Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор публикаций по устройствам электромагнитных перемешивателей и методам их математического моделирования 11
1.1 Основные характеристики качества алюминиевых слитков 11
1.2 Способы повышения качества слитков из алюминиевых сплавов 14
1.3 Устройства электромагнитных перемешивателей жидкой сердцевины слитков 25
1.4 Методы математического моделирования электромагнитного перемешивания 41
1.5 Постановка задачи исследования и разработки индукционного перемешлвс-теля 45
1.6 Выводы 48
2 Математическое моделирование электромагнитных процессов в слитке методом интегральных преобразований 50
2.1. Постановка задачи и основные допущения 50
2.2. Анализ электромагнитных процессов методом конечного интегрального преобразования 54
2.3. Анализ электромагнитных процессов методом бесконечного интегральною преобразования 57
2.4. Дифференциальные и интегральные характеристики электромагнитных процессов в слитке 67
2.5.Выводы 81
3. Математическая модель системы индуктор - слиток на основе метода дискретизации свойств сред 82
3.1. Постановка задачи и основные допущения 82
3.2. Общее описание метода дискретизации свойств сред 84
3.3. Двухмерная модель системы индуктор-слиток 89
3.4. Дифференциальные и интегральные характеристики системы индуктор-слиток 96
3.5. Выводы 103
4. Физическое моделирование, сравнение теоретических и экспериментальных данных 108
4.1. Постановка задачи и общие требования 108
4.2. Физическое моделирование электромагнитных и гидродинамических процессов, сравнение экспериментальных и расчетных данных 111
4.3. Рекомендации для проектирования индукционного перемешивателя 120
4.4. Выводы 123
Заключение 131
Литература
- Основные характеристики качества алюминиевых слитков
- Анализ электромагнитных процессов методом конечного интегрального преобразования
- Постановка задачи и основные допущения
- Постановка задачи и общие требования
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из стимулов развития технологии плавки и литья алюминиевых сплавов было постоянное повышение требований к качеству материалов, применяемых в авиации, энергетике, химической промышленности, металлургии и ряде других отраслей. Для освоенных новых высокопрочных литейных и деформируемых сплавов потребовалось усовершенствование процессов литья /1,2/. Качество слитка зависит от условия охлаждения, режимов начала и конца литья и других факторов. Существенное влияние на качество может оказывать физическое воздействие на слиток в процессе его кристаллизации /3, 4, 5/.
Склонность алюминиевых сплавов к обогащению твердыми и газообразными неметаллическими включениями приводит к необходимости его рафинирования 161. Включения ухудшают свойства сплавов и снижают служебные характеристики изготовленных из них изделий. С целью извлечения неметаллических включений осуществляют рафинирование сплавов на различных стадиях их приготовления. В последние годы все чаще используют комбинированные методы рафинирования, включающие и адсорбционное, и физическое внешнее воздействие на металл. К основным способам физического воздействия на расплав относятся: механическое /8, 9/, вибрационное, ультразвуковое/1, 10/, электромагнитное перемешивание (ЭП) расплава /11, 12/. Эти методы могут быть использованы в различных способах рафинирования расплавов и на различных стадиях их приготовления.
Сравнивая различные способы физического воздействия, следует отметить, что ЭП имеет существенное преимущество перед другими способами, при этом индукционный способ является более удобным и надежным, чем кондукционныи и электровихревой, так как в нем отсутствует непосредственный контакт между индуктором и слитком, что особенно важно для движущихся заготовок, разливаемых способом непрерывного литья.
Работы по применению электромагнитных воздействий различного рода
ведутся достаточно давно, но единых рекомендаций для кристаллизации заготовок и слитков различного типа сечения и химического состава до настоящего времени нет. Одно из первых предложений применить ЭП жидкого металла в процессе его кристаллизации датируется 1917 годом, но первое практическое опробование ЭП осуществлено Д. А. Штанько лишь в 1933 году /13/.
