ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА С ПООЧЕРЕДНЫМ ДЕЙСТВИЕМ БЕГУЩЕГО И ПУЛЬСИРУЮЩЕГО МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Electromagnetic system for liquid metal stirring in melting furnaces and mixers which creates alternately travelling and pulsating magnetic fields is presented. For such combined stirrer the 3D computer modelling of electromagnetic and hydrodynamic processes is carried out. The electromagnetic compu...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1114 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technical Electrodynamics |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870203784180793344 |
|---|---|
| author | Глухенький , А.И. Гориславец , Ю.М. Максименко , В.Ю. |
| author_facet | Глухенький , А.И. Гориславец , Ю.М. Максименко , В.Ю. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "А.И. Глухенький ",
"institution": "Институт электродинамики НАН Украины, пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина"
},
{
"author": "Ю.М. Гориславец ",
"institution": "Институт электродинамики НАН Украины, пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина"
},
{
"author": "В.Ю. Максименко ",
"institution": "Институт электродинамики НАН Украины, пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина"
}
] |
| author_sort | Глухенький , А.И. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-01-10T12:06:36Z |
| description | Electromagnetic system for liquid metal stirring in melting furnaces and mixers which creates alternately travelling and pulsating magnetic fields is presented. For such combined stirrer the 3D computer modelling of electromagnetic and hydrodynamic processes is carried out. The electromagnetic computations were performed at given coils voltages in the system. The hydrodynamic computations were made for both stationary and non-stationary conditions. As shown, the periodic alternation of travelling and pulsating magnetic fields allows realize effective metal stirring in all space of furnace bath. The electromagnetic and hydrodynamic characteristics of the stirrer are obtained. References 3, tables 1, figures 2. |
| first_indexed | 2026-06-16T01:20:10Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4 123
ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЇ
УДК 621.74: 537.84
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА С ПООЧЕРЕДНЫМ
ДЕЙСТВИЕМ БЕГУЩЕГО И ПУЛЬСИРУЮЩЕГО МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
А.И.Глухенький, канд.техн.наук, Ю.М.Гориславец, докт.техн.наук, В.Ю.Максименко
Институт электродинамики НАН Украины,
пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина
e-mail: ugoris@ied.org.ua
Представлена электромагнитная система для перемешивания жидкого металла в плавильных печах и миксе-
рах, способная поочередно создавать бегущее и пульсирующее магнитные поля. Проведено компьютерное 3D
моделирование электромагнитных и гидродинамических процессов для такого комбинированного перемешива-
теля. Электромагнитные расчеты выполнялись при заданных напряжениях на катушках системы. Гидроди-
намические расчеты проводились как для стационарного, так и нестационарного режимов. Показано, что пе-
риодическое чередование бегущего и пульсирующего магнитных полей позволяет реализовать эффективное
перемешивание металла во всем объеме ванны печи. Получены электромагнитные и гидродинамические ха-
рактеристики перемешивателя. Библ. 3, табл. 1, рис. 2.
Ключевые слова: электромагнитный перемешиватель, жидкий металл, компьютерное моделирование, электро-
магнитное поле, гидродинамическое течение.
Перемешивание жидкого метала в процессе плавки и приготовления металлических сплавов позволяет
выровнять температуру и химический состав в объеме расплава, ускорить растворение легирующих и модифи-
цирующих добавок и, в конечном итоге, повысить качество выплавляемого металла. Такое перемешивание за-
частую осуществляется с помощью электромагнитных перемешивателей, которые используют бегущее магнит-
ное поле, созданное многофазными (двух- и трехфазными) индукторами. Особенно острая необходимость в
перемешивании расплава, как известно, возникает в отражательных печах и миксерах, нагрев металла в кото-
рых осуществляется сверху. Электромагнитный перемешиватель в этом случае обычно пристыковывается к
боковой стенке ванны печи, за счет чего в ней создается одноконтурное (в плане) вихревое течение жидкого
металла. Недостатком такого течения является то, что в центральной части ванны печи образуется застойная
зона, в которой металл недостаточно перемешивается. Улучшить ситуацию можно за счет использования пере-
мешивателя с пульсирующим магнитным полем [2]. Такой перемешиватель в отличие от перемешивателя с бе-
гущим магнитным полем создает в ванне двухконтурное вихревое течение, эффективно перемешивающее
именно центральную зону.
