Ефективність універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу в залежності від частоти живлення
Наведено результати чисельного моделювання електромагнітних і гідродинамічних процесів в електромагнітних системах перемішування рідкого металу з універсальними індукторами, які в залежності від одно- чи багатофазного живлення створюють у ванні печі відповідно двоконтурну або одноконтурну вихрові те...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Технічна електродинаміка |
|---|---|
| Дата: | 2017 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України
2017
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158947 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Ефективність універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу в залежності від частоти живлення / А.К. Шидловський, Ю.М. Гориславець, О.І. Глухенький, О.І. Бондар // Технічна електродинаміка. — 2017. — № 5. — С. 76-82. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-158947 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Шидловський, А.К. Гориславець, Ю.М. Глухенький, О.І. Бондар, О.І. 2019-09-18T20:46:30Z 2019-09-18T20:46:30Z 2017 Ефективність універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу в залежності від частоти живлення / А.К. Шидловський, Ю.М. Гориславець, О.І. Глухенький, О.І. Бондар // Технічна електродинаміка. — 2017. — № 5. — С. 76-82. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. 1607-7970 DOI: https://doi.org/10.15407/techned2017.05.076 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158947 621.74:537.84 Наведено результати чисельного моделювання електромагнітних і гідродинамічних процесів в електромагнітних системах перемішування рідкого металу з універсальними індукторами, які в залежності від одно- чи багатофазного живлення створюють у ванні печі відповідно двоконтурну або одноконтурну вихрові течії рідкого металу. Чергування у часі зазначених режимів живлення дозволяє більш ефективно перемішувати рідкий метал за рахунок почергової зміни структури вихрової течії. Досліджувалися універсальні індуктори з двома і трьома стрижнями при живленні їх струмами різної частоти. Ефективність перемішування оцінювалася за допомогою середньої в об’ємі ванни печі швидкості рідкого металу. Показано, що в режимі багатофазного (дво- та трифазного) живлення, при якому створюється біжуче магнітне поле, максимальна ефективність перемішування досягається при низьких частотах (2–3 Гц), а при однофазному, коли виникає тільки пульсуюче поле, – при більш високих частотах (20–50 Гц). Установлено, що при однофазному живленні тристрижневого індуктора зменшення частоти струму призводить до реверсу основної течії рідкого металу, чого не відбувається у випадку двострижневого індуктора. Наведено рекомендації щодо вибору оптимальних (раціональних) частот живлення універсальних перемішувачів. Приведены результаты численного моделирования электромагнитных и гидродинамических процессов в электромагнитных системах перемешивания жидкого металла с универсальными индукторами, которые в зависимости от одно- или многофазного питания создают в печи соответственно двухконтурное или одноконтурное вихревые течения жидкого металла. Чередование во времени указанных режимов питания позволяет более эффективно перемешивать жидкий металл за счет поочередной смены структуры вихревого течения. Исследовались универсальные индукторы с двумя и тремя стержнями при питании их токами разной частоты. Эффективность перемешивания оценивалась с помощью средней в объеме ванны печи скорости жидкого металла. Показано, что в режиме многофазного (двух- и трехфазного) питания, при котором создается бегущее магнитное поле, максимальная эффективность перемешивания достигается при низких частотах (2–3 Гц), а при однофазном, когда возникает только пульсирующее поле, – при более высоких частотах (20–50 Гц). Установлено, что при однофазном питании трехстержневого индуктора уменьшение частоты тока приводит к реверсу основного течения жидкого металла, чего не происходит в случае двухстержневого индуктора. Приведены рекомендации по выбору оптимальных (рациональных) частот питания универсальных перемешивателей. Results of numerical modelling of electromagnetic and hydrodynamic processes in electromagnetic systems of stirring of liquid metal with universal inductors, that depending on single or multiphase power supply creates in furnace bath dual circuit or single circuit vortex flows of liquid metal respectively have been shown. Changing during time such modes of power supply allow to stir liquid metal more efficiently due to alternating changing of structure of vortex flow. Two and three core universal inductors with different power supply frequency were investigated. Effectiveness of stirring was estimated with the help of average velocity of liquid metal in the volume of furnace bath. It was shown that in the mode of multiphase (two and three phase) power supply, at which travelling magnetic field is created, maximal effectiveness of stirring reached at low frequencies (2-3 Hz), while in single phase mode, when only pulsed field is created, – at higher frequencies (20-50 Hz). It was found that during single phase power supply of three core inductor decreasing of frequency of current results in reverse of main flow of liquid metal, what not happens in the case of two core inductor. Recommendations on selection of optimal (rational) power supply frequency of universal stirrers are shown. uk Інститут електродинаміки НАН України Технічна електродинаміка Електротехнологічні комплекси та системи Ефективність універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу в залежності від частоти живлення Эффективность универсальных электромагнитных перемешивателей жидкого металла в зависимости от частоты питания Efficiency of universal electromagnetic stirrers of liquid metal depending on frequency of power supply Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Ефективність універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу в залежності від частоти живлення |