В последние годы технология и оборудование для ЭП разрабатывались в возрастающих масштабах с разнообразием конструкций перемешивателей и способов их размещения на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). В настоящее время наибольшее распространение индукционный способ ЭП получил на МНЛЗ в черной металлургии. В СНГ основными разработчиками и изготовителями электромагнитных перемешивателей являются ОАО "Электросила", СКБ МГД Института физики АН республики Латвия, УГТУ (УПИ) г. Екатеринбург, НЭТИ г. Новосибирск, С-ПГТУ (ЛПИ) г. Санкт-Петербург /14, 15, 16, 17, 18, 19, 20/, НГЩ Магнитной гидродинамики
г. Красноярск. За рубежом такие устройства изготавливают фирмы Russ Electroo Fen, SKF, Olin Matchicson Chemical Corp, Vereiningte Leichtmetall Werke, Bohler, Republic Steel, Asea Brown Boweri и другие.
Из-за специфических особенностей алюминия, применение специальных магнитогидродинамических (МГД) устройств при производстве сплавов на его основе отстает и менее изучено, чем при производстве черных металлов. В связи с этим, актуальной является разработка новых способов электромагнитного воздействия на жидкую сердцевину слитков и построение для их реализации качественно новых индукционных устройств. В последние годы учеными КГТУ совместно со специалистами АО "КраМЗ" сделаны существенные шаги по внедрению электротехнологий при производстве сплавов на основе алюминия /21, 22, 23/.
Эффективное перемешивание жидкой сердцевины слитка в процессе его кристаллизации позволяет существенно влиять на различные факторы. При перемешивании жидкой сердцевины слитков необходимо создать
разностороннее вращательное движение жидкого металла в жидкой фазе слитка, которое позволяет эффективно воздействовать на дендритную структуру кристаллизующегося слитка или заготовки и значительно увеличить теплоотдачу от жидкой фазы. Движение жидкого металла способствует ускорению процесса затвердевания и, как следствие, увеличению скорости отливки слитка, обеспечивает однородность его структуры по химическому составу и физическим свойствам. Следует отметить, что в процессе кристаллизации необходимо сохранять целостность окисной пленки на поверхности слитка. В этой связи актуальной является задача создания надежных и эффективных индукционных перемешивателей жидкой сердцевины алюминиевых слитков.
Целью диссертационной работы является разработка математических моделей и устройств индукционных перемешивателей жидкой сердцевины алюминиевых слитков в процессе их кристаллизации.
Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:
Провести анализ различных способов физического воздействия на жидкую сердцевину слитков в процессе их кристаллизации.
Получить аналитические выражения о распределении электромагнитного поля в области слитка при воздействии на него переменного магнитного поля.
Выполнить аналитическое исследование различных конструктивных модификаций индукторов перемешивателей и определить эффективность их применения.
Разработать математическую модель системы слиток-индуктор на основе метода дискретизации свойств сред.
Построить физическую модель индукционного перемешивателя, провести экспериментальные исследования и выполнить сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных.
6. Сформулировать рекомендации для проектирования опытно-промышленной установки индукционного перемешивания жидкой сердцевины слитков алюминия высокой частоты при их кристаллизации.
Методы исследований. Математическое моделирование осуществлялось аналитическими методами и численным методом анализа электромагнитных полей с применением современной вычислительной математики. При составлении программ использовался алгоритмический язык Fortran PowerStation 4.0. Векторные поля сил и скоростей в жидкой фазе слитка получены с помощью пакета программ "Aero Chem", который позволяет моделировать стационарные и нестационарные, ламинарные и турбулентные течения несжимаемых газов и жидкостей. Экспериментальные исследования индукционного перемешивателя жидкой сердцевины слитка проведены на физической модели с моделирующим металлом - галлием.
Научная новизна работы
Получены выражения, описывающие электромагнитные процессы в слитке при воздействии на него магнитным полем индуктора.
Выявлены зависимости дифференциальных и интегральных характеристик индукционного перемешивателя при различных конструктивных модификациях обмоток индуктора от частоты и фаз питающих их напряжений.
Разработана математическая модель индукционного перемешивателя жидкой сердцевины алюминиевых слитков. Установлены картины распределения магнитной индукции, электромагнитных сил и скоростей расплава при различных режимах работы установки.
3. Практическая значимость
Разработаны алгоритмы и программы по анализу электромагнитных, процессов в системе слиток индуктор.