Для существенного улучшения перемешивания металла во всем объеме ванны печи нами было предло-
жено периодически чередовать указанные вихревые структуры, т.е. чередовать между собой одноконтурное и
двухконтурное вихревые течения. Целью данной работы является исследование электромагнитных и гидродина-
мических характеристик электромагнитного перемешивателя, способного создавать указанные структуры течений
за счет поочередного (периодического) действия на металл бегущего и пульсирующего магнитных полей.
На рис. 1 показана электромагнитная система (индуктор)
одного из простейших в конструктивном плане перемешивателей,
способных поочередно создавать такие поля. Она состоит из ших-
тованного ферромагнитного сердечника П-образной формы и двух
катушек, одетых на стержни сердечника. При подключении этих
катушек на однофазное напряжение такая система создает в жидком
металле пульсирующее магнитное поле, а при подаче на них напря-
жений, сдвинутых между собой на 60 эл. град., – бегущее поле.
Для такой системы выполнено компьютерное 3D моделиро-
вание электромагнитного поля и гидродинамики жидкого металла
применительно к отражательной печи для алюминия. Считается, что
между жидким металлом и индуктором находится электроизоляци-
онная плита, стойкая в среде жидкого алюминия. Для упрощения задания источников электромагнитного поля
каждая катушка разбивалась на подобласти с одинаковым пространственным направлением плотности тока, сов-
падающим с одним из направлений декартовых координат. Методика численного трехмерного моделирования
электромагнитного поля при заданных плотностях тока в катушках перемешивателя представлена в [1].
В данной работе моделирование электромагнитного поля осуществлялось при заданных напряжениях
на катушках перемешивателя, что обеспечивает учет реальных углов сдвига фаз между токами в катушках при
© Глухенький А.И., Гориславец Ю.М., Максименко В.Ю., 2014
Рис. 1
400
300
200
100
x
z y
Ωi
Jвн
124 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4
питании их от промышленной сети. Это потребовало решения цепи-полевой задачи, представляющей собой
систему интегро-дифференциальных уравнений для векторного магнитного А и скалярного электрического φ
потенциалов, а также уравнений баланса напряжений для каждой катушки перемешивателя
вн00
211
0 )()()( JAA &&&& =∇++−+×∇×∇ −− ϕεωεσεεωωσμμ rrr jj , (1)
∫∑
Ω=
±ω+=Φω+=
i
dVA
S
wjRIwjRIU j
n
i
&&&&&
1 к
мв
1 . (2)
В этих уравнениях μ0 и ε0 – магнитная и диэлектрическая проницаемости вакуума, μr и εr – относитель-
ные магнитная и диэлектрическая проницаемости, σ – удельная электропроводность, ω – угловая частота, внJ& –
внешняя плотность тока, U& , I& , R, w, Sк – напряжение, ток, активное сопротивление, количество витков и попе-
речное сечение катушки соответственно, мвΦ& – потокосцепление "массивного" витка с плотностью тока
квн / SwIJ && = (при σмв = 0) [3], jA& – декартова компонента векторного магнитного потенциала по направлению
проводника с током в i-той подобласти (Ωi) катушек. Для представления в уравнении (2) в соответствии с тео-
ремой Стокса магнитного потока через векторный магнитный потенциал ( ∫=Φ lAd ) знак в подынтегральном
выражении для каждой из подобластей определяется с учетом правила скалярного произведения векторов.
Распределение скорости u жидкого металла в ванне находилось путем численного расчета уравнений
Навье-Стокса для турбулентного течения с использованием k-ε модели турбулентности, который выполнялся
для стационарного ( 0/ =∂∂ tu ) и нестационарного ( 0/ ≠∂∂ tu ) режимов
( ) fuuuu +∇⋅∇+−∇=∇⋅+∂∂ эфмм )(/ ηρρ pt ; 0,∇ ⋅ =u (3,4)
где ρм – плотность жидкого металла, p – давление, ηэф – коэффициент эффективной динамической вязкости ме-
талла, f – объемные электромагнитные силы в жидком металле, вычисленные в результате решения цепи-
полевой задачи.
