Исследование закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов. Сообщение 1
В статье заложен цикл научных исследований по изучению закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в существующих магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов на основе теоретического и прямого экспериментального анализа МГД-процессов. В сообщении 1 приведены результаты экспери...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2015
|
| Назва видання: | Процессы литья |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166774 |
| 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: | Исследование закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов. Сообщение 1 / М.А. Слажнев, К.С. Богдан, А.Ю. Кизилова, А.О. Горшков // Процессы литья. — 2015. — № 5 (113). — С. 11-21. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-166774 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1667742025-02-09T12:51:17Z Исследование закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов. Сообщение 1 Дослідження закономірностей електромагнітних силових взаємодій в магнітодинамічних установках для алюмінієвих сплавів. Повідомлення 1 Research Laws of Electromagnetic Forces Interactions in Magnetodynamic Installation for Aluminium Alloys. Report 1 Слажнев, М.А. Богдан, К.С. Кизилова, А.Ю. Горшков, А.О. Новые методы и прогрессивные технологии литья В статье заложен цикл научных исследований по изучению закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в существующих магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов на основе теоретического и прямого экспериментального анализа МГД-процессов. В сообщении 1 приведены результаты экспериментальных исследований закономерностей создания в рабочей зоне установки нормальной составляющей электромагнитной силы в зависимости от напряжения питания индукторов и электромагнита с использованием функциональных возможностей установки с интегрированной весоизмерительной системой в режиме «насос». Установлены корреляционные закономерности создания электромагнитной силы, проведена аналитическая проверка адекватности таких моделей. У статті закладено цикл наукових досліджень по вивченню закономірностей електромагнітних силових взаємодій в існуючих магнітодинамічних установках для алюмінієвих сплавів на основі теоретичного і прямого експериментального аналізу МГД-процесів. У повідомленні 1 наведено результати експериментальних досліджень закономірностей створення у робочій зоні установки нормальної складової електромагнітної сили в залежності від напруги живлення індукторів і електромагніту з використанням функціональних можливостей установки з інтегрованою ваговимірювальною системою у режимі «насос». Встановлено кореляційні закономірності створення електромагнітної сили, проведено аналітична перевірка адекватності таких моделей. The article based on the series of scientific studies on the laws of electromagnetic interactions in existing magnetodynamic installations for aluminum alloys on the basis of theoretical and experimental analysis of direct MHD processes. The first report presents the result of experimental studies of regularities of creating the work area setting of the normal component of the electromagnetic force, depending on supply voltage and inductor electromagnet with features units with integrated weighing system in the «pump». Correlation patterns create of electromagnetic field in MDI, analytical check of such models on adequacy was perform. MDN-6A using the functionality of the installation-stey magneto-weighting (MWI) with integrated weighing system (IWMS) in the “pump”.Correlation patterns create of electromagnetic field in MDI , analytical check of such models on adequacy was perform. 2015 Article Исследование закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов. Сообщение 1 / М.А. Слажнев, К.С. Богдан, А.Ю. Кизилова, А.О. Горшков // Процессы литья. — 2015. — № 5 (113). — С. 11-21. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166774 621.746.2:66.028 ru Процессы литья application/pdf Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Новые методы и прогрессивные технологии литья Новые методы и прогрессивные технологии литья |
| spellingShingle |
Новые методы и прогрессивные технологии литья Новые методы и прогрессивные технологии литья Слажнев, М.А. Богдан, К.С. Кизилова, А.Ю. Горшков, А.О. Исследование закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов. Сообщение 1 Процессы литья |
| description |
В статье заложен цикл научных исследований по изучению закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в существующих магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов на основе теоретического и прямого экспериментального анализа МГД-процессов. В сообщении 1 приведены результаты экспериментальных исследований закономерностей создания в рабочей зоне установки нормальной составляющей электромагнитной силы в зависимости от напряжения питания индукторов и электромагнита с использованием функциональных возможностей установки с интегрированной весоизмерительной системой в режиме «насос». Установлены корреляционные закономерности создания электромагнитной силы, проведена аналитическая проверка адекватности таких моделей. |
| format |
Article |
| author |
Слажнев, М.А. Богдан, К.С. Кизилова, А.Ю. Горшков, А.О. |
| author_facet |
Слажнев, М.А. Богдан, К.С. Кизилова, А.Ю. Горшков, А.О. |
| author_sort |
Слажнев, М.А. |
| title |
Исследование закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов. Сообщение 1 |
| title_short |
Исследование закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов. Сообщение 1 |
| title_full |
Исследование закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов. Сообщение 1 |
| title_fullStr |
Исследование закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов. Сообщение 1 |
| title_full_unstemmed |
Исследование закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов. Сообщение 1 |
| title_sort |
исследование закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов. сообщение 1 |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Новые методы и прогрессивные технологии литья |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166774 |
| citation_txt |
Исследование закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий в магнитодинамических установках для алюминиевых сплавов. Сообщение 1 / М.А. Слажнев, К.С. Богдан, А.Ю. Кизилова, А.О. Горшков // Процессы литья. — 2015. — № 5 (113). — С. 11-21. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Процессы литья |