| spellingShingle |
Ефективність універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу в залежності від частоти живлення Шидловський, А.К. Гориславець, Ю.М. Глухенький, О.І. Бондар, О.І. Електротехнологічні комплекси та системи |
| title_short |
Ефективність універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу в залежності від частоти живлення |
| title_full |
Ефективність універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу в залежності від частоти живлення |
| title_fullStr |
Ефективність універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу в залежності від частоти живлення |
| title_full_unstemmed |
Ефективність універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу в залежності від частоти живлення |
| title_sort |
ефективність універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу в залежності від частоти живлення |
| author |
Шидловський, А.К. Гориславець, Ю.М. Глухенький, О.І. Бондар, О.І. |
| author_facet |
Шидловський, А.К. Гориславець, Ю.М. Глухенький, О.І. Бондар, О.І. |
| topic |
Електротехнологічні комплекси та системи |
| topic_facet |
Електротехнологічні комплекси та системи |
| publishDate |
2017 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Технічна електродинаміка |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Эффективность универсальных электромагнитных перемешивателей жидкого металла в зависимости от частоты питания Efficiency of universal electromagnetic stirrers of liquid metal depending on frequency of power supply |
| description |
Наведено результати чисельного моделювання електромагнітних і гідродинамічних процесів в електромагнітних системах перемішування рідкого металу з універсальними індукторами, які в залежності від одно- чи багатофазного живлення створюють у ванні печі відповідно двоконтурну або одноконтурну вихрові течії рідкого металу. Чергування у часі зазначених режимів живлення дозволяє більш ефективно перемішувати рідкий метал за рахунок почергової зміни структури вихрової течії. Досліджувалися універсальні індуктори з двома і трьома стрижнями при живленні їх струмами різної частоти. Ефективність перемішування оцінювалася за допомогою середньої в об’ємі ванни печі швидкості рідкого металу. Показано, що в режимі багатофазного (дво- та трифазного) живлення, при якому створюється біжуче магнітне поле, максимальна ефективність перемішування досягається при низьких частотах (2–3 Гц), а при однофазному, коли виникає тільки пульсуюче поле, – при більш високих частотах (20–50 Гц). Установлено, що при однофазному живленні тристрижневого індуктора зменшення частоти струму призводить до реверсу основної течії рідкого металу, чого не відбувається у випадку двострижневого індуктора. Наведено рекомендації щодо вибору оптимальних (раціональних) частот живлення універсальних перемішувачів.
Приведены результаты численного моделирования электромагнитных и гидродинамических процессов в электромагнитных системах перемешивания жидкого металла с универсальными индукторами, которые в зависимости от одно- или многофазного питания создают в печи соответственно двухконтурное или одноконтурное вихревые течения жидкого металла. Чередование во времени указанных режимов питания позволяет более эффективно перемешивать жидкий металл за счет поочередной смены структуры вихревого течения. Исследовались универсальные индукторы с двумя и тремя стержнями при питании их токами разной частоты. Эффективность перемешивания оценивалась с помощью средней в объеме ванны печи скорости жидкого металла. Показано, что в режиме многофазного (двух- и трехфазного) питания, при котором создается бегущее магнитное поле, максимальная эффективность перемешивания достигается при низких частотах (2–3 Гц), а при однофазном, когда возникает только пульсирующее поле, – при более высоких частотах (20–50 Гц). Установлено, что при однофазном питании трехстержневого индуктора уменьшение частоты тока приводит к реверсу основного течения жидкого металла, чего не происходит в случае двухстержневого индуктора. Приведены рекомендации по выбору оптимальных (рациональных) частот питания универсальных перемешивателей.
Results of numerical modelling of electromagnetic and hydrodynamic processes in electromagnetic systems of stirring of liquid metal with universal inductors, that depending on single or multiphase power supply creates in furnace bath dual circuit or single circuit vortex flows of liquid metal respectively have been shown. Changing during time such modes of power supply allow to stir liquid metal more efficiently due to alternating changing of structure of vortex flow. Two and three core universal inductors with different power supply frequency were investigated. Effectiveness of stirring was estimated with the help of average velocity of liquid metal in the volume of furnace bath. It was shown that in the mode of multiphase (two and three phase) power supply, at which travelling magnetic field is created, maximal effectiveness of stirring reached at low frequencies (2-3 Hz), while in single phase mode, when only pulsed field is created, – at higher frequencies (20-50 Hz). It was found that during single phase power supply of three core inductor decreasing of frequency of current results in reverse of main flow of liquid metal, what not happens in the case of two core inductor. Recommendations on selection of optimal (rational) power supply frequency of universal stirrers are shown.