В результате математического и физического моделирований предложены новые устройства индукционных электромагнитных перемешивателей (три заявки на патент, принятых к рассмотрению).
3. Выданы рекомендации по проектированию опытно-промышленного электромагнитного перемешивателя жидкой сердцевины слитков алюминия высокой частоты.
На защиту выносятся:
Выражения, описывающие электромагнитные процессы в области слитка, полученные на основе аналитических методов решения краевых задач конечного и бесконечного интегральных преобразований.
Конструктивные модификации индукторов и анализ их эффективности воздействия на слиток.
Математическая модель электромагнитных и гидравлических процессов в системе слиток-индуктор, построенная на основе метода дискретизации свойств сред.
Физическая модель индукционного электромагнитного перемешивателя жидкой сердцевины алюминиевых слитков и результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных.
Рекомендации по проектированию опытно-промышленного образца электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитков алюминия высокой частоты.
Апробация работы и публикации. Материалы работы докладывались
на международной конференции «Электротехнологические и
электромагнитные преобразователи энергии и управляемые
электромеханические системы» - EECCES - 2003 (Екатеринбург, 26.03.203), Международном научном коллоквиуме «Моделирование электромагнитных процессов» (Германия, Ганновер, март, 24-26).
Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты выполнены в рамках НИР кафедры «Электротехнология и электротехника» КГТУ, а также по договору с ООО «Инженерно-технический центр» на тему «Разработка технологии литья слитков АВЧ с равномерной структурой, исключающей замешивание неметаллических включений внутрь слитков».
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 9 статьях и докладах и 3 заявках на патенты, принятых к рассмотрению.
Личный вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в разработке математических и физической моделей, алгоритмов и программ, проведении вычислительных процессов, организации и проведении экспериментальных исследований.
Структура и объем диссертации. Результаты изложены на 144 страницах текста, иллюстрированного таблицами и рисунками на 46 страницах. Список литературы включает 105 наименований на К) страницах. Работа состоит из введения, четырех разделов текста с выводами по каждому разделу, заключения, библиографического списка и приложений.
Содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы, определены основная цель и задачи, сформулированы новизна и практическая ценность научных результатов, отражены основные положения, выносимые на защиту, а также дано краткое содержание работы.
В первой главе определены объекты исследования, рассмотрены физические внешние воздействия на металл слитка при его кристаллизации. Обосновано применение электромагнитных перемешивателей, описаны их конструкции. Проведен краткий обзор методов математического моделирования электромагнитных перемешивателей.
Вторая глава посвящена анализу электромагнитного поля, дифференциальных и интегральных характеристик индукционных перемешивателей аналитическими методами конечных и бесконечных интегральных преобразований. На основе анализа результатов расчета определены пути построения индукторов электромагнитных перемешивателей.
В третьей главе построена расчетная модель с учетом реальной геометрии магнитопроводов, их магнитных свойств, и проведен анализ электромагнитного поля численным методом дискретизации свойств сред. В результате решения этой задачи определена геометрия магнитопровода, распределение в нем магнитной индукции, определены картины распределения
электромагнитных сил и скоростей в слитке, проведено сравнение результатов расчета численного и аналитических методов.
В четвертой главе приведены результаты исследования на физической модели индукционного перемешивателя жидкой сердцевины слитка алюминия высокой частоты, дано сравнение экспериментальных данных с расчетными данными. Выданы рекомендации по проектированию промышленного образца электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка алюминия высокой частоты.
В заключении изложены выводы, отражающие основные результаты работы.
Основные характеристики качества алюминиевых слитков
Для производства новых высокопрочных литейных и деформируемых сплавов потребовалось усовершенствование процессов литья III. Качество слитка зависит от скорости литья, температуры металла, количества воды для его охлаждения, условий начала и конца литья. Существенное влияние на эти факторы оказывает перемешивание жидкой сердцевины слитков во время кристаллизации /4, 5/.
