дне емкости для металла и таким образом становится невозможным выбирать зону забора металла исходя из технологических соображений, например, устанавливать дисковую камеру в зоне, где после отстоя имеет место наиболее чистый металл. Тогда как, например, при разливке магния в донной части происходит осаждение различных примесей, которые не должны перемешиваться с металлом.3. When casting liquid metals with a temperature of 200 ^o C or more, the source of the magnetic field must be moved outside the tank for metal. In this case, the magnitude of the induction in the disk chamber is reduced and, consequently, the productivity of the installation is reduced. This is especially evident when using AC electromagnets, where due to the eddy currents in the walls of the metal container and in the metal itself, there will be a rapid attenuation of the magnetic field as a function of the distance from the electromagnet. The distance between the magnetic field source and the disk chamber should be as small as possible, which determines the location of the disk chamber directly at the bottom of the metal container and thus it becomes impossible to select the metal intake zone based on technological considerations, for example, to install the disk camera in the area where the place is the purest metal. Whereas, for example, during the casting of magnesium in the bottom, various impurities are deposited, which should not be mixed with the metal.

4. Вращение металла, обусловленное взаимодействием магнитного поля вне камеры и рабочего тока, а также наличие патрубка на центральном отверстии увеличивает гидравлическое сопротивление. Кроме того, перемешивание металла, возникающее из-за взаимодействия поля вне камеры и рабочего тока, делает невозможным отстой с целью получения чистого металла. 4. The rotation of the metal due to the interaction of the magnetic field outside the chamber and the operating current, as well as the presence of a nozzle at the central hole increases the hydraulic resistance. In addition, the mixing of the metal, resulting from the interaction of the field outside the chamber and the operating current, makes it impossible to sediment in order to obtain pure metal.

5. За счет взаимодействия магнитного поля с вращающимся металлом внутри дисковой камеры возникает сила, тормозящая вращение металла, что снижает производительность установки. 5. Due to the interaction of the magnetic field with the rotating metal inside the disk chamber, a force arises that inhibits the rotation of the metal, which reduces the performance of the installation.

Задачей изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, а именно упрощение конструкции, увеличение ее надежности и производительности. The objective of the invention is to remedy the above disadvantages, namely, simplifying the design, increasing its reliability and performance.

Указанная задача решается тем, что устройство, содержащее емкость для металла с центральным отверстием и боковым отверстием, соединенным с металлопроводом, снабжено П-образным магнитопроводом, охватывающим дисковую камеру в области между центральным (входным) и боковым (выходным) отверстиями. В этом случае становится возможна разливка металла без применения дополнительных источников магнитного поля, а дисковая камера может быть установлена в любом месте емкости для металла. This problem is solved in that the device containing a container for metal with a central hole and a side hole connected to the metal wire is equipped with a U-shaped magnetic circuit that encloses the disk chamber in the region between the central (input) and side (output) openings. In this case, it becomes possible to cast metal without the use of additional sources of magnetic field, and a disk chamber can be installed anywhere in the tank for metal.

Разливка металла основана на использовании силы Лоренца, возникающей в результате взаимодействия рабочего тела, протекающего по металлу, и магнитного поля между полюсами П-образного магнитопровода, которое возбуждается непосредственно этим же рабочим током. Таким образом, не требуется дополнительного источника магнитного поля, соответственно не требуется дополнительный источник питания, сокращается расход энергии, упрощается конструкция в целом. При этом рабочий ток может быть как постоянным, так и переменным. Metal casting is based on the use of the Lorentz force resulting from the interaction of the working fluid flowing through the metal and the magnetic field between the poles of the U-shaped magnetic circuit, which is excited directly by the same working current. Thus, an additional source of magnetic field is not required; accordingly, an additional power source is not required, energy consumption is reduced, and the design as a whole is simplified. In this case, the working current can be either constant or variable.

На фиг. 1 показан разрез установки электромагнитной разливки металла. На фиг. 2 показан вид дисковой камеры сверху. In FIG. 1 shows a section of an electromagnetic casting plant. In FIG. 2 shows a top view of a disk camera.

Устройство для электромагнитной разливки металла содержит тигель 1, установленный внутри теплоизолированного кожуха 2. Дисковая камера 3 с магнитопроводом 4 и металлопроводом 5 установлена в тигле 1. Для подвода рабочего тока к дисковой камере используется электрод 6, выполненный в виде трубы, другим полюсом служит металлопровод 5, установленный внутри электрода 6. Магнитопровод 4 охватывает дисковую камеру в области между центральным и боковым отверстиями. A device for electromagnetic metal casting contains a crucible 1 installed inside a thermally insulated casing 2. A disk chamber 3 with a magnetic circuit 4 and a metal wire 5 is installed in the crucible 1. To supply the working current to the disk chamber, an electrode 6 made in the form of a pipe is used, the metal wire 5 serves as the other pole mounted inside the electrode 6. The magnetic core 4 covers the disk chamber in the area between the Central and side holes.