| work_keys_str_mv |
AT slažnevma issledovaniezakonomernostejélektromagnitnyhsilovyhvzaimodejstvijvmagnitodinamičeskihustanovkahdlâalûminievyhsplavovsoobŝenie1 AT bogdanks issledovaniezakonomernostejélektromagnitnyhsilovyhvzaimodejstvijvmagnitodinamičeskihustanovkahdlâalûminievyhsplavovsoobŝenie1 AT kizilovaaû issledovaniezakonomernostejélektromagnitnyhsilovyhvzaimodejstvijvmagnitodinamičeskihustanovkahdlâalûminievyhsplavovsoobŝenie1 AT gorškovao issledovaniezakonomernostejélektromagnitnyhsilovyhvzaimodejstvijvmagnitodinamičeskihustanovkahdlâalûminievyhsplavovsoobŝenie1 AT slažnevma doslídžennâzakonomírnostejelektromagnítnihsilovihvzaêmodíjvmagnítodinamíčnihustanovkahdlâalûmíníêvihsplavívpovídomlennâ1 AT bogdanks doslídžennâzakonomírnostejelektromagnítnihsilovihvzaêmodíjvmagnítodinamíčnihustanovkahdlâalûmíníêvihsplavívpovídomlennâ1 AT kizilovaaû doslídžennâzakonomírnostejelektromagnítnihsilovihvzaêmodíjvmagnítodinamíčnihustanovkahdlâalûmíníêvihsplavívpovídomlennâ1 AT gorškovao doslídžennâzakonomírnostejelektromagnítnihsilovihvzaêmodíjvmagnítodinamíčnihustanovkahdlâalûmíníêvihsplavívpovídomlennâ1 AT slažnevma researchlawsofelectromagneticforcesinteractionsinmagnetodynamicinstallationforaluminiumalloysreport1 AT bogdanks researchlawsofelectromagneticforcesinteractionsinmagnetodynamicinstallationforaluminiumalloysreport1 AT kizilovaaû researchlawsofelectromagneticforcesinteractionsinmagnetodynamicinstallationforaluminiumalloysreport1 AT gorškovao researchlawsofelectromagneticforcesinteractionsinmagnetodynamicinstallationforaluminiumalloysreport1 |
| first_indexed |
2025-11-26T00:31:36Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:31:36Z |
| _version_ |
1849810852130062336 |
| fulltext |
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 5 (113) 11
НОВЫЕ МЕТОДЫ И ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ
УДК 621.746.2:66.028
Н. А. Слажнев, К. С. Богдан, А. Ю. Кизилова, А. О. Горшков
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИЛОВЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
В МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
ДЛЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ. Сообщение 1
В статье заложен цикл научных исследований по изучению закономерностей электромаг-
нитных силовых взаимодействий в существующих магнитодинамических установках для
алюминиевых сплавов на основе теоретического и прямого экспериментального анализа
МГД-процессов. В сообщении 1 приведены результаты экспериментальных исследований
закономерностей создания в рабочей зоне установки нормальной составляющей электро-
магнитной силы в зависимости от напряжения питания индукторов и электромагнита с ис-
пользованием функциональных возможностей установки с интегрированной весоизмери-
тельной системой в режиме «насос». Установлены корреляционные закономерности создания
электромагнитной силы, проведена аналитическая проверка адекватности таких моделей.
Ключевые слова: магнитовесовая установка, эксплуатационные характеристики, напор,
электромагнитная сила, весоизмерительная система, силовые взаимодействия, электромаг-
нит, индуктор, алюминиевый сплав.
У статті закладено цикл наукових досліджень по вивченню закономірностей електромагніт-
них силових взаємодій в існуючих магнітодинамічних установках для алюмінієвих сплавів на
основі теоретичного і прямого експериментального аналізу МГД-процесів. У повідомленні 1
наведено результати експериментальних досліджень закономірностей створення у робочій
зоні установки нормальної складової електромагнітної сили в залежності від напруги жив-
лення індукторів і електромагніту з використанням функціональних можливостей установки
з інтегрованою ваговимірювальною системою у режимі «насос». Встановлено кореляційні
закономірності створення електромагнітної сили, проведено аналітична перевірка адекват-
ності таких моделей.
Ключові слова: магнітовагова установка, експлуатаційні характеристики, напір, електро-
магнітна сила, ваговимірювальна система, силові взаємодії, електромагніт, індуктор, алю-
мінієвий сплав.
The article based on the series of scientific studies on the laws of electromagnetic interactions
in existing magnetodynamic installations for aluminum alloys on the basis of theoretical and
experimental analysis of direct MHD processes. The first report presents the result of experimental
studies of regularities of creating the work area setting of the normal component of the
electromagnetic force, depending on supply voltage and inductor electromagnet with features units
with integrated weighing system in the «pump». Correlation patterns create of electromagnetic field
12 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 5 (113)
Новые методы и прогрессивные технологии литья
in MDI, analytical check of such models on adequacy was perform. MDN-6A using the functionality
of the installation-stey magneto-weighting (MWI) with integrated weighing system (IWMS) in the
“pump”.Correlation patterns create of electromagnetic field in MDI , analytical check of such models
on adequacy was perform.
Keywords: magnet-weight installation, performance, pressure, electromagnetic force, weight-
measuring system, electromagnet, inductor, aluminum alloy.
Введение
Комплексные исследования и разработки, направленные на совершенствова-
ние технологических возможностей литейных магнитодинамических установок
(МДУ) по реализации ряда важнейших операций рафинирования, приготовления
и доводки по химическому составу [1, 2, 3], а также повышение эксплуатационных
характеристик таких установок, находят своё промышленное применение, имея
при этом прикладной результат, удовлетворяющий уровню требований в совре-
менном литейном производстве как в Украине, так и за рубежом [4].
Для совершенствования существующих МДУ для алюминиевых сплавов как миксе-
ров-дозаторов, так и заливочного оборудования, на сегодняшний день разработан
ряд комплексных технологических решений, предопределяющих МГД-установки как
агрегаты, соответствующие уровню современного литейного и металлургического
оборудования, реализующего управляемую подачу расплава в литейную форму, до-
зирование с высокой точно стью (погрешность не более 1,5 %) и в широком диапазоне
доз (от 0,3 до 400 кг), а также с возможностью широкого управления расходными
характеристиками заливаемого в форму расплава (от 0,05 до 10 кг/с) [5-7]. Особое
внимание уделяется вопросам управления, контроля, энерго- и ресурсосбережения
с точки зрения предопределения высокого уровня конкурентоспособности и рента-
бельности МГД-оборудования в современной литейном производстве.