|
| issn |
1607-7970 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158947 |
| citation_txt |
Ефективність універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу в залежності від частоти живлення / А.К. Шидловський, Ю.М. Гориславець, О.І. Глухенький, О.І. Бондар // Технічна електродинаміка. — 2017. — № 5. — С. 76-82. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT šidlovsʹkiiak efektivnístʹuníversalʹnihelektromagnítnihperemíšuvačívrídkogometaluvzaležnostívídčastotiživlennâ AT gorislavecʹûm efektivnístʹuníversalʹnihelektromagnítnihperemíšuvačívrídkogometaluvzaležnostívídčastotiživlennâ AT gluhenʹkiioí efektivnístʹuníversalʹnihelektromagnítnihperemíšuvačívrídkogometaluvzaležnostívídčastotiživlennâ AT bondaroí efektivnístʹuníversalʹnihelektromagnítnihperemíšuvačívrídkogometaluvzaležnostívídčastotiživlennâ AT šidlovsʹkiiak éffektivnostʹuniversalʹnyhélektromagnitnyhperemešivateleižidkogometallavzavisimostiotčastotypitaniâ AT gorislavecʹûm éffektivnostʹuniversalʹnyhélektromagnitnyhperemešivateleižidkogometallavzavisimostiotčastotypitaniâ AT gluhenʹkiioí éffektivnostʹuniversalʹnyhélektromagnitnyhperemešivateleižidkogometallavzavisimostiotčastotypitaniâ AT bondaroí éffektivnostʹuniversalʹnyhélektromagnitnyhperemešivateleižidkogometallavzavisimostiotčastotypitaniâ AT šidlovsʹkiiak efficiencyofuniversalelectromagneticstirrersofliquidmetaldependingonfrequencyofpowersupply AT gorislavecʹûm efficiencyofuniversalelectromagneticstirrersofliquidmetaldependingonfrequencyofpowersupply AT gluhenʹkiioí efficiencyofuniversalelectromagneticstirrersofliquidmetaldependingonfrequencyofpowersupply AT bondaroí efficiencyofuniversalelectromagneticstirrersofliquidmetaldependingonfrequencyofpowersupply |
| first_indexed |
2025-11-25T20:37:23Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:37:23Z |
| _version_ |
1850524301808107520 |
| fulltext |
76 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 5
ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНІ КОМПЛЕКСИ ТА СИСТЕМИ
УДК 621.74:537.84
ЕФЕКТИВНІСТЬ УНІВЕРСАЛЬНИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПЕРЕМІШУВАЧІВ
РІДКОГО МЕТАЛУ В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД ЧАСТОТИ ЖИВЛЕННЯ
А.К. Шидловський, академік НАН України, Ю.М. Гориславець, докт.техн.наук,
О.І. Глухенький, канд.техн.наук, О.І. Бондар
Інститут електродинаміки НАН України,
пр. Перемоги, 56, Київ, 03057, Україна.
E-mail: ugoris@ied.org.ua
Наведено результати чисельного моделювання електромагнітних і гідродинамічних процесів в електромагніт-
них системах перемішування рідкого металу з універсальними індукторами, які в залежності від одно- чи ба-
гатофазного живлення створюють у ванні печі відповідно двоконтурну або одноконтурну вихрові течії рідко-
го металу. Чергування у часі зазначених режимів живлення дозволяє більш ефективно перемішувати рідкий
метал за рахунок почергової зміни структури вихрової течії. Досліджувалися універсальні індуктори з двома і
трьома стрижнями при живленні їх струмами різної частоти. Ефективність перемішування оцінювалася за
допомогою середньої в об’ємі ванни печі швидкості рідкого металу. Показано, що в режимі багатофазного
(дво- та трифазного) живлення, при якому створюється біжуче магнітне поле, максимальна ефективність
перемішування досягається при низьких частотах (2−3 Гц), а при однофазному, коли виникає тільки пульсуюче
поле, – при більш високих частотах (20−50 Гц). Установлено, що при однофазному живленні тристрижневого
індуктора зменшення частоти струму призводить до реверсу основної течії рідкого металу, чого не відбува-
ється у випадку двострижневого індуктора. Наведено рекомендації щодо вибору оптимальних (раціональних)
частот живлення універсальних перемішувачів. Бібл. 9, рис. 7.
Ключові слова: електромагнітне перемішування, рідкий метал, універсальний індуктор, однофазне і багатофазне
живлення, пульсуюче і біжуче магнітні поля, одноконтурна і двоконтурна вихрові течії, чисельне моделювання.
Перемішування рідкого металу – одна з важливих технологічних операцій, яка використову-
ється у сучасному металургійному виробництві. Вона дозволяє суттєво покращити якість металу і
підвищити продуктивність плавильного та ливарного обладнання [5]. Особливо важливим і необхід-
ним є перемішування в металургійних агрегатах, які призначені для плавлення та приготування мета-
левих сплавів, зокрема сплавів на основі алюмінію [3, 6]. Наразі перемішування рідкого металу в та-
ких агрегатах (печах, міксерах) головним чином здійснюється електромагнітним способом за допо-
могою перемішувачів, які побудовані на основі лінійних індукторів біжучого магнітного поля, що
працюють на промисловій [9] або на понижених [4, 8] частотах.