Моделирование электромагнитных и гидродинамических процессов проводилось для печи, внутренние
размеры ванны которой составляют (2 × 3) м, а высота жидкого металла в ней – 0,5 м. Электромагнитная система с
размерами, указанными на рис. 1, пристыкована к длинной стенке ванны печи и размещена на расстоянии 100 мм от
жидкого металла. Сечение катушек Sк =(50×200) мм2. Питание системы осуществлялось от промышленной сети.
На рис. 2 представлены расчетные установившиеся течения жидкого металла в горизонтальной плоско-
сти (в среднем по высоте сечении) ванны печи при питании индуктора от системы напряжений, сдвинутых ме-
жду собой на 60 эл. град. (рис. 2, а), и однофазном питании (рис. 2, б). Как и предполагалось, в первом случае
образуется одноконтурное вихревое течение расплава, а во втором – двухконтурное. Чередование во времени
таких течений позволяет эффективно перемешивать жидкий металл во всем объеме ванны печи. Застойные зо-
ны, возникающие при одном режиме работы, эффективно перемешиваются при другом режиме.
В результате решения нестационарной задачи были определены длительности переходных гидродина-
мических процессов. При включении системы в однофазную сеть время установления двухконтурного течения
металла в ванне с указанными выше размерами составило примерно 100 с, а при подключении системы на
двухфазное напряжение время установления одноконтурного течения металла составило 150 с. При переклю-
чении системы с одного режима течения на другой время переходного процесса (время перехода от одного ста-
ционарного режима к другому) оказалось примерно равным 120 с.
Ниже в таблице представлены интегральные электромагнитные и гидродинамические характеристики
исследуемого перемешивателя с числом витков в каждой катушке w=55 при питании их в режиме бегущего
Рис. 2
а б
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4 125
магнитного поля двухфазным напряжением 220 В со сдвигом фаз 60 эл. град, а в режиме пульсирующего поля –
однофазным напряжением 380 В. Здесь B – среднее значение магнитной индукции в сердечнике (амплитудное
значение), P – тепловыделения в жидком металле, S – полная мощность индуктора, V – средняя скорость дви-
жения металла в ванне печи, N – объемная производительность перемешивания.
Режим U, В I, А B, Тл P, кВт S, кВА V, м/с N, м3/час
Бегущее поле 220 356 0,51 3,06 152 0,105 180
Пульсирующее поле 380 325 1,02 6,83 247 0,072 176
Из таблицы следует, что питание катушек индуктора в режиме бегущего магнитного поля от двух сдви-
нутых на 60 эл. град. фазных напряжений сети, а в режиме пульсирующего поля от линейного напряжения
обеспечивает примерно равные токовые нагрузки. Угол фазового сдвига между токами в катушках в первом
случае составил 28,6 эл. град. Магнитная индукция в сердечнике не превышает допустимый уровень. Тепловы-
деления в металле и полная мощность перемешивателя существенно выше в режиме пульсирующего поля. Ус-
редненная по всему объему ванны печи скорость жидкого металла выше в режиме бегущего поля, тем не менее
массовая производительность (расход) металла, которую обеспечивает исследуемая система, примерно одина-
ковая в обоих режимах. Для заданного объема жидкого металла в печи (3 м3) она обеспечивает примерно 60-
кратное перемешивание металла в ванне за один час.
1. Глухенький А.И., Гориславец Ю.М., Токаревский А.В. Трехмерное моделирование однофазного элек-
тромагнитного перемешивателя жидких металлов // Технічна електродинаміка. – 2013. – №5. – С. 77–84.
2. Дубоделов В.И., Фикссен В.Н., Глухенький А.И., Гориславец Ю.М. МГД перемешиватели алюминие-
вых сплавов с пульсирующим магнитным полем // Технічна електродинаміка. – 2009. – №1. – С. 61–66.
3. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 488 с.