На сегодняшний день главные приоритеты исследований и разработок учёных
в обла сти магнитной гидродинамики (МГД) сконцентрированы на создании новых
концептуаль ных подходов и принципов работы литейного МГД-оборудования, раз-
работке оригинальных конструкционных решений, направленных на существенное
расширение диапазона рабочих и эксплуатационных характеристик и повышение
КПД таких агрегатов, а также их ресурсо- и энергосбережение.
Совершенствование существующего МГД-оборудования и, особенно, создание
новых концептуальных решений разработки нового с целью расширения функцио-
нальных, технических и эксплуатационных характеристик на первом этапе комплекс-
ных научных исследований требует проведения полномасштабного, многофактор-
ного исследования закономерностей электромагнитных силовых взаимодействий
электрического тока, индуцируемого индукторами, с внешним магнитным полем в
рабочей зоне (р. з.) МДУ при создании электромагнитной силы, а также их взаимо-
действия с элементами конструкции МДУ.
Изложение основного материала
Возможность изучения и систематизации закономерностей гидродинамических,
электромагнитных, пондеромоторных и силовых взаимосвязей, возникающих между
жидким металлом и электромагнитными системами МДУ, появилась с разработкой
магнитовесовой установки (МВУ) [8]. МВУ, как комбинированная с весоизмери-
тельной системой (ВИС) МДУ, позволила на высоком современном уровне решить
задачу непрерывного, как статического, так и динамического, контроля фактической
массы находящегося в тигле и каналах МДУ расплава, производить высокоточное
измерение динамики изменения её величины во времени в процессах дискретной
разливки и обеспечить управляемую реализацию метода дозирования «по массе»
в диапазоне доз от 2 до 400 кг с относительной погрешностью от 2 до 0,5 %.
Магнитовесовая установка с интегрированной весоизмерительной системой
(МВУ с ИВИС) является концептуальным продолжением модернизации магнито-
динамической установки типа МДН-6А путём обеспечения непрерывного контроля
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 5 (113) 13
Новые методы и прогрессивные технологии литья
текущего (мгновенного) значения массы рас плава, находящегося в тигле и каналах
МДУ, регистрации и управления процессами дискрет ного дозирования открытой
струей методом «отсоединения массы» [9].
Особенностью МВУ с ИВИС является то, что силоизмерительные тензорези-
сторные датчики 4 (рис. 1) установлены непосредственно под тиглем 1 МДУ и на
их силовые входы действует сила, созданная только суммарной массой тигля с
каналом 2 и металлопроводом 3 и переменная масса расплава 13. Это решение
позволило снизить измеряемую массу mΣ «брутто» МДУ с mΣ = 4200 кг при ис-
пользовании платформенных весов, на которые устанавлива лась МДУ, до массы
«брутто» m′Σ = m
т
+ m
ф
+ m
м
+ m
р
= 1800 кг (в 2,5 раза), где весоизмери тельной си-
стемой измеряется масса тигля m
т
=300-500 кг, масса футеровки m
ф
= 300-500 кг,
масса металлопровода m
м
= 2-10 кг, максимальная масса алюминиевого рас плава
(при полном тигле) m
р
= 160-630 кг.
Опытно-промышленная проверка функционирования МВУ с ИВИС, наряду с
контро лем текущего значения массы расплава в тигле и канале МВУ, показала воз-
можность регистрации в реальном масштабе времени силового электромагнитного
взаимодействия жидкоме таллического витка с током с внешним магнитным полем
С-образного электромагнита.
При работе МДУ на находящийся в Ш-образном канале, рабочей зоне и тигле
расплав оказывает комплексное силовое электромагнитное воздействие, реги-
стрируемое в реальном масштабе времени в весовом эквиваленте (кг) с помощью
ИВИС. При этом величина «силового» электромагнитного взаимодействия – ∑F
эм имеет отрицательное значение, так как (рис. 1) нормальная составляющая вектора
электромагнитных сил, создаваемых в р. з. МДУ, направлена в противоположную
сторону действия силы тяжести F = mg, тем самым осуществляя эффект «разгрузки»
взвешиваемой с помощью ИВИС конструкции тигель-канал-расплав на величину, про-
порциональную действующему значению пульсирующих электромагнитных сил [1, 9].
Регистрируемое значение ∑F
эм
является векторной суммой действующих зна-
чений нормальных составляющих: F
эм.сил
– электромагнитная сила создаваемая в р.
з. МДУ, Н; F
реак.констр.
– силовое электромагнитное взаимодействие магнитного поля
электромагнита B с металлоконструк цией Ш-образного канала в окрестности по-
люсов электромагнита, Н; F
эм.взаимод
– переменный электрический ток I на горизон-
тальном участке Ш-образного канала в окрестности р. з. МДУ с С-образным маг-
нитопроводом электромагнита, Н; F
рад.сила
– электромагнитная сила, обусловленная
взаимодействием тангенциальной составляющей тока I в канале и магнит ного поля
индукторов (радиальная сила), Н.
Пульт
управления
Цифровой
индекатор
массы
Шкаф
управления
Блок
питания
Вид по стрелке А
5
7
8
2
3
13
1
14
4
10
9
6
11
12
Рис. 1. Структурно-функциональная схема магнитовесовой установки с интегри-
рованной весоизмерительной системой (МВУ с ИВИС)
А
14 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 5 (113)
Новые методы и прогрессивные технологии литья
Ранее, до создания МВУ с ИВИС, контроль величины, создаваемой в МДУ электро-
магнитной силы, осуществлялся несколькими способами [11]. Однако ни один из
них не применяли в качестве средства контроля и управления электромагнитным
давленем, а сведений о применении указанных подходов для исследования со-
ставляющих электромагнитных взаимодействий в МДУ не имеется.