Раніше нами було запропоновано використати для перемішування металу так звані універсальні
індуктори, які в залежності від типу живлення (однофазного чи багатофазного) створюють відповідно
пульсуюче або біжуче магнітні поля. Електромагнітні перемішувачі на базі таких індукторів дозволя-
ють реалізувати новий ефективний спосіб електромагнітного перемішування рідкого металу за рахунок
використання почергової силової дії цих полів. У випадку прилаштування такого перемішувача до бо-
кової стінки печі він почергово створює в ній двоконтурну і одноконтурну (в плані) вихрові течії рідко-
го металу. Чергування у часі таких течій дозволяє більш ефективно перемішувати метал завдяки тому,
що застійні зони, які виникають в одному режимі живлення, перемішуються в іншому [7].
У роботі [1] на основі мультифізичного моделювання електромагнітних і гідродинамічних
процесів у системі "індуктор – рідкий метал" визначено вплив основних конструктивних параметрів
на ефективність електромагнітних перемішувачів з універсальними індукторами. В результаті прове-
деного моделювання було встановлено, що найбільш ефективними перемішувачами, які можуть пра-
цювати в зазначених режимах, є перемішувачі з двострижневим та тристрижневим лінійними індук-
торами. Для кожного з них визначено оптимальні полюсні ділення для різних значень зазору між ін-
дуктором і рідким металом, що знаходиться у ванні печі. Зазначені розрахунки виконувалися при жи-
вленні індукторів струмами промислової частоти. Проте невирішеним залишилося питання – яким
чином частота живлення таких пермішувачів впливає на інтенсивність перемішування рідкого металу
у плавильній печі. Розгляду саме цього питання і присвячена представлена робота.
© Шидловський А.К., Гориславець Ю.М., Глухенький О.І., Бондар О.І., 2017
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 5 77
Метою роботи є визначення ефективності універсальних перемішувачів рідкого металу в за-
лежності від частоти їхнього живлення та видача рекомендацій щодо вибору оптимальних (раціона-
льних) значень цієї частоти.
Досліджуються електромагнітні перемішувачі на основі лінійних індукторів, схематично пред-
ставлених на рис. 1. Це – дво- та тристрижневі індуктори з котушками, розміщеними на кожному стри-
жні. При живленні їх однофазним струмом вони створюють пульсуюче магнітне поле, а при живленні
багатофазним (дво- або трифазним) – біжуче. Стосовно них, по аналогії з роботою [1], проводилося му-
льтифізичне моделювання зв’язаних електромагнітних і гідродинамічних процесів у системі "індуктор–
рідкий метал" для відбивної печі, що плавить алюміній, при різних частотах живлення. Моделювання
електромагнітного поля в такій системі, як і раніше, здійснювалося у двовимірній постановці у допус-
тимому безіндукційному наближенні, тобто без врахування індукованих за рахунок руху рідкого мета-
лу струмів. Для врахування турбулентного характеру руху рідкого металу при електромагнітному пе-
ремішуванні в гідродинамічних розрахунках використовувалася k-ε модель турбулентності. Моделю-
вання виконувалося при заданому і однаковому для обох індукторів струмовому навантаженні, тобто
при заданих струмах (ампер-витках) в котушках, частота яких змінювалася в діапазоні 0,2 … 50 Гц.
Сталими величинами були: об’єм рідкого металу (розплаву алюмінію), який склав
2×3×0,5 м3, індуктор, прилаштований до більшої бокової стінки печі, сумарні ампер-витки усіх коту-
шок кожного індуктора склали 60 кА (амплітудне значення), які рівномірно розподілені по котушках,
зазор між індуктором і рідким металом δ = 0,1 м, полюсне ділення τ = 0,3 м. Решта розмірів індукто-
рів приймалися такими, як і в роботі [1]. Їхні значення відповідно склали: довжина і ширина кожного
стрижня – 0,2 м, ширина магнітопроводу – 0,3 м, поперечний переріз кожної котушки – 0,2×0,05 м2.
Висота електромагнітної системи (її розмір по осі z), яка використовувалася для визначення інтегра-
льних параметрів (електромагнітної потужності, інтегральних сил, потужності тепловиділення в рід-
кому металі та ін.), прийнята рівною висоті рідкого металу в печі, тобто 0,5 м. При багатофазному
живленні кути зсуву між струмами сусідніх котушок для кожного індуктора приймалися рівними 120
ел. град., а в однофазному режимі – 180 ел. град.
У результаті послідовного чисельного розв’язання електромагнітної і гідродинамічної задач
для кожного індуктора були отримані розподіли питомих електромагнітних сил та швидкості руху
рідкого металу, а також визначені їхні інтегральні параметри. Оцінка ефективності обох індукторів
проводилася за допомогою інтегральних показників, якими виступали електромагнітні сили
м
мx x
S
F h f dS= ∫ і
м
мy y
S
F h f dS= ∫ , де fx і fy − питомі електромагнітні сили, які наводяться в рідкому ме-
талі, Sм і hм – горизонтальний переріз і висота рідкого металу у ванні печі, а також середня швид-
кість руху рідкого металу
м
2 2
м
1
x y
S
W u u dS
S
= +∫ .