При изучении структуры слитков, полученных без перемешивания, в ряде случаев обнаруживается разнозернистость в виде чередующихся темных и светлых полос, располагающихся по «всему сечению слитка или на его периферии, которые повторяют форму лунки. При этом установлено, что светлые зоны имеют мелкое зерно с крупными дендритными ячейками, а темные - крупное зерно с мелкими дендритными ячейками. Кроме того, в процессе литья слитки могут получиться с различными дефектами. Подробно влияние литейных свойств алюминиевых сплавов на качество получаемых слитков было изучено школой академика Бочвара А.А. /23/. Наиболее распространенные дефекты, проявляющиеся при литье алюминиевых слитков:
Ликвация - неоднородность химического состава в разных точках отливки. Микроликвация, развивающаяся в пределах микрообъемов, соизмеримых с размером дендритной ячейки (дендритная ликвация). Макроликвация -разница в химическом составе отдельных макрообъемов отливки - имеет весьма многообразные формы проявления при литье сталей, чугунов и сплавов цветных металлов /23, 24, 25/.
Трещины в слитках образуются при нарушении технологии литья, в частности, отключении от установленных скорости литья, температуры расплава, а также из-за неравномерного охлаждения по периметру слитка или из-за неправильного распределения металла в кристаллизаторе /23/.
Неслитины - поверхностный дефект слитка, вызванный частичным затвердеванием открытой поверхности слитка. Для ряда сплавов и разных размеров слитков, при отливке которых вынуждены применять низкие скорости литья из-за возможного появления трещин, образование неслитин неизбежно. Неслитины образуются при следующих нарушениях режимов литья: непостоянстве уровня расплава в кристаллизаторе, неправильной установке распределительной коробки, низкой температуре литья. Кроме того, с появлением неслитин может начаться образование боковых трещин./23, 24/
Наиболее действенные средства борьбы с неслитинами-повышение скорости литья для сплавов с достаточно хорошими литейными свойствами, применение кристаллизаторов с конусностью в верхней части гильзы. Также неслитины можно устранить обточкой заготовок перед их деформированием, однако это ведет к значительному (5 - 10 %) снижению выхода годного материа -ла.
Ликвационные наплывы - поверхностный дефект, вызванный нарушением скорости, температуры и распределения расплава в кристаллизаторе. При завышенной скорости литья на поверхности слитка не успевает образовываться достаточно прочная корочка, и легкоплавкие составляющие выдавливаются по междендритным каналам на поверхность слитка. Высокая температура литья приводит к этому же явлению. При неправильной установке распределительной коробки, когда она смещена относительно оси слитка, образовавшаяся корочка размывается и появляются ликвационные наплывы или даже расплав истекает в зазор между слитком и кристаллизатором. Ликвационные наплывы увеличиваются при повреждении окисной пленки на поверхности слитка /23, 25/.
Поры - дефект внутреннего строения слитка. Пористость образуется при высокой газонасыщенности расплава, которая может быть вызвана его пе регревом, применением рафинирующих реагентов, содержащих влагу, а также при использовании непросушенной литейной оснастки. Поры приводят к образованию в полуфабрикатах дефектов типа «штрихов» (расслоений) /25/.
Эффективное перемешивание жидкой сердцевины слитка в процессе его кристаллизации позволяет существенно влиять на эти факторы. При перемешивании жидкой сердцевины слитков необходимо создать такое вращательное движение жидкого металла в жидкой фазе слитка, которое позволяет эффективно воздействовать на дендритную структуру кристаллизующегося слитка или заготовки и значительно увеличить теплоотдачу от жидкой фазы, что способствует ускорению процесса затвердевания. Интенсивное охлаждение при кристаллизации путем перемешивания достигается за счет сужения ширины переходной зоны между расплавом и фронтом кристаллизации. При этом необходимо обеспечить наибольшую разницу скоростей наружных и внутренних слоев металла, при которой происходит более интенсивное разрушение растущих кристаллов и унос их во внутренние слои расплава. Вследствие этого температура расплава равномерно понижается и ускоряется процесс кристаллизации. При этом фронт кристаллизации по мере затвердевания наружных слоев смещается внутрь заготовки. Известно /26/, что при наличии однонаправленного движения жидкого металла образуются жидкостные потоки, вымывающие легирующие компоненты из приниженных слоев кристаллизующего слитка. Эти потоки устремляются к оси заготовки, что вызывает ее неоднородность по химическому составу и физическим свойствам. Поэтому для заготовок и слитков больших поперечных сечений рекомендуется движение чередовать с паузами или создавать движение расплава периодически в первоначальном направлении или периодически в прямом и обратном направлениях с паузами между реверсами /27, 28/.