Отличие функциональных возможностей МВУ с платформенной ВИС и МВУ с
ИВИС можно представить путём сравнения уравнений баланса сил.
Для случая МВУ с платформенными весами в левой части уравнения (1) записана
сумма сил, действующих на ВИС (в весовом эквиваленте), а в правой – регистри-
руемые значения массы; кг:
(mмет.тиг. + mконстр. ) · g = F(mВИС) · g, (1)
где mконстр.
( )m m m m m m m mконструкции т ф к м.п. ш эм.сист. мет.кан.= + + + + + + = 4230 кг..
Диапазон вариации величины F(mВИС)
для платформенной ВИС, на которую уста-
новлена МДН-6А-0,63-М, составляет 4230-4830 кг.
Для случая МВУ с ИВИС, уравнение баланса сил не имеет составляющей массы
шасси и электромагнитных систем (mш + mэм.сист. = 0), но при работе МДУ в режимах
создания электромагнитного давления имеет дополнительные «нормальные» со-
ставляющие силовых электромагнитных взаимодействий, кг:
( ) ( )
( )
⋅
⋅
т ф к м.п. эм.сил. реак.констр. эм.взаимод. рад.сил.
ИВИС
+ + + - + + + =
=
m m m m g F F F F
F m g,
(2)
где F(mВИС) ⋅ g – величина, измеряемая ИВИС, преобразованная в силу, пропор-
ционально весовому эквиваленту, Н; mмет – масса расплава в тигле и канале МДУ
(30-630), кг; mм – масса тигля МДН-6А-0,63-М (500), кг; mф – масса футеровки
(500), кг; mк – масса канала (≈ 160), кг;
mм.п – масса металлопровода, термопары,
прочих приспособлений, кг.
Исследование силовых взаимодействий
Для изучения и систематизации закономерностей электромагнитного силового
взаимодействия в работе проводили экспериментальные исследования на магни-
тодинамической установке типа МДН-6А-0,25-М, оснащённой ИВИС с использова-
нием алюминиевого расплава марки АК7 массой от 100 до 500 кг при температуре
680-740 0С.
Для выделения «эквивалентов силовых взаимодействий» в чистом виде перед
включением магнитодинамической установки в режим «насос» на весоизмеритель-
ном индика торе ИВИС производили обнуление величины «тара», определяющей
статическую нагрузку на ИВИС (mт + mф + mк + mм.п) ⋅ g = 0. При включении МДУ в
режим «насос» на индикаторе ИВИС выводилась величина (mивис), характеризую-
щая суммарное значение сило вого воздействия электромагнитных сил и силовых
электромагнитных взаимодействий в весовом эквиваленте, кг, (∑Fэм = (Fэм.сил. +
+ Fреак.констр. + Fрад.сил.)/F(mивис)).
Составляющая Fэм.взаимод. величины силового электромагнитного взаимодействия
перемен ного электрического тока на горизонтальном участке Ш-образного канала
в окрестно сти р. з. МДУ с С-образным магнитопроводом электромагнита не влияла
на вели чину создаваемой электромагнитной силы, так как магнитный поток F
эм.взаим
компенсиро вался магнитным потоком F
0
,
индуцируемым обмотками электромагнита
(F = F
0
– F
эм.взаим
, F
0
>> Fэм.взаим).
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 5 (113) 15
Новые методы и прогрессивные технологии литья
При изучении закономерностей «силовых» электромагнитных взаимодействий в
МДУ – ∑F
эм
, в работе было принято использовать в качестве аргумента (параметра
управле ния) величину напряжения, подаваемого непосредственно на обмотки ин-
дукторов (U
инд
) и электромагнита (U
эм
)
– ∑F
эм
= f(U
инд
, U
эм
). Величина электрического
напряжения является основным параметром управления электромагнитными си-
стемами МДУ (индукторами и электромагнитом) при её работе в различных режи-
мах (хранение, нагнетание, боковое перемешивание и т. д.), а закономерности их
регулирования являются первостепенными при разработке специальных источни-
ков питания (ИП) электромагнитных систем МДУ и САУ (система автоматического
управления). Для осуществления более глубокого анализа электромагнитных про-
цессов взаимодействия индуцированного в Ш-образном канале МДУ электрического
тока и индукции магнитного поля, как в магнитопроводе электромагнита, так и в
межполюсном пространстве (в р. з.), установленные закономерности могут быть
легко приведены к классическому выражению создания электромагнитных сил и
электромагнитного давления в МДУ с тройниковой р. з. [1].
На первом этапе исследовали зависимость нормальной составляющей суммар-
ных электромагнитных силовых взаимодействий (∑ F
эм
= f(U
инд
, U
эм
)) в МВУ с ИВИС
при включе нии МДУ в режим «насос», при включении индукторов в синфазный режим
(АВ-АВ) на ступени 1, 3 и 5 (соответственно 42, 60 и 80 В на каждую) и варьируемых
значениях напряжений, подаваемых на электромагнит, от 40 до 80 В (ступени 1, 2,
3, 4, 5). Полученные экспериментальные данные показаны на рис. 2.
Экспериментальные зависимости (∑ F
эм
= f(U
инд
, U
эм
)), (рис. 2.), можно интерпо-
лировать к линейной корреляционной математической модели, - полиному 1 или 2-й
степени. Первичная интерполяция (корреляционный анализ) экспериментальных
зависимостей показала, что при использовании для интерпретации полиномиальных
законов от 1 до 3-й степени коэффициенты 2 и 3-oй степени (k
2
⋅ x2 и k
3
⋅ x3), имеют
значения порядка 10-3 и 10-5, находятся в диапазоне погрешностей измерений
экспериментальных величин и ими можно пренебречь. Наиболее приемлемым для
анализа (рис. 2, а) принят тип корреляционной зависимости линейного уравнения
1-й степени типа y(x) = k · x + c.