На рис. 2 представлено результати такого моделювання у вигляді залежностей швидкості рід-
кого металу W від частоти струмів живлення ν для двострижневого (рис. 2, а) і тристрижневого
(рис. 2, б) індукторів. На цих рисунках криві, позначені цифрою 1, належать до режиму багатофазно-
го живлення, за яким у результаті дії біжучого магнітного поля у ванні печі виникає рух рідкого ме-
талу у вигляді одноконтурної вихрової течії. Криві, позначені цифрою 2, належать до режиму одно-
фазного живлення індукторів, в результаті якого за рахунок дії пульсуючого магнітного поля у ванні
створюється двоконтурна течія.
Рис. 1
δ
τ
а
τ τ
δ
б
78 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 5
Характеризуючи режим багатофазного живлення універсальних індукторів, слід відзначити
суттєву залежність швидкості металу від частоти. Максимальні значення її досягаються при низьких
частотах (на рівні 2−3 Гц), що характерно і для класичних індукторів з біжучим магнітним полем. Що
стосується режиму однофазного живлення, коли створюється пульсуюче магнітне поле, ці залежності
мають зовсім інший вигляд. У діапазоні частот від ~20 до 50 Гц середня швидкість рідкого металу у
ванні печі змінюється несуттєво для обох індукторів, проте нижче цього діапазону вона при змен-
шенні частоти спадає до нуля (суцільні криві 2 на рис. 2).
Порівнюючи між собою обидва індуктори, слід також зазначити, що в режимі багатофазного
живлення більш ефективним (виходячи з середньої швидкості W) у всьому діапазоні частот, що до-
сліджувався, є тристрижневий індуктор, в той час як у режимі однофазного живлення, навпаки –
більш ефективним виявився двострижневий індуктор.
Цікавою обставиною, яка була виявлена у процесі розрахунків, є особлива поведінка три-
стрижневого перемішувача в режимі однофазного живлення на частотах нижче 15 Гц (див. суцільну
криву 2 на рис. 2, б). Дослідження гідродинамічних течій рідкого металу, що виникають при дії цього
перемішувача, показує, що в діапазоні частот від 15 до 10 Гц виникає реверс основної вихрової течії.
На рис. 3 для різних значень частоти струму представлено структури течій рідкого металу у ванні
печі для такого перемішувача. Рис. 3, а отримано на частоті 17 Гц, рис. 3, б – на 11 Гц, і рис. 3, в – на
7 Гц (внаслідок симетрії вихрових течій при такому живленні на цих рисунках представлено тільки
половину ванни печі).
Вперше таке явище, тобто реверс руху рідкого металу при зміні частоти струму живлення,
було виявлено нами для індуктора пульсуючого магнітного поля, який мав тристрижневий індуктор з
W, м/с
ν, Гц
б
1
2
W, м/с
ν, Гц
а
1
2
Рис. 2
б
Рис. 3
в
x
y
а
0
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 5 79
однією котушкою, розміщеною на середньому стрижні магнітопроводу [2]. Пояснення причини ви-
никнення цього явища ґрунтувалося на різному впливі на рідкий метал окремо нормальних fy і тан-
генціальних fx електромагнітних сил у залежності від частоти. Із зменшенням частоти інтегральна
сила Fy для цього індуктора спадає, а сила Fх зростає (до частоти приблизно 10 Гц). Спробуємо з цих
самих позицій з’ясувати причини такої поведінки швидкості W для тристрижневого індуктора з трьо-
ма котушками при однофазному живленні і отримати відповідь на питання, чому, на відміну від цьо-
го індуктора, таке явище не виникає у випадку двострижневого індуктора?
Насамперед зазначимо, як і у випадку індуктора пульсуючого магнітного поля, кожний уні-
версальний індуктор при однофазному живленні створює у рідкому металі нормальні fy і тангенціа-
льні fx електромагнітні сили. На рис. 4 представлено розподіл цих сил на стінці ванни печі, до якої
прилаштовано індуктор, окремо для двострижневого (рис. 4, а) і тристрижневого (рис. 4, б) індукто-
рів при ν = 50 Гц. Нормальні сили fy створюють рух металу у напрямку від індуктора до протилежної
стінки ванни печі, який, у свою чергу, і породжує двоконтурну (у плані ванни) вихрову течію. Танге-
нціальні сили, як видно з рис. 4, суттєво менші нормальних сил. Відношення максимальних значень
цих сил до нормальних приблизно складає 0,025 для обох індукторів. Незважаючи на це, а також на
те, що інтеграл цих сил, тобто інтегральна сила Fx для всієї ванни дорівнює нулю, їхній вплив на рух
металу може бути суттєвим. Як правило, дія тангенціальних сил спрямована проти основної течії,
створеної нормальними силами, а тому вони послаблюють її.
