Тимофеев В.Н. (ред.) Применение магнитогидродинамических устройств в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

194

1.3 Расчет и проектирование плоских линейных индукционных

машин (ЛИМ)

В качестве объекта исследования рассматривается трехфазный

двухручьевой насос с двумя индукторами и общими для них катушками,

показанный на рис. 1.3.1 и предназначенный для перекачивания расплава

цинка. Два его канала («ручья») с жидкометаллическим расплавом разделены

шихтованным ферромагнитным сердечником. В силу специфики такого

конструктивного исполнения возможны модификации, когда, во-первых,

ширина вторичного элемента

оказывается меньше ширины сердечника

индуктора а также длины его полюсного деления, и, во-вторых, канал может

быть лишь частично заполнен металлом (насос полупогружного типа). Кроме

этого требуется определить безопасные для обмотки насоса тепловые

режимы его работы, поскольку транспортируемый расплавленный цинк

имеет температуру выше 500

С.

С учетом указанных особенностей задачи расчета и проектирования

сводятся к следующему.

1. Выбор (разработка) математической модели, позволяющей

моделировать различные режимы работы насоса с учетом продольного и

поперечного краевых эффектов и частичного заполнения канала металлом.

Оценка влияния на характеристики насоса двумерности магнитного поля в

зазоре, зубчатости сердечников индукторов, магнитных свойств среднего

сердечника.

2. Анализ влияния на энергетические характеристики насоса схем

соединения и питания обмотки индуктора, частоты питающего тока, уровня

жидкого металла в канале.

3. Моделирование связанных квазистатических электромагнитных и

динамических тепловых процессов с целью определения технологических

режимов работы насоса, безопасных для обмотки индуктора.

Следует при этом иметь в виду, что для успешного

решения этих задач

необходимо выполнить большой объем работ по выбору материала для

изготовления каналов, выбору изоляции и типа провода для обмотки

индуктора.

195

Для расчета характеристик различных вариантов насоса используется

метод детализированных схем замещения (пособие для самостоятельной

работы). Выбор целесообразного варианта производится расчетчиком в

интерактивном режиме путем перебора изменяемых параметров конструкции

и источника питания. Начальные значения параметров принимаются на

основе опыта изготовления аналогичных устройств.

Рис. 1.3.1. Модель плоского двухручьевого насоса

196

1.3.1 Выбор частоты питания и схемы соединения обмотки

индуктора

Рассмотрены следующие варианты:

1. Число полюсов 2p = 2, число пазов на полюс и фазу q = 2, полюсное

деление τ = 0.158 м, частоты питания f = 5,16, 33 и 50 Гц.

2. Число полюсов 2p = 3, число пазов на полюс и фазу q = 2, полюсное

деление τ = 0.105 м, частоты питания f = 5 ,16, 33 и 50 Гц. Обмотки

выполнены из одинакового провода и имеют одинаковое число витков в

фазе. Плотность тока

в проводе одна и та же (5.4 А/мм

В таблице 1 для разных частот f в Гц, приведены коэффициент

мощности cos φ в о.е., активная и полная подведенные мощности P в Вт и S в

ВА, тяговое усилие F

в Н

и отношение тягового усилия к полной мощности

FS в Н/кВА для трехполюсной машины.

Таблица 1.3.1

)cos(



P S F

5 0.794 867 1092 21.10 19.3

16 0.465 1039 2232 43.53 19.5

33 0.311 1260 4048 47.17 11.65

50 0.245 1445 5887 45.59 7.74

66 0.211 1615 7643 44.46 5.82

На рис. 1.3.2 приведены для сравнения зависимости коэффициента

мощности Km, тягового усилия Ft и отношения усилия к полной мощности

FS=Ft/S для двух- и трехполюсной машин (цифры 2 и 3 соответственно в

обозначениях величин).

197

Рис. 1.3.2. Сравнение показателей двух- и трехполюсной машин

По критериям максимального усилия, достаточно большого отношения

усилия к полной мощности FS и достаточно малой потребляемой активной

мощности P при больших скольжениях выбрана схема обмотки с 2p = 3

(трехполюсный индуктор) и f = 50 Гц. При этом не требуется

полупроводникового преобразователя частоты для питания машины, что в

ряде случаев является определяющим.

На рис. 1.3.3 показана обмоточная матрица F

, реализующая раскладку

токов фаз по пазам индуктора, а также приведены кривые пазовых и

суммарной МДС насоса с выбранным вариантом обмотки.

На рис. 1.3.4 приведены показатели машины с таким же количеством

пазов, но чередование фаз по пазам принято AAAAZZZZBBBBXXCCYY, т.е.

первое полюсное деление выполнено вдвое больше другого. Там же (б)

приведены показатели

основного варианта. Видно, что для предлагаемого

варианта получаем коэффициент мощности 0.302 вместо 0.243, тяговое

усилие 43 вместо 41.1 Н, отношение усилия к мощности 7.42 вместо 7.2

Н/кВА.