Аналитический вид зависимости (∑ F
эм
=fU
эм
), (рис. 2, а) от напряжения, подава-
емого на обмотки электромагнита (U
эм
(40÷80 B) var) для 4-х значений U
инд
(43, 25,
58, 73 В) = const на индукторах, имеет вид:
Рис. 2. Экспериментальные зависимости суммарных электромагнитных сил (∑Fэм= (F
эм.сил.+
+(Fреак.констр+Fред.сил.) от напряжения, подаваемого на электромагнит МДУ (а) – (∑Fэм=fUэм), для
трёх значений напряжения питания индукторов при работе МДУ в режиме «насос» и напря-
жения, подаваемого на индукторы (∑Fэм=fUинд) – (б)
б
2
3
1
3
2
1
а
1 - Uинд – 47 В
2 -Uинд – 59 В
3 - Uинд – 77 В
1 - Uэм – 47 В
2 -Uэм – 59 В
3 - Uэм – 77 В
16 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 5 (113)
Новые методы и прогрессивные технологии литья
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( )
− ⋅ ⋅
− ⋅ ⋅
− ⋅ ⋅
− ⋅ −
∑
∑
∑
∑
эм инд=43,4 эм эм
эм инд=52,0 эм эм
эм инд=57,5 эм эм
эм инд=73,0 эм эм
, = 0,309224 + 0,729145 , = 99,15 % ;
, = 0,325305 + 0,589465 , = 99,69 %;
, = 0,364912 + 0,857896 , = 99,82 %;
, = 0,350877 1,578
F U U U g R
F U U U g R
F U U U g R
F U U U( ) ⋅95 , = 99,95 %.g R
(3)
Установленные зависимости (3) могут быть использованы для управления элек-
тромагнитным давлением МДУ в режиме «насос» путём регулирования напряжения
(U
эм
) независимо от параметров работы индукторов U
инд
(напряжения на индукторах
МДУ), что позволит реализовать независимое управление режимом нагрева рас-
плава при его электромагнитной разливке [12].
Анализ зависимостей влияния напряжения питания индукторов (∑F
эм
= f(U
инд
)
интерполировали к полиному 2-й степени (рис. 2, б). Зависимости
от напряжения,
подаваемого на индукторы (U
инд
(40÷80 В) – var), при неизменных значениях напря-
жения на электромагните (U
эм
(43, 52, 58, 73 В)) имеют вид (4):
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
⋅ ⋅ − ⋅ ⋅
⋅ ⋅ − ⋅ − ⋅
⋅ ⋅ − ⋅ ⋅
∑
∑
∑
F U U U U
R
F U U U U
R
F U U U U
R
-3 2
эм инд эм=48 инд инд
-3 2
эм инд=58 эм=60 инд инд
-3 2
эм инд=73 эм=78 инд эм
, = 2,1855 10 0,419108 + 0,456612 g,
= 99,7%;
, = 3,86597 10 0,589209 0,106744 g,
= 99,47%;
, = 8,70144 10 1,23261 +14,6097 g,
= 99,99%.
(4)
В приведении к двухфакторной зависимости (∑F
эм
= f(U
инд
, U
эм
)) полученных экс-
периментальных данных (рис. 2, а, б), путём приведения к виду простой линейной
плоскости вида: 1 – (∑Fэм(Uинд, Uэм) = k1⋅Uинд +k2 ⋅ Uэм+c) ; 2 – билинейная седловой
функции (∑Fэм(Uинд, Uэм) = k1⋅Uинд +k2 ⋅ Uэм+ k3 ⋅Uинд ⋅Uэм + c) ; и 3 – вид квадратичного по-
линома 2-й степени (∑Fэм(Uинд, Uэм) = k1⋅Uинд + k2 ⋅Uэм+ k3 ⋅Uинд ⋅ Uэм + k4⋅Uинд k5 ⋅ Uэм
2 +c),
такие зависимости приобретают следующий вид (5) 4:
( ) ( )
( )
( )
1− − ⋅ − ⋅ ⋅
− ⋅ − ⋅ −
− ⋅
− ⋅ ⋅
− ⋅ − ⋅ −
− ⋅ −
∑
∑
∑
эм инд эм инд эм
инд эм
эм инд эм
инд эм
2 2
инд эм
эм инд эм инд
, = 0,09229 0,3456 + 6,2683 = 89 %;
0,01126 0,2743
2 , = = 95,7 %;
0,001404 + 2,1729
0,001093 0,000794
3 , = +0,065497
F U U U U g, R
U U
F U U g, R
U U
U U
F U U U
⋅ − ⋅
− ⋅ −
эм
инд эм
0,22967 = 99,47 %.
0,0006× 0,950214
U g, R
U U
(5)
3-е уравнение (5) более полно отображает характер нелинейности влияния
электромагнитных взаимосвязей индуцированных в Ш-образном канале МДУ токов
(с плотностью от 3 до 8 МА/м2) с магнитными полями электромагнита (0,05-0,3 Тл);
может справедливо использоваться в качестве математической модели для расчёта
электромагнитных сил в р.з. МДУ и для дальнейшего теоретического обоснования
МГД-воздействий. Для случая практического применения в САУ на базе микропро-
цессорной техники приемлемо использовать 1-е и 2-е уравнения (5).