На рис. 2 пунктирними кривими позначено залежності середньої швидкості рідкого металу,
отримані для обох індукторів за умови fx = 0, яка штучно була прийнята в розрахунках. Дійсно, у
цьому випадку середня швидкість металу збільшується. Цікавим при цьому є те, що як при дії дво-
стрижневого, так і тристрижневого індукторів не виникає реверс руху рідкого металу. Це дозволяє
дійти висновку, що причиною реверсу є наявність тангенціальних сил, які за певних умов можуть до
цього призвести.
Для того, щоб оцінити внесок кожної складової електромагнітних сил у створенні руху рідко-
го металу, доцільно перейти до аналізу електромагнітного тиску, що розвивається у рідкому металі в
результаті дії цих сил. Слід зазначити, що під електромагнітним тиском зазвичай розуміється тиск,
що створюється електромагнітними силами в нерухомому рідкому електропровідному середовищі.
Хоча цей тиск є результатом дії всіх сил (і нормальних, і тангенціальних), його умовно (для якісних
оцінок) можна представити у вигляді двох складових, які створюються окремо нормальними і танген-
ціальними силами,
0
a
fу yp f dy= ∫ і
/2
0
b
fx xp f dx= ∫ ,
де a – ширина ванни печі (менша сторона), b – довжина ванни (більша сторона).
На рис. 5 і 6 представлено розподіли електромагнітного тиску, створеного нормальними fy і тан-
генціальними fx електромагнітними силами, для різних значень частоти струму в котушках для двостри-
жневого (рис. 5, а і рис. 6, а) і тристрижневого (рис. 5, б і рис. 6, б) індукторів. Із цих рисунків видно,
що максимальні значення електромагнітного тиску pfy max, який створюється нормальними силами, для
Рис. 4
fy
fx×10
f, кН/м3
x, м
а б
f, кН/м3
x, м
fy
fx×10
80 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 5
двострижневого індуктора знаходяться при x = 0 (на осі симетрії), а для тристрижневого – при x≈ ±τ/2.
Максимальні значення електромагнітного тиску pfx max, який створюється тангенціальними силами, для
обох індукторів знаходяться при y = 0, тобто на стінці ванни печі, до якої прилаштовано індуктор.
Для того, щоб оцінити вплив тангенціальних
сил на інтенсивність руху рідкого металу, розглянемо
співвідношення максимальних тисків pfx max і pfy max для
кожного індуктора. На рис. 7 в залежності від частоти
струму живлення наведено відношення цих тисків
pfx max/pfy max для двострижневого (крива 1) і для трист-
рижневого (крива 2) індукторів. Як бачимо, незважаю-
чи на те, що нормальні сили fy більш ніж на порядок
перевершують тангенціальні сили fx (див. рис. 4), вне-
сок останніх у створення електромагнітного тиску ви-
явився значним. На частоті 50 Гц вони збуджують
тиск, який складає майже 20% від тиску, що утворю-
ють нормальні сили. Як слідує з рис. 7, із зменшенням
частоти відносний внесок тангенціальних сил збільшується для обох індукторів. Проте, якщо для ча-
стот, більших ~15 Гц, внесок тангенціальних сил є дещо більшим для двострижневого індуктора, то
для частот, менших ~15 Гц, цей внесок стає більшим для тристрижневого індуктора, особливо в об-
ласті малих частот. Так, наприклад, при ν = 2 Гц електромагнітний тиск, зумовлений тангенціальни-
ми силами, уже складає приблизно 1,1 від тиску, який створюють нормальні сили, тобто перевершує
Рис. 5
50 Гц
20
10
5
1
pfy, кН/м2
x, м
а
pfy, кН/м2
x, м
50 Гц
20
10
5
1
б
Рис. 6
pfx, кН/м2
y, м
50 Гц
10
20
5
а
1
pfx, кН/м2
50 Гц
y, м
20
10
5
б
1
pfx max/pfy max
ν, Гц
1
2
Рис. 7
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 5 81
останній. Для двострижневого індуктора при цій самій частоті відношення зазначених тисків знахо-
диться лише на рівні 0,7.
Саме за рахунок цієї відмінності і можна пояснити, чому тангенціальні електромагнітні сили
в рідкому металі у випадку тристрижневого індуктора при однофазному живленні на малих частотах
сильніше ніж у випадку двострижневого впливають на структуру вихрової течії, що в кінцевому ре-
зультаті призводить до реверсу основного вихрового руху рідкого металу у ванні печі.
У випадку двострижневого індуктора, як показали розрахунки, внесок тангенціальних сил не
є достатнім, щоб змінити течію рідкого металу, яка в основному формується нормальними електро-
магнітними силами.