198

1















Рис. 1.3.3. Матрица формирования МДС пазов (а) и распределение по участкам пазовых и

полной МДС индуктора (б)

а)

б)

199

Рис. 1.3.4. Зависимости КПД, коэффициента мощности, тягового усилия, активной

мощности и отношения усилия к мощности от скорости ВЭ

1.3.2 Выбор материала каналов насоса

При рассмотрении конструкции насоса возникает необходимость

выбора материала канала насоса и защитного кожуха (корпуса). По

литературным данным имеются следующие типы материалов в различной

степени стойких в агрессивном расплаве цинка.

1. Силицированный графит

Стойкость силицированного графита против жидкометаллической

коррозии в расплаве цинка проверяли в динамическом контакте с цинком.

Испытания показали, что конструкция

из силицированного графита

оказывается стойкой в среде жидкого цинка. При относительной скорости

вращения от 0,5 до 2 м/с при температуре 500-550

С в течение 250 ч с

достаточно большим количеством теплосмен никаких признаков разрушения

силицированного графита обнаружено не было.

2. Асбоцемент

В литературе имеются сведения об использовании асбоцементной

формы при изучении влияния электромагнитного воздействия на жидкий

цинк. Данных о стойкости асбоцемента не приводится. Работы с жидким

цинком на ряде предприятий показывают хорошую стойкость

асбоцемента к

жидкому цинку.

3. Термодиффузионно-окисленный слой

В некоторых источниках отмечается, что защита деталей, поверхность

которых соприкасается с жидким цинком была произведена

термодиффузионным окислением нержавеющей стали Х18Н9Т. После ряда

проведенных экспериментов на различных предприятиях было выявлено, что

термодиффузионное покрытие неэффективно.

4. Жаропрочные эмали

В некоторых источниках отмечается также возможность

защиты от

цинка при помощи покрытий жаропрочными эмалями. Практически трубы и

детали из Х18Н9Т, покрытые эмалями, не выдерживают термоударов,

отслаиваются, эмаль имеет низкую механическую прочность.

200

5. Кремнийорганическая композиция, в частности, органо-силикатная

композиция ОС-82-05. Преимущественное назначение – покрытие

высоконагревостойкое для электроизоляционной защиты

металлоконструкций. Диапазон рабочих температур от –60

С до +700

С в

газообразных сильноагрессивных средах, стойкость 12-15 лет. Композиция в

количестве примерно 40 кг была передана на Каменск-Уральский завод

ОЦМ. По заключению ЦЗЛ завода (устному) в жидком цинке не стойкая.

6. Расплавленный цинк и пары цинка по данным, полученным в

Институте металлокерамики и спецсплавов, в продолжение 180-260 часов не

действуют на бориды титана,

циркония, хрома, вольфрама, дисилицид

молибдена (при 930-940

С), но разрушают карбиды. При температуре 550

расплавленный цинк в течение 500 часов не действует на нитрид кремния.

7. Комбинированный материал на основе CrB

-Fe, Ni (85-15 % веса)

полностью выдерживает действие расплавленного цинка при 600

С и может

применяться в холоднопрессованном и спеченном виде для изготовления

основных деталей насосов и труб при перекачке жидкого цинка (а также

олова, кадмия, свинца, серебра, висмута); такая же композиция

рекомендуется для изготовления форм и другого оборудования для литья под

давлением.

8. Плавленолитый жаростойкий материал (ПЖМ) на основе калиевого

фторфлогонита. Этот

материал получают путём сплавления смеси песка,

магнезита, глинозема и кремнефтористого калия, взятых в определённом

соотношении. Отмечаются хорошие механические свойства, высокая

термостойкость, низкая пористость, высокое электросопротивление.

Отмечается возможность применения материала при работе с алюминиевыми

и цинковыми сплавами. Каналы из чистого калиевого фторфлогонита

недостаточно надёжны ввиду недостаточной термической стойкости.

Основные характеристики этого материала

: термостойкость (700

С –

вода 20

С) – 150 циклов; обрабатываемость обычным инструментом -

хорошая; материал не смачивается сплавами алюминия и цинка, срок службы

на цинковых сплавах практически не ограничен.

9. Асботермосиликат. Представляет собой волокнистый

термоизоляционный материал из извести, кремнезема и асбеста амфиболовой

группы. Материал получается в результате химической реакции, проходящей

в автоклаве. Легко обрабатывается любым инструментом, формуется в

201

любые формы. Обладает повышенной механической прочностью (предел

прочности при сжатии 5–10 МПа, а при изгибе 2–5 Мпа; кажущаяся

плотность – 500-800кг/м

). Нашел широкое применение при литье

алюминиевых сплавов.