Анализ полученных выражений (5), с точки зрения оценки соотношения коэффи-
циентов – k1/k2 (рис. 3), позволяет оценить роль и степень участия индуцирован-(рис. 3), позволяет оценить роль и степень участия индуцирован-рис. 3), позволяет оценить роль и степень участия индуцирован-), позволяет оценить роль и степень участия индуцирован-, позволяет оценить роль и степень участия индуцирован-
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 5 (113) 17
Новые методы и прогрессивные технологии литья
ных в жидкометаллическом витке Ш-образного канала МДУ токов (I) к магнитному
полю (B), а именно роль участия составляющей тока в индукции магнитного поля
для создания электромагнитной силы в р. з. МДУ, которая составляет – k1/k2 =
=[Uинд/Uэм] = 1/(3,7÷3,5)= 0,27÷2,29. Соотношение коэффициентов нелинейности
2-го порядка k4/k5 = [Uинд/Uэм] = 1,375/1 характеризует снижение степени влияния
величины напряжений питания индукторов при создании максимальных значений
электромагнитных сил (до 30 кПа).
Для преобразования измеряемых с помощью ИВИС суммарных электромагнит-
ных сил (ΣFэм(Uинд,Uэм) в создаваемое в р. з. МДУ электромагнитное давление (р
эм
)
и для его сопоставления с напорными характеристиками, принимая во внимание
то, что на создание собственно гидравлического напора в центральном трубо-
проводе Ш-образного канала МДУ за пределами р. з. МДУ действует лишь часть
нормальной составляющей силы f, проецируемой на сечение выпускного патрубка
тройниковой р. з. – Sпат.р.з.
, а также то, что за пределами тройниковой р. з. (рис. 1)
на расплав не действуют объёмные однонаправленные электромагнитные силы
Fэм = dfэ/dV [1], произведём преобразования полученных закономерностей (3, 4 и
5) к виду: h = f(p) ≡ f(fэм), м:
( ) ( ) ( )ρ ⋅ ⋅эм эм пат.р.з. эм= / g = ,м.h f f S k f , (6)
где k =1/(Sпат.р.з · р · g) ≈ 0,0441÷0,053 с2/кг; ρ – плотность алюминиевого расплава, кг/м3
(для расплава АК7 при температуре 700 0С ρ ≈ 2450 кг/м3); fэм – величина электромаг-
нитной силы, Н; Sпат.р.з.
– площадь сечения выпускного патрубка тройниковой рабочей
зоны МДУ, м2 , (S1пат.р.з = (7,85÷9,42)10-4).
При создании максимального «паспортного» значения электромагнитного дав-
ления в МДУ (p
эм
= 30 кПа) в р. з. по выражению (6), возникает «эффективная»
электромагнитная сила f*эм = 23,55÷31,84 Н, создающая пьезометрический напор
столба алюминиевого расплава в металлопроводе выше уровня расплава в тигле
h =23,55 · 0,053 ≈ 31,84 · 0,0441 ≈ 1,250, м.
Однако, сравнение величин эффективной электромагнитной силы fэм* и изме-
ренной с помощью ИВИС ΣFэм
(рис. 2, 3) показало, что их величины отличаются
на порядок (более чем в 10 раз) (например для
р
эм
30 кПа, – fэм*(23,55÷31,84 Н)<<
<< ΣFэм (284,5 Н)), а сравнение «массовых эквивалентов» при этом составляет
как 2,4÷3,25 к 29,5, кг.
Рис. 3. Корреляционная модель ∑Fэм(Uинд,Uэм)( а – линейного типа (1-й тип), (5-1) и б – ква-
дратичного полинома (2-й тип), (5-3)), создаваемая в МДУ суммарной электромагнитной
силы (кг), от напряжения, подаваемого на обмотки индукторов (Uинд) и электромагнита (Uэм)
а б
18 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 5 (113)
Новые методы и прогрессивные технологии литья
Для преобразования установленных экспериментально силовых закономерно-
стей (3, 4, 5) к гидравлической «эффективной» электромагнитой силы, создающей
гидравлическое давление в расплаве вне р. з. fэм*, представим её соотношение к
ΣFэм с коэффициентом
kпот, характеризующим совокупные в р. з. потери (7), Н:
( )( ) ( )⋅ ÷ ⋅ ÷ ⋅∑ ∑ ∑f k F F F*
эм пот эм эм эм= = 23,55 31,84 / 284,50 = 0,0828 0,112 , (7)
где kпот – коэффициент, учитывающий потери электромагнитных сил, действующих
в р. з. МДУ при создании электромагнитного давления (kпот = 0,0828÷0,112).
Таким образом, реально установленное значение эффективности (КПД) дей-
ствия электромагнитных сил в тройниковой р. з. МДУ на создание гидравлического
давления в системе рабочая зона МДУ-центральный трубопровод Ш-образного
канала-металлопровод составляет от 8,2 до 11,2 %.
С учётом вышесказанного и (7) выражение (6) будет иметь вид, м:
.
Σ
Σ ⋅ ⋅ ⋅ Σ
⋅
÷ ⋅ Σ
F S
h F k k k F
p g
F
эм пот.р.з.
эм пот пот эм
эм
/
( ) = = =
= (0,00439 0,004935)
(8)
В данном случае, выражение (8) является закономерностью преобразования
измеряемых с помощью ИВИС и создаваемых в р. з. МДУ объёмных электромаг-
нитных сил к величине развиваемого в МДУ электромагнитного напора (давления),
а математическая корреляционная модель зависимости напорных характеристик
МДУ от напряжения питания индукторов и электромагнита с учётом (5) и (8) будет
иметь вид (9), м:
инд эм
инд эм
инд эм
− − −
− ÷ ⋅ − −
− −
h U U . g.
2 2
инд эм
( 0,001093U 0,000794 U
( , ) = 0,00439 0,00494) +0,065497U 0,22967 U
0,0006U U 0,950214
(9)
Проверка «адекватности» математической модели (15), её соответствия реальным
экспериментальным зависимостям напорных характеристик (полученных по методике
измерения реального перепада уровней металла в тигле МДУ и в металлопроводе [8])
в зависимости от напряжения питания электромагнита (от 35 до 75 В) и для 3-х значе-
ний напряжения, подаваемого на обмотки индукторов (44, 58 и 73 В), подтвердила
соответствие математической модели (9) (рис. 4). Девиация математической модели
напора в МДУ с учётом совокупной погрешности экспериментальных измерений
напряжения и напорных характеристик ±2,5-3 % составила не более ±7 % (R = 0,9).