Отримані результати дозволяють сформулювати рекомендації щодо вибору частоти живлення
універсальних перемішувачів на основі дво- і тристрижневих індукторів, котрі можуть бути викорис-
тані для реалізації нового способу електромагнітного перемішування рідкого металу в плавильних
агрегатах, що полягає у почерговій дії пульсуючого і біжучого магнітних полів. Зрозуміло, що оскі-
льки в режимі біжучого магнітного поля оптимальними для таких перемішувачів є низькі значення
частоти (на рівні 2−3 Гц), а в режимі пульсуючого поля такими є більш високі значення (на рівні
20−50 Гц), то одним із варіантів їхнього живлення може бути такий, за яким багатофазне живлення
здійснюється від напівпровідникового перетворювача частоти (при низьких частотах), а однофазне –
безпосередньо від електричної мережі на промисловій частоті.
Можливий і більш простий варіант, коли обидва режими реалізуються на частоті 50 Гц. Пере-
ваги цього варіанту очевидні, оскільки для нього не потрібне додаткове обладнання у вигляді пере-
творювача частоти. Проте потрібно зазначити, що при такому живленні ефективність перемішування
металу в режимі біжучого магнітного поля буде дещо меншою від максимально можливої. Але оскі-
льки на цій частоті середні швидкості рідкого металу для обох режимів не дуже відрізняються один
від одного, це означає, що ефективність перемішування металу буде приблизно однаковою як при
одному, так і при другому режимах живлення.
Висновки.
1. Для універсальних електромагнітних перемішувачів рідкого металу з дво- та тристрижне-
вими лінійними індукторами, котрі в залежності від типу живлення (однофазного або багатофазного)
почергово створюють пульсуюче і біжуче магнітні поля, встановлено залежності середньої швидкості
вихрового руху рідкого металу у ванні печі від частоти струму живлення.
2. Виявлено реверс вихрової течії рідкого металу зі зміною частоти струму для електромагніт-
ного перемішувача із тристрижневим індуктором у режимі однофазного живлення.
3. Викладено рекомендації щодо вибору оптимальних (раціональних) частот живлення уні-
версальних перемішувачів рідкого металу для плавильних агрегатів.
1. Бондар О.І., Глухенький О.І., Гориславець Ю.М. Визначення основних конструктивних параметрів
універсальних перемішувачів рідкого металу // Праці ІЕД НАНУ. – 2017. – Вип. 46. – С. 119-126.
2. Глухенький А.И., Гориславец Ю.М., Токаревский А.В. Трехмерное моделирование однофазного элек-
тромагнитного перемешивателя жидких металлов // Технічна електродинаміка. – 2013. – № 5. – С. 77-84.
3. Дубоделов В.И., Фикссен В.Н., Горюк М.С., Слажнев Н.А., Скоробагатько Ю.П. Современные уст-
ройства для электромагнитного перемешивания алюминиевых расплавов в печах и миксерах повышенной ем-
кости // Металл и литье Украины. – 2008. – № 6. – С. 12-17.
4. Павлов Е.А., Боговалов С.В., Тимофеев В.Н., Надточий Д.С. Магнитогидродинамическое перемеши-
вание алюминиевых расплавов в миксерах сопротивления // Вестник Сибирского государственного аэрокосми-
ческого университета имени академика М.Ф. Решетнева. – С. 201-205.
5. Тир Л.Л., Столов М.Я. Электромагнитные устройства для управления циркуляцией расплава в элек-
тропечах. – М.: Металлургия, 1991. – 280 с.
6. Электромагнитное перемешивание (ЭМП) расплава алюминия. Available at: http://ontecom.com
7. Dubodelov V.I., Gorislavets Y.M., Glukhenkyi A.I., Fikssen V.M. Electromagnetic stirrer of liquid metal with
alternate action of travelling and pulsating magnetic fields // Proceedings of the 8th International Conference on Elec-
tromagnetic Processing of Materials EPM2015. – October 12-16, 2015. – Cannes, France. – Pр. 605-608.
8. http://new.abb.com/metals/abb-in-metals/offering/products/metallurgy-products/electromagnetic-stirrers-
and-breaks-for-steel/lf-ems-for-ladle-furnace-operation
9. Non ferrous casting: Equipment MHD Technology. – Riga, Latvia: Krãsainie lẽjumi, 2004. – 22 p.
82 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 5
УДК 621.74: 537.84
ЭФФЕКТИВНОСТЬ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЕЙ
ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЧАСТОТЫ ПИТАНИЯ
А.К. Шидловский, академик НАН Украины, Ю.М. Гориславец, докт.техн.наук, А.И. Глухенький, канд.техн.наук, А.И. Бондар
Институт электродинамики НАН Украины,
пр. Победы, 56, Киев, 03057, Украина. E-mail: ugoris@ied.org.ua
Приведены результаты численного моделирования электромагнитных и гидродинамических процессов в электромагнит-
ных системах перемешивания жидкого металла с универсальными индукторами, которые в зависимости от одно- или
многофазного питания создают в печи соответственно двухконтурное или одноконтурное вихревые течения жидкого
металла. Чередование во времени указанных режимов питания позволяет более эффективно перемешивать жидкий ме-
талл за счет поочередной смены структуры вихревого течения. Исследовались универсальные индукторы с двумя и тремя
стержнями при питании их токами разной частоты. Эффективность перемешивания оценивалась с помощью средней в
объеме ванны печи скорости жидкого металла. Показано, что в режиме многофазного (двух- и трехфазного) питания, при
котором создается бегущее магнитное поле, максимальная эффективность перемешивания достигается при низких час-
тотах (2−3 Гц), а при однофазном, когда возникает только пульсирующее поле, – при более высоких частотах (20−50 Гц).