УДК 621.74:537.84
ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ ПЕРЕМІШУВАЧ РІДКОГО МЕТАЛУ З ПОЧЕРГОВОЮ ДІЄЮ БІЖУЧОГО
І ПУЛЬСУЮЧОГО МАГНІТНИХ ПОЛІВ
О.І.Глухенький, канд.техн.наук, Ю.М.Гориславець, докт.техн.наук, В.Ю.Максименко
Інститут електродинаміки НАН України,
пр. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна. e-mail: ugoris@ied.org.ua
Представлено електромагнітну систему для перемішування рідкого металу в плавильних печах і міксерах, яка
здатна по черзі створювати біжуче і пульсуюче магнітні поля. Проведено комп'ютерне 3D моделювання елек-
тромагнітних і гідродинамічних процесів для такого комбінованого перемішувача. Електромагнітні розрахун-
ки виконувалися при заданих напругах на котушках системи. Гідродинамічні розрахунки проводилися як для
стаціонарного, так і нестаціонарного режимів. Показано, що періодичне чергування біжучого і пульсуючого
магнітних полів дозволяє реалізувати ефективне перемішування металу у всьому об’ємі ванни печі. Отримано
електромагнітні та гідродинамічні характеристики перемішувача. Бібл. 3, табл. 1, рис. 2.
Ключові слова: електромагнітний перемішувач, рідкий метал, комп'ютерне моделювання, електромагнітне по-
ле, гідродинамічна течія.
ELECTROMAGNETIC STIRRER OF LIQUID METAL WITH ALTERNATE ACTION OF TRAVELING
AND PULSATING MAGNETIC FIELDS
A.I.Glukhenkyi, Yu.M.Gorislavets, V.Yu.Maksimenko
Institute of Electrodynamics of NAS of Ukraine,
Pr. Peremogy, 56, Kyiv-57, 03680, Ukraine
Electromagnetic system for liquid metal stirring in melting furnaces and mixers which creates alternately travelling and
pulsating magnetic fields is presented. For such combined stirrer the 3D computer modelling of electromagnetic and
hydrodynamic processes is carried out. The electromagnetic computations were performed at given coils voltages in the
system. The hydrodynamic computations were made for both stationary and non-stationary conditions. As shown, the
periodic alternation of travelling and pulsating magnetic fields allows realize effective metal stirring in all space of
furnace bath. The electromagnetic and hydrodynamic characteristics of the stirrer are obtained. References 3, tables 1,
figures 2.
Keywords: electromagnetic stirrer, liquid metal, computer simulation, electromagnetic field, hydrodynamic flow.
1. Glykhenkyi O.I., Goryslavets Yu.M., Tokarevs'kyi A.V. Three-dimensional simulation of single-phase elec-
tromagnetic stirrer // Tekhnichna elektrodynamika. – 2013. – No.5. – Pp.77-84. (Rus)
2. Dubodelov V.I., Fikssen V.N., Glykhen'kyi O.I., Goryslavets Yu.M. MHD stirrer of aluminium alloys with
pulsed magnetic field // Tekhnichna elektrodynamika. – 2009. – No.1. – Pp.61-66. (Rus)
3. Kalantarov P.L., Zeitlin L.A. Inductance Calculation: Handbook. – L.: Energoatomizdat, 1986. – 488 p.
(Rus).