Однако в результате проверки адекватности (рис. 4) произведение коэффициен- (рис. 4) произведение коэффициен-произведение коэффициен-
тов потерь и преобразования проецирования электромагнитных сил на выпускной
патрубок тройниковой р. з. (kпот· k = 0,00439÷ 0,004935) показал некоторое несоответ-
ствие к реальным напорным характеристикам, установленным экспериментальным
путем при варьировании напряжения, подаваемого на индукторы МДУ. Обоснование
причин нелинейности может заключаться в особенностях процессов перераспре-
деления плотности тока в проекции тройниковой рабочей зоны, а также наличия
МГД-явлений, имеющих место в ней (рис. 5) [10].
Реальный коэффициент потерь (kпот) для выражения (9) оказался несколько выше
предполагаемого диапазона вариации (рис. 5, 1, 2). Фактическая зависимость
коэффициента K* = kпот · k · f(Uинд) при этом имеет нелинейный характер (рис. 5, 3), и
может быть представлена в виде полинома 2-й степени как функция от напряжения,
подаваемого на индукторы МДУ:
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 5 (113) 19
Новые методы и прогрессивные технологии литья
K* = kпот · k · f(Uинд) = – 9,54 · 10-7 · U2
инд + 0,000118 · Uинд + 0,00191. (10)
В этом случае, выражения (8) и (9) имеют вид, м:
( )Σ Σ ÷ ⋅h F K * F Fэм эм эм= = (0,00525 0,0055) , (11)
( ) ÷ ×
× − ⋅ ⋅ ⋅ ×
− ⋅ − ⋅ −
× ⋅ − ⋅ − ⋅
− ⋅ ⋅ −
h U U
U U
U U
U U
U U
инд эм
-7 2
инд инд
2 2
инд эм
инд эм
инд эм
* , = (0,00525 0,0055)
( 9,54 10 + 0,000118 + 0,00191)
0,001093 0,000794
+0,065497 0,22967 g.
0,0006 0,950214
(1 2)
0,0060
0,0055
0,0050
0,0045
0,0040
40 50 60 70 80
Напряжение на индукторах, ВК
о
эф
ф
и
ц
и
е
н
т
п
р
о
п
о
р
ц
и
о
н
ал
ьн
о
ст
и
Рис. 5. Нелинейность зависимости коэффициента пропорци-
ональности (потерь) от напряжения, подаваемого на обмотки
индукторов. (1, 2 – нижний и верхний интервалы вариации
коэффициента пропорциональности, 3 – фактический)
Рис. 4. Сравнение расчётных и экспериментальных значений
напорных характеристик МДУ (адекватность математической
модели)
30 40 50 60 70 80
Н
ап
о
р
, м
500,00
75000
1000,00
1250,00
1500,00
Uинд=73 В
Uинд=57,5 В
Uинд=43,6 В
Напряжение на электромагните, В
20 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 5 (113)
Новые методы и прогрессивные технологии литья
Следующим этапом комплексных многофакторных исследований в МВУ для
алюминиевых сплавов является изучение, систематизация и обоснование законо-
мерностей силовых электромагнитных взаимодействий жидкометаллического витка
с током, с конструкцией тигля и канала МДУ – Fреак..констр. при протекании в нём токов
повышенной плотности, создаваемых в р. з. электромагнитных сил – Fэм.сил., а также
сил, возникающих в результате взаимодействия индукторов с жидкометаллическим
витком в сдвоенном Ш-образном канале Fрад.сил., силового эквивалента взаимодей-
ствия переменного электрического тока на горизонтальном участке Ш-образного
канала МДУ в окрестности р. з. с магнитопроводом электромагнита Fэм.взаимод. при
реализации технологических режимов «хранения» и «бокового перемешивания»,
применяемых в технологиях электрофизической обработки алюминиевых расплавов.
Совокупность реализованных в настоящей работе подходов, исследований,
контроля и управления технологическими и эксплуатационными характеристиками
работы МДУ позволяет в дальнейшем разработать ряд специальных, высокоточных
способов исследования рабочих и физических свойств и характеристик расплава в
процессе его комплексной электрофизической обработки (второе и третье сообще-
ния) путём прямого, непрерывного и в реальном масштабе времени многофактор-
ного измерения параметров токовой составляющей в жидкометаллическом витке
и его температуры. Многофакторная полномасштабная систематизация электро-
магнитных взаимосвязей в МДУ позволит, наряду с оптимизацией технологических
процессов обработки и литья алюминиевых сплавов, создать высокоточные адек-
ватные компьютерные модели МДУ и на их основе разработать концептуальные
подходы совершенствования существующих и создания МГД-оборудования нового
поколения.
Выводы
• С целью систематизации и более глубокого понимания закономерностей
электромагнитных силовых взаимодействий в МДУ для алюминиевых сплавов раз-
работана оригинальная методика прямого измерения в реальном масштабе времени
нормальных составляющих силовых эквивалентов электромагнитного взаимодей-
ствия электрических токов в жидкометаллическом витке и внешних электромаг-
нитных полей, создаваемых внешним электромагнитом с собственными электро-
магнитными системами таких установок по принципу пондеромоторных связей.
• В результате экспериментальных исследований впервые установлены и при-
ведены к виду трёхмерной (3D) двухфакторной математической модели (адекватной
для использования в САУ и создания компьютерной модели управления электромаг-
нитными системами МДУ в режиме электромагнитной разливки). Получены зависи-
мости создания электромагнитных сил в тройниковой р. з. МДН-6А от параметров
питания индукторов и электромагнита, а также проведено их преобразование в
создаваемое на выходе из р. з. гидравлическое давление. Проведена аналитиче-
ская и экспериментальная проверка адекватности установленных корреляционных
моделей.