Устройство работает следующим образом. Включается рабочий ток I (переменный или постоянный), протекающий по контуру: электрод 6, металл вне камеры, центральное отверстие дисковой камеры 3, горизонтальный участок дисковой камеры 3, металлопровод 5. Рабочий ток I в дисковой камере, протекал между полюсами П-образного магнитопровода 4, создает магнитное поле B, направленное от одного полюса к другому. В результате взаимодействия рабочего тока I и магнитного поля B возникает сила Лоренца F, величина которой пропорциональна их произведению. Эта сила приводит металл к вращению с угловой частотой ω и центробежные силы создают перепад давления между центральным и боковым отверстиями. The device operates as follows. Turns on the operating current I (alternating or constant) flowing along the circuit: electrode 6, metal outside the chamber, the central hole of the disk chamber 3, the horizontal section of the disk chamber 3, metal wire 5. The working current I in the disk chamber flowed between the poles of the U-shaped magnetic circuit 4, creates a magnetic field B directed from one pole to another. As a result of the interaction of the working current I and the magnetic field B, the Lorentz force F arises, the magnitude of which is proportional to their product. This force causes the metal to rotate with an angular frequency ω and centrifugal forces create a pressure differential between the central and lateral openings.

Вследствие того, что магнитное поле концентрируется между полюсами магнитопровода, то тормозящая сила, вызванная взаимодействием магнитного поля и вращающегося металла в камере, имеет место только в области магнитопровода, а не во всем объеме камеры как в прототипе. Это повышает производительность установки. За пределами магнитопровода поле не велико и, следовательно, не возникает заметного вращения металла за пределами камеры, что также повышает производительность установки (снижается гидравлическое торможение, отпадает необходимость в патрубке на центральном отверстии), а также не перемешивается металл после отстоя. Due to the fact that the magnetic field is concentrated between the poles of the magnetic circuit, the braking force caused by the interaction of the magnetic field and the rotating metal in the chamber takes place only in the magnetic circuit region, and not in the entire chamber volume as in the prototype. This improves installation performance. Outside the magnetic circuit, the field is not large and, therefore, there is no noticeable rotation of the metal outside the chamber, which also increases the productivity of the installation (hydraulic braking is reduced, there is no need for a pipe at the central hole), and the metal does not mix after settling.

Дисковая камера может быть установлена в любом месте емкости для металла и ее местоположение может определяться технологическими соображениями (получение наиболее чистого металла, наиболее однородного сплава и т.д.). A disk chamber can be installed anywhere in the metal container and its location can be determined by technological considerations (obtaining the purest metal, the most uniform alloy, etc.).

Установка может длительно разливать металл с температурой до 90^oC, что достаточно для разливки таких цветных металлов как алюминий, магний, цинк, олово, свинец и др. Верхняя тепловая граница определяется точкой Кюри материала магнитопровода; так сплавы 49К2Ф и 65К имеют точку Кюри - 980^oC, 18КХ - 930^oC, 27КХ - 940^oC. При выполнении магнитопровода из кобальта эта температура может быть поднята до 1000 - 1100^oC. Разливка металлов с большой температурой возможна при использовании принудительного охлаждения магнитопровода.The installation can pour metal for a long time up to a temperature of 90 ^o C, which is sufficient for casting non-ferrous metals such as aluminum, magnesium, zinc, tin, lead, etc. The upper thermal boundary is determined by the Curie point of the magnetic core material; for example, 49K2F and 65K alloys have a Curie point of 980 ^o C, 18KX - 930 ^o C, 27KX - 940 ^o C. When a magnetic core is made of cobalt, this temperature can be raised to 1000 - 1100 ^o C. Metal casting with a high temperature is possible when using forced cooling of the magnetic circuit.

Была изготовлена и испытана опытная лабораторная установка. В качестве разливаемого металла был использован сплав галлия. При рабочем токе 1140 A установка развивала давление 16800 Па (0,168 атм), при токе 5000 A - 320000 Па (3,2 атм). При этих токах был получен максимальный расход соответственно 1,37 и 26,1 тонн в час. Давление и расход плавно регулировались путем изменения величины рабочего тока. Максимальная полная потребляемая мощность не превышала 8 кВА. Внутренний диаметр дисковой камеры 80 мм. При увеличении диаметра камеры производительность устройства возрастает. An experimental laboratory setup was manufactured and tested. As the cast metal, a gallium alloy was used. At a working current of 1140 A, the installation developed a pressure of 16800 Pa (0.168 atm), at a current of 5000 A - 320,000 Pa (3.2 atm). With these currents, a maximum flow rate of 1.37 and 26.1 tons per hour was obtained. Pressure and flow rate were continuously adjusted by changing the operating current. The maximum total power consumption did not exceed 8 kVA. The inner diameter of the disk chamber is 80 mm. As the diameter of the chamber increases, the productivity of the device increases.

Claims

A device for electromagnetic casting of metal, containing a container for metal and a disk chamber located in the container with a central hole and a side hole connected to the metal wire, characterized in that it is provided with a U-shaped magnetic circuit covering the disk chamber in the region between the central and side holes.