Надійшла 07.02.2014
|
| id | techned_org_ua-article-1114 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:20:10Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/6f/0cf4f30854ca7920e69c28a5ff62016f.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-11142023-01-10T12:06:36Z ELECTROMAGNETIC STIRRER OF LIQUID METAL WITH ALTERNATE ACTION OF TRAVELING AND PULSATING MAGNETIC FIELDS ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА С ПООЧЕРЕДНЫМ ДЕЙСТВИЕМ БЕГУЩЕГО И ПУЛЬСИРУЮЩЕГО МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Глухенький , А.И. Гориславец , Ю.М. Максименко , В.Ю. electromagnetic stirrer liquid metal computer simulation electromagnetic field hydrodynamic flow электромагнитный перемешиватель жидкий металл компьютерное моделирование электромагнитное поле гидродинамическое течение Electromagnetic system for liquid metal stirring in melting furnaces and mixers which creates alternately travelling and pulsating magnetic fields is presented. For such combined stirrer the 3D computer modelling of electromagnetic and hydrodynamic processes is carried out. The electromagnetic computations were performed at given coils voltages in the system. The hydrodynamic computations were made for both stationary and non-stationary conditions. As shown, the periodic alternation of travelling and pulsating magnetic fields allows realize effective metal stirring in all space of furnace bath. The electromagnetic and hydrodynamic characteristics of the stirrer are obtained. References 3, tables 1, figures 2. Представлена электромагнитная система для перемешивания жидкого металла в плавильных печах и миксерах, способная поочередно создавать бегущее и пульсирующее магнитные поля. Проведено компьютерное 3D моделирование электромагнитных и гидродинамических процессов для такого комбинированного перемешивателя. Электромагнитные расчеты выполнялись при заданных напряжениях на катушках системы. Гидродинамические расчеты проводились как для стационарного, так и нестационарного режимов. Показано, что периодическое чередование бегущего и пульсирующего магнитных полей позволяет реализовать эффективное перемешивание металла во всем объеме ванны печи. Получены электромагнитные и гидродинамические характеристики перемешивателя. Библ. 3, табл. 1, рис. 2. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2014-06-25 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1114 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 4 (2014): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 123 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 4 (2014): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 123 2218-1903 1607-7970 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1114/989 Авторське право (c) 2023 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | электромагнитный перемешиватель жидкий металл компьютерное моделирование электромагнитное поле гидродинамическое течение Глухенький , А.И. Гориславец , Ю.М. Максименко , В.Ю. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА С ПООЧЕРЕДНЫМ ДЕЙСТВИЕМ БЕГУЩЕГО И ПУЛЬСИРУЮЩЕГО МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ |
| title | ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА С ПООЧЕРЕДНЫМ ДЕЙСТВИЕМ БЕГУЩЕГО И ПУЛЬСИРУЮЩЕГО МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ |
| title_alt | ELECTROMAGNETIC STIRRER OF LIQUID METAL WITH ALTERNATE ACTION OF TRAVELING AND PULSATING MAGNETIC FIELDS |
| title_full | ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА С ПООЧЕРЕДНЫМ ДЕЙСТВИЕМ БЕГУЩЕГО И ПУЛЬСИРУЮЩЕГО МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ |
| title_fullStr | ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА С ПООЧЕРЕДНЫМ ДЕЙСТВИЕМ БЕГУЩЕГО И ПУЛЬСИРУЮЩЕГО МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ |
| title_full_unstemmed | ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА С ПООЧЕРЕДНЫМ ДЕЙСТВИЕМ БЕГУЩЕГО И ПУЛЬСИРУЮЩЕГО МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ |
| title_short | ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА С ПООЧЕРЕДНЫМ ДЕЙСТВИЕМ БЕГУЩЕГО И ПУЛЬСИРУЮЩЕГО МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ |
| title_sort | электромагнитный перемешиватель жидкого металла с поочередным действием бегущего и пульсирующего магнитных полей |
| topic | электромагнитный перемешиватель жидкий металл компьютерное моделирование электромагнитное поле гидродинамическое течение |
| topic_facet | electromagnetic stirrer liquid metal computer simulation electromagnetic field hydrodynamic flow электромагнитный перемешиватель жидкий металл компьютерное моделирование электромагнитное поле гидродинамическое течение |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1114 |
| work_keys_str_mv | AT gluhenʹkijai electromagneticstirrerofliquidmetalwithalternateactionoftravelingandpulsatingmagneticfields AT gorislavecûm electromagneticstirrerofliquidmetalwithalternateactionoftravelingandpulsatingmagneticfields AT maksimenkovû electromagneticstirrerofliquidmetalwithalternateactionoftravelingandpulsatingmagneticfields AT gluhenʹkijai élektromagnitnyjperemešivatelʹžidkogometallaspoočerednymdejstviembeguŝegoipulʹsiruûŝegomagnitnyhpolej AT gorislavecûm élektromagnitnyjperemešivatelʹžidkogometallaspoočerednymdejstviembeguŝegoipulʹsiruûŝegomagnitnyhpolej AT maksimenkovû élektromagnitnyjperemešivatelʹžidkogometallaspoočerednymdejstviembeguŝegoipulʹsiruûŝegomagnitnyhpolej |