Анализ электромагнитных процессов методом конечного интегрального преобразования
Как видно из представленных графиков, решения, полученные по бесконечному интегральному преобразованию с помощью теоремы о вычетах, точно воспроизводят краевые условия при z=±S. Так как в этом случае отличными от нуля на поверхностях магнитопровода являются только слагаемые от корня кд-0, решения, полученные в виде ряда Фурье на конечном интервале, воспроизводят краевые условия в точках скачкообразного изменения линейной токовой нагрузки приближенно. Этот явление в математике называется явлением Гиббса. Согласно Гиббсу, функция, представленная тригонометрическим рядом, переходя через разрыв, делает скачок, примерно на 18% больший, чем исходная функция.
При z=0 (средняя линия слитка) распределение магнитного поля по оси х имеет более плавный характер, поэтому решения, полученные методами конечного и бесконечного преобразований, практически совпадают (рисунок 2.6). На рисунке 2.7 совмещены графики распределения Нх, полученные двумя методами. Следует отметить, что решение, полученное в виде интеграла Фурье, не зависит от длины слитка и дает большую погрешность при небольших длинах слитка. На рисунке 2.8 представлены кривые распределения Нх по оси z при х=а + в + 0,5с (среднее сечение индуктора) при различных сечениях а. Как следует из представленных графиков, при а 0,3, решения, полученные двумя методами, практически совпадают. При а(0,3 следует использовать решение в виде рядов Фурье.
Картины распределения плотности тока (S=yE) и магнитной индукции {В=/лдН) в слитке для трех вариантов включения обмоток индуктора, представлены на рисунках 2.10 и 2.11 соответственно. Для качественной оценки величин плотности тока и магнитной индукции на рисунках 2.12-2.15 изображены графики их распределения в сечениях х=а + 0,5в и х=а + в + 0,5с. При анализе картин следует отметить различный характер распределения электромагнитного поля в слитке при различных вариантах индукторов, что способствует различному образованию движения расплава в слитке.
На рисунке 2.16 изображены графики распределения вращающего момента по оси слитка для варианта №2 при различных значениях частоты /. С ростом частоты до 0,8 Гц абсолютное значение момента увеличивается, при дальнейшем росте частоты (/)2Гц) величина момента уменьшается.
На рисунке 2.17 представлены зависимости электромагнитного вращающего момета, действующего на массивный цилиндр радиусом R=S, от
расположения его центра на оси х. Графики представлены также для трех вариантов включения обмоток индуктора (рисунок 1.20). В варианте 1 вращающий момент имеет одно направление по всей оси слитка, в других вариантах направление вращающего момента зависит от места положения центра цилиндра на оси х.
Зависимости момента от частоты при различных радиусах цилиндров, выделенных в слитке, представлены на рисунке 2.18. Эти зависимости представляют интерес, так как толщина жидкой сердцевины уменьшается по мере удаления от кристаллизатора.
1. Получены аналитические выражения для дифференциальных и интегральных характеристик электромагнитных процессов в слитке при воздействии на него переменным магнитным полем. Решения получены методами конечного и бесконечного интегрального преобразований.
2. В зависимости от длины и электромагнитных свойств слитка, определены области применения решений, полученных двумя методами. Решение по методу бесконечного интегрального преобразования более точно описывает процессы в точках с большим градиентом электромагнитного поля, однако при анализе процессов при короткой длине слитка (начало литья), необходимо использовать выражения в виде рядов Фурье.
3. Определена область частоты (0,6Гц / 2Гц), при которой в слитке с заданными размерами и свойствами, возникает наибольший электромагнитный вращающий момент.
4. Получены картины распределения электромагнитного поля в слитке при различных вариантах включения обмоток индуктора.