10. Огнеупорный картон на основе высокоглиноземистого волокна и

связующего (винол). Отмечается, что огнеупорный картон стоек к расплавам

цветных металлов, в частности, алюминия, меди, цинка. Коэффициент

теплопроводности - 0,06; 0,13 и 0,24 ВТ/м

К при температурах 100

С, 600

и 900

С. Слой огнеупорного картона толщиной 15 мм обеспечивает перепад

температур с 880

С до 350

С в стационарном режиме. Температура службы

огнеупорного картона - до 1150

С, что на 550

С выше, чем у асбестового

картона.

11. Вологран – керамический материал, состоящий из каолинового

волокна и высокоглиноземистого цемента. Набивная смесь – она готовится в

смесителе, набивается в форму, просушивается. Допускает использование

для цинка и его сплавов, хотя основное назначение – для футеровки каналов

насосов, работающих на алюминии. Коэффициент теплопроводности

волограна – 0,094 ккал/(м·град·час) (

для СКФ-1 – 2 ккал/(м·град·час);

огнеупорность – 1883

К, термостойкость при 1073

К – не менее 50;

теплоёмкость 1,185 10

Дж/(кг·

К); коэффициент температуропроводности

при 1073

К –1,25 10

-7

/с; коэффициент теплопроводности при 1073

К – 0,16

Вт/(м·

К).

12. Волокнистый композиционный: материал (ВКМ), разработки

лаборатории огнеупоров для цветной металлургии Восточного института

огнеупоров (ВОСТИО), г. Екатеринбург. Представляет собой стеклоленту,

пропитанную в качестве связующего алюмомагнезиальными шпинелями.

Материал обладает стойкостью к термоударам до 450-50

С, стоек в расплаве

цинка, не смачивается жидким цинком; имеет коэффициент

теплопроводности 0,3–0,7 Вт/(м·ºК), допускает изготовление изделий

сложной формы, при запекании несколько сжимается. Вследствие того, что

территориально ВОСТИО расположен наиболее удачно по сравнению с

другими производителями огнеупоров, учитывая также тот факт, что ВКМ

является достаточно дешевым материалом, было принято решение

об

использовании его в качестве материала каналов насоса, а также защитного

кожуха. С учётом технологии изготовления изделий сложной формы из ВКМ

202

была предложена соответствующая технология изготовления каналов и

кожуха.

В результате расчетов были приняты следующие параметры индуктора:

перекачиваемый металл – цинк;

рабочая температура – t = 500

С;

количество каналов – 2;

размеры канала – 10х60х1000 мм;

длина магнитопровода, L = 325±5 мм;

число пазов, z' = 9;

число полюсов, 2p = 3;

высота магнитопровода, h = 95 мм;

ширина магнитопровода, b = 2c = 120 мм;

расстояние между магнитопроводами b' = 62 мм;

размеры внутреннего сердечника – 325х80х8;

зазор между поверхностью магнитопровода и внутренним

сердечником, δ = 27 мм;

фазная зона – 60º;

высота паза, h

= 0,05 м;

ширина паза, b

= 0,025 м;

ширина зубца, b

= 0,01 м;

зубцовое деление t

= 0,035 м;

провод ПСД-6,3х1,12;

число витков в катушке, N = 85;

коэффициент заполнения паза индуктора медью, K

= 0,48.

Для экспериментальной оценки развиваемых усилий в рабочей зоне

насоса был использован макет, обмотки которого выполнены из провода

ПБД с числом витков в пазу N = 275, сечение провода – 1,227 мм

Коэффициент заполнения K

=0,27.

Катушки обмотки насоса выполнены в виде уплощенных овалов,

расстояние между магнитопроводами равно 50 мм. Внутренний сердечник,

устанавливаемый между магнитопроводами, имеет размеры 320х120х10 мм.

Направление шихтовки соответствует направлению шихтовки

магнитопроводов.

1.3.3 Оценка теплового состояния насоса

203

Для оценки теплового состояния насоса при перекачивании жидкого цинка рассчитываются его основные режимы

работы.

1. Нагрев индуктора, когда учитывается подогрев металла (его

исходная температура 500 градусов) индуцированными в металле токами,

теплопередача с обратной стороны отсутствует в силу симметрии (далее

следует второй канал и второй индуктор), между индуктором и каналом

имеется зазор, продуваемый воздухом. На рис. 1.3.5 показаны зависимости

температур различных узлов машины от времени. Приняты следующие

обозначения:

- температура лобовых частей обмотки индуктора, Т

температура пазовых частей обмотки индуктора, Т

– температура

сердечника индуктора, Т

– температура ВЭ . Индуктор отключается, когда

температура обмотки достигает предельно допустимой для данного класса

изоляции (нами принята T

max

=180 градусов для класса Н). Далее следует

остывание индуктора, удаленного из ванны.

Рис. 1.3.5. Нагрев узлов насоса

2. Нагрев без учета подогрева металла индуцированными в металле

токами (поскольку металл прокачивается через канал). Изменение

соответствующих температур узлов насоса в этом случае показано на рис.

1.3.6. Прямая t

означает температуру воздуха, который прокачивается через

зазор между стенкой канала и индуктором.