Установлено, что при однофазном питании трехстержневого индуктора уменьшение частоты тока приводит к реверсу
основного течения жидкого металла, чего не происходит в случае двухстержневого индуктора. Приведены рекомендации
по выбору оптимальных (рациональных) частот питания универсальных перемешивателей. Библ. 9, рис. 7.
Ключевые слова: электромагнитное перемешивание, жидкий металл, универсальный индуктор, однофазное и многофазное
питания, пульсирующее и бегущее магнитные поля, одноконтурное и двухконтурное вихревые течения, численное модели-
рование.
EFFICIENCY OF UNIVERSAL ELECTROMAGNETIC STIRRERS OF LIQUID METAL
DEPENDING ON FREQUENCY OF POWER SUPPLY
A.K. Shydlovskyi, Y.M. Gorіslavets, O.I. Glukhenkyi, O.I. Bondar
Institute of Electrodynamics of the National Academy of Science of Ukraine,
Peremohy av., 56, Kyiv, 03057, Ukraine. E-mail: ugoris@ied.org.ua
Results of numerical modelling of electromagnetic and hydrodynamic processes in electromagnetic systems of stirring of liquid metal
with universal inductors, that depending on single or multiphase power supply creates in furnace bath dual circuit or single circuit vor-
tex flows of liquid metal respectively have been shown. Changing during time such modes of power supply allow to stir liquid metal more
efficiently due to alternating changing of structure of vortex flow. Two and three core universal inductors with different power supply
frequency were investigated. Effectiveness of stirring was estimated with the help of average velocity of liquid metal in the volume of
furnace bath. It was shown that in the mode of multiphase (two and three phase) power supply, at which travelling magnetic field is cre-
ated, maximal effectiveness of stirring reached at low frequencies (2-3 Hz), while in single phase mode, when only pulsed field is cre-
ated, – at higher frequencies (20-50 Hz). It was found that during single phase power supply of three core inductor decreasing of fre-
quency of current results in reverse of main flow of liquid metal, what not happens in the case of two core inductor. Recommendations
on selection of optimal (rational) power supply frequency of universal stirrers are shown. References 9, figures 7.
Key words: electromagnetic stirring, liquid metal, universal inductor, single phase and multiphase power supply, pulsed and travel-
ling magnetic fields, single circuit and dual circuit vortex flows, numerical modelling.
1. Bondar O.I., Glukhenkyi O.I., Gorislavets Y.M. Determining of basic design parameters of universal stirrers of liquid
metal // Pratsi Instytutu Elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. – 2017. – Iss. 46. – Pр. 119-126. (Ukr)
2. Glukhenkyi O.I., Gorislavets Y.M., Tokarevskyi A.V. Three dimensional modelling of single phase electromagnetic stirrer
of liquid metals // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2013. – No 6. – Pр. 77-84. (Rus)
3. Dubodelov V.I., Fikssen V.M., Gorіuk M.S., Slazhnev N.A., Skorobahatko Y.P. Modern devices for electromagnetic stir-
ring of aluminium melts in furnaces and mixers of extended capacity // Metall i Litіe Ukrainy. – 2008. – No 6. – Pр. 12-17. (Rus)
4. Pavlov E.A., Bogovalov S.V., Timopheev V.N., Nadtochii D.S. Magnetohydrodynamic stirring of aluminum melts in re-
sistance mixers // Vestnik Sibirskogo Gosudarstvennogo Aerokosmicheskogo Universiteta. – 2006. – No 5. – Pр. 201-205.
5. Tir L.L., Stolov M.Y. Electromagnetic devices to control the circulation of the melt in electric furnaces. – Мoskva: Меtal-
lurgiia, 1991. – 280 p. (Rus)
6. Electromagnetic stirring (EMS) of aluminum melt. Available at: http://ontecom.com (accessed 10.05.2017)
7. Dubodelov V.I., Gorislavets Y.M., Glukhenkyi A.I., Fikssen V.M. Electromagnetic stirrer of liquid metal with alternate
action of travelling and pulsating magnetic fields // Proceedings of the 8th International Conference on Electromagnetic Processing of
Materials EPM2015. – October 12-16, 2015. – Cannes, France. – Pр. 605-608.
8. http://new.abb.com/metals/abb-in-metals/offering/products/metallurgy-products/electromagnetic-stirrers-and-breaks-for-
steel/lf-ems-for-ladle-furnace-operation
9. Non ferrous casting: Equipment MHD Technology. – Riga, Latvia: Krãsainie lẽjumi, 2004. – 22 p.
Надійшла 17.05.2017
Остаточний варіант 23.05.2017
|