Постановка задачи и основные допущения
Во второй главе анализ электромагнитного поля в области слитка был проведен аналитическими методами для трех вариантов включения обмоток индуктора. Однако аналитические методы не позволяют определить картину распределения скоростей в жидкой фазе слитка, а также электромагнитные процессы, происходящие в магнитопроводе. В этом разделе построим расчетную модель с учетом реальной геометрии магнитопроводов и их магнитных свойств. Анализ электромагнитного поля в расчетной модели проведем численным методом, при этом определим геометрию магнитопровода и распределение в нем магнитной индукции. Совместно с расчетом электромагнитных сил определим картину распределения скоростей жидкого металла в слитке.
Двухмерная расчетная модель электромагнитной системы индукционного перемешивателя представлена на рисунке 3.1. Здесь: 1 - твердая фаза слитка; 2 - жидкая фаза слитка; 3 - шихтованный магнитопровод; 4 - обмотки индуктора; 5 - стальные магнитные пластины. При построении расчетной модели приняты следующие допущения:
1. Размеры системы индуктор - слиток в направлении оси у приняты бесконечно большими;
2. Шихтованный магнитопровод моделируется средой с удельной электропроводностью Тме и комплексной магнитной проницаемостью /и Мо(м -f(H)). Модуль и аргумент комплексной проницаемости в зависимости комплексе /103/ для реальных образцов стали. Рисунок 3.1—Расчетная модель системы индуктор-слиток 3. Источники ЭМП представляются в виде распределенной по пазу комплексной линейной плотности тока Jст, фаза которых определяется в зависимости от схемы включения от напряженности магнитного поля определялись на автоматизированном обмоток.
4. Твердая фаза слитка моделируется средой У — Уме, / = 1, = 1, жидкая фаза слитка моделируется средой У — Уме, М , — 1 Форма и размеры жидкой сердцевины слитка задаются исходя из данных, полученных на промышленных установках. Скорости движения жидкого металла в слитке имеют две составляющие V{x,z)=e xVx(x,z)+e zVz(x,z). (3. 1)
5. Касательные составляющие напряженности магнитного поля на краях расчетной области равны нулю:
Суть метода состоит в том, что расчетная область (рисунок 3.2) представляется в виде совокупности элементарных объемов с размерами А,и 8. Здесь A = c/N; = B/L; S = a/M.
Элементарный параллелепипед (рисунок 3.3, а) можно заменить дискретным аналогом (рисунок 3.3, б), представляющим собой три бесконечно тонких и взаимно перпендикулярных листа-поверхности.
Электромагнитные свойства поверхностей следует определить из условия равенства электрической и магнитной проводимостеи массивного элемента и его дискретного аналога. b
Массивный элемент (а) и его дискретный аналог (б) Таким образом, разбив расчетную область на NxMxL элементарных элементов, как показано на рисунке 3.2, и заменив массивные элементы дискретными аналогами, получим (N + l)(M + \)(L + \) элементарных ячеек, ограниченных поверхностями. Пространство в і j к ячейке (рисунок 3.4) имеет параметры: у=0; {Л-О; є=0.
Комплексные напряженности электрического и магнитного полей в / j к ой ячейке удовлетворяют уравнению (аналогичное уравнение для Н )
В соответствии с показанными на рисунке 3.4 шестью контурами (Кі+К(;), по законам полного тока и электромагнитной индукции можно составить двенадцать уравнений.
Следовательно, искомые выражения для составляющих напряженностей электрического и магнитного полей должны содержать двенадцать постоянных интегрирования. Кроме этого, выражения должны удовлетворять уравнению (3.3) и граничным условиям:
Постановка задачи и общие требования
По заданию заказчика устройство для электромагнитного перемешивания по высоте ограничено размерами: не более 0,5 м\ по ширине не более 1,0 м. В соответствии с этими ограничениями был изготовлен индуктор модели и выполнена его привязка к слитку. На рисунке 4.3 представлена фотография индуктора модели. Его геометрические размеры с каждой стороны слитка составляют 40 х 40 мм, что соответствует требованию заказчика. Модель индуктора состоит из магнитопровода 3, состоящего из двух частей, набранного из листов электротехнической стали ЭЗЗО и четырех катушек 4, 5, 6 и 7. Наличие кристаллизатора сверху индуктора моделируется ферромагнитной пластиной 8. На рисунке 4.4 представлена фотография физической модели без индуктора, где наглядно видно расположение слитка 1 относительно кристаллизатора, которое может меняться в процессе экспериментов. Пластина 9 выполнена из ферромагнитного материала, для того чтобы учесть в начальный момент литья подвижной стол (эксперименты проводились с ней и без нее). На втулки 10 крепится индуктор с пластиной.