• Аналитическая оценка степени участия создаваемых в р.з. МДУ реальных
значений нормальной составляющей объёмных электромагнитных сил и их пре-
образования в напор (давление) на выходе из р. з. показала, что реально установ-
ленное значение эффективности (КПД) тройниковой р. з., с точки зрения создания
гидравлического давления в системе рабочая зона МДУ-центральный трубопровод
Ш-образного канала-металлопровод составляет от 8,2 до 11,2 %, что является след-
ствием сугубо низкого уровня соответствия геометрии р. з. МДН-6А и распределения
объёмных электромагнитных сил в ней, в том числе и процессов распределения
плотности тока, индукции магнитного поля и наличия влияния МГД-явлений, их
взаимодействия в межполюсном зазоре С-образного электромагнита.
• В результате опытно-промышленной проверки функциональных возможностей
МВУ с интегрированной весоизмерительной системой была установлена возмож-
ность высокоточной регистрации и контроля в реальном масштабе времени, наряду
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 5 (113) 21
Новые методы и прогрессивные технологии литья
с векторной суммой действующих значений нормальных составляющих электро-
магнитных сил, создаваемых в р. з. МДУ, силовых эквивалентов электромагнитно-
го взаимодействия магнитного поля электромагнита B с металлоконструкцией
Ш-образного канала в окрестности полюсов электромагнита, переменного элек-
трического тока I на горизонтальном участке Ш-образного канала в окрестности
р. з. МДУ с С-образным магнитопроводом электромагнита, а также радиальных сил,
обусловленных взаимодействием тангенциальной составляющей тока I в канале и
магнитного поля индукторов.
1. Магнитодинамические насосы для жидких металлов / В. П. Полищук, М. Р. Цин, Р. К. Горн
и др. – Киев: Наук. думка, 1989. – 256 с.
2. Современные устройства для электромагнитного перемешивания алюминиевых расплавов
в печах и миксерах повышенной емкости / В. И. Дубоделов, В. Н. Фикссен, М. С. Горюк,
Н. А. Слажнев, Ю. П. Скоробагатько // Металл и литьё Украины. – 2008. – № 6. – С. 12-17.
3. Патент України на винахід № 100399. Спосіб і пристрій для рафінування розплавлених
металів і сплавів / МПК (2012.01), С22В 9/05, C22B 21/00, C21C 7/072 // Фікссен В. М.,
В. І. Дубодєлов, М. А. Слажнєв (ФТІМС НАН України). – Заявл. 13.07.2010 р. № а 2010 08730.
– Опубл. 25.12.2012, Бюл. № 24. – 8 с. іл.
4. Jung-Moo Lee, Hyun-Suk Sim, V. Dubodelov, V. Fikssen and M. Slazhniev. In-line Degassing
Treatment of A356 Alloy using the Electromagnetic Melt Transferring Pump // Proceedings of the
12th International Conference on Aluminium Alloys, September 5-9, 2010, Yokohama, Japan.
– P. 1714-1719.
5. Слажнев Н. А. Магнитовесовая установка с микропроцессорным контролем и управлением
дозированной разливкой алюминиевых расплавов / Н. А. Слажнев, В. И. Дубоделов,
К. С. Богдан // Металлургические процессы и оборудование. – 2012. – № 1 (27) – С. 36-41.
6. Слажнев Н. А. Исследование динамических процессов при дозированной разливке алюми-
ниевых расплавов из магнитовесовой литейной установки / Н. А. Слажнев, В. И. Дубоделов,
К. С. Богдан // Процессы литья. – 2011. – № 4. – С. 34-40.
7. Слажнев Н. А. Система коррекции расходных характеристик магнитовесовой установки при
переменном уровне расплава в тигле // Металл и литьё Украины. – 2011. – № 8. – С. 34-40.
8. Патент України № 66908 на корисну модель. Магнітовагова ливарна установка / Слажнєв М. А.,
Дубодєлов В. І., Богдан К. С., Санкін А. О. МПК (2011.01) В22D 13/00, G01G 19/12 (2006.01).
– Опубл. 25.01.2012; Бюл. № 2.
9. Патент України № 68766 на корисну модель. Установка для лиття під низьким електро-
магнітним тиском / Слажнєв М. А., Богдан К. С., Дубодєлов В. І., Моісеєв Ю. В., Фікссен В. М;
МПК В22D 18/04, G01G 19/12. – Опубл. 10.04.2012. – Бюл. № 7.
10. Дубоделов В.И. Влияние магнитогидродинамических процессов в рабочей зоне магнито-
динамических установок на их эксплуатационные характеристики / В. И. Дубоделов,
Ю. В. Моисеев, Н. А. Слажнев, К. С. Богдан, Н. А. Кудрявченко, В. К. Погорский, А. О. Горш-
ков // Процессы литья. – 2013. – № 3. – С. 64-73.
11. Авт. свид. 1138238А SU. Способ регулирования давления при литье под низким электро
магнитным давлением / Фикссен В.Н., Полищук В.П., Моисеев Ю.В., Пужайло Л.П., Прже-
мысский С.К. B22D, 17/32, опубл. 7.02.1985, Бюл. № 5.
12. Патент України № 54799 на корисну модель. Магнітоваговий дозатор дискретної дії для
металевих розплавів / Богдан К. С., Дубодєлов В. І., Моісеєв Ю. В., Слажнєв М. А., Санкін А. О.,
Фікссен В. М. МПК (2009) В22D 13/00, G01G 19/00 (2010.05), опубл. 25.11.2010. – Бюл.
№ 22, 2010 р.
Поступила 14.04.2015
|