На рисунке 4.5 представлена фотография физической модели в сборе. Здесь набор стеклотекстолитовых пластин 11 служит для регулирования высоты слитка 1 относительно индуктора. Это необходимо для того, чтобы выявить наиболее приемлемое расположение индуктора относительно кристаллизатора, при котором будет обеспечиваться интенсивное движение жидкого металла внутри слитка, не нарушая окисную пленку на поверхности слитка.
Индуктор физической модели изготовлен с параметрами: число пар полюсов 2р = 2; число фаз т = 2; число витков в катушке и = 100; число катушек п = 4; сечение обмоточной меди катушек а х в = 20 х 20 мм.
Эксперименты проводились с двумя типами соединения обмоток:
Первый тип - две катушки, расположенные на разных сторонах магнитопровода 4, 6 симметрично относительно аксиальной оси слитка, подключены к одной фазе, а две другие 5 и 7 подключены к другой фазе встречно.
Второй тип - две катушки, расположенные по одну сторону магнитопровода, включены последовательно к одной фазе, а две другие последовательно к другой фазе.
Для визуального исследования в область вращающегося магнитного поля (в паз слитка) помещали алюминиевый проводящий цилиндр 2 (рисунок 4.2) с игольчатыми подшипниками на концах. Было обнаружено, что на цилиндр действует вращающий момент. Величина момента и его направление, при неизменном токе в обмотках, зависят от расположения цилиндра в зазоре. Регулирование скорости и направление движения достигается изменением тока в обмотках и чередованием фаз питающего напряжения в них.
На рисунке 4.6 а, б, в показаны направления вращения цилиндрического тела при различном его расположении по оси слитка. В верхней части зазора -выше магнитопровода, создается вращающий момент одного направления вращения (рисунок 4.6 а). В случае расположения цилиндра по центру магнитопровода, где одна составляющая магнитного потока равна нулю, вращающий момент в этом месте равен нулю (рисунок 4.6 б). При расположении цилиндра ниже магнитопровода вращающий момент приводит цилиндр во вращение в противоположном направлении (рисунок 4.6 в). Исследование с цилиндром проводилось с наличием слитка в зазоре и без него. Естественно, что при наличии слитка электромагнитный момент вращения меньше, так как слиток экранирует электромагнитное поле.
При соединении обмоток по первому варианту вращение цилиндра начиналось с тока в катушках 1=2,8А, при соединении по второму варианту вращение начиналось с тока 1=1,8 А.
Исследование электромагнитного перемешивания жидкой сердцерины слитка и поведение окисной пленки проводилось с использованием жидкого галлия. Температура жидкого галлия при проведении экспериментов поддерживалась постоянной. В паз слитка заливался расплавленный галлий, эксперименты проводились при различной токовой нагрузке. Интенсивность электромагнитных сил подбиралась такой, чтобы, с одной стороны, обеспечить эффективное перемешивание, а с другой - сохранить окисную пленку неразрывной. На фотографии (рисунок 4.7) видна поверхность галлия при его движении под действием электромагнитных сил.
При экспериментальном исследовании величина тока в обмотках индуктора изменялась от 0 до 5А. При токе 5А величина линейной токовой нагрузки составляет J=W I / в=200-5/0,02=5-10 А/м. В результате наблюдения за экспериментом отмечалось, что окисная пленка оставалась неразрывной при токе до 4,5 А. Дальнейшее повышение тока приводило к сильному бурлению металла на поверхности слитка и к разрушению окисной пленки. Естественно, что при опускании индуктора вниз от поверхности слитка, бурление расплава уменьшается.
Измерение магнитной индукции в физической модели проводилось с помощью измерительных катушек, представленных на рисунке 4.8. В измерительных рамках 1 катушки намотаны в одной плоскости, а измерительная рамка 2 имеет две катушки, намотанные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. С помощью рамки 2 можно измерять одновременно две составляющие магнитной индукции Вх и Bz.
