Энергетические характеристики индукционной машины с жидкометаллическим рабочим телом

Индукционная машина с жидкометаллическим рабочим телом имеет свои особенности, отличные от классического асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Распределение усилий в жидкометаллическом рабочем теле носит неравномерный характер, что вызывает образование течений электропроводной жидкой фазы. Скорость течения и траектории движения электропроводной жидкой фазы в рабочем теле индукционной машины возникают под действием электродинамических сил, обусловленных электромагнитным полем индуктора (статора). Многокомпонентный характер движения слоев жидкометаллического рабочего тела накладывает особенности на работу такой электрической машины в целом, поэтому важно иссле- довать характер движения электропроводной жидкой фазы рабочего тела индукционной машины в различных режимах работы. Одним из практических вариантов реализации индукционной машины с жидкометаллическим рабочим телом является электромагнитный перемешиватель жидкой сердцевины непрерывно отливаемого слитка.

Электромагнитное перемешивание расплава в процессе кристаллизации слитка основывается на создании многокомпонентного движения расплава в ядре слитка при помощи электромагнитного поля, что улучшает тепломассообмен в кристаллизующемся слитке и способствует созданию мелкозернистой однородной структуры слитка, улучшая его физические свойства. Известны два способа электромагнитного перемешивания жидкого ядра слитка – кондукционный и индукционный. Индукционный способ перемешивания жидкой фазы затвердевающего слитка является более предпочтительным перед кондукционным, так как он более надежен, в нем отсутствует непосредственный контакт между индуктором и движущимся слитком.

Рис. 1. Литейная система с электромагнитным перемешивателем

Литейная система с электромагнитным перемешивателем жидкой сердцевины алюминиевого слитка (рис. 1) содержит катушки 1, расположенные в кожухе 2, закрытом крышкой 3. Катушки 1 с кожухом 2 установлены в ферромагнитный стол 4 литейной машины, который заполнен водой 5 для охлаждения кристаллизатора 6 и слитка 7 с жидкой сердцевиной 8, которая является жидкометаллическим ротором индукционной машины. Для уплотнений между кожухом 2 и столом 4 литейной машины установлена уплотнительная втулка 9. Расположение концентрических катушек 1 обмотки с током вокруг цилиндрического рабочего тела 7 в исследуемой индукционной машине позволяет создать осесимметричные аксиально-радиальные течения жидкого металла в жидкометаллическом рабочем теле 8.

Управление магнитными полями индукционной машины при перемешивании жидкого металла в процессе затвердевания слитка позволяет влиять на изменение распределения компонент сплава по сечению слитка и обеспечивать требуемое качество заготовки для жидко-твердого формования.

Для определения электромагнитных параметров такой специальной электрической машины успешно применяется численный расчет электромагнитного поля методами конечно элементного анализа [1], которые впоследствии могут быть использованы при расчете статических и динамических характеристик исследуемой индукционной машины.

Исследования траекторий перемещения жидкого расплава под действием электромагнитных сил в жидкометаллическом рабочем теле служат для определения скоростей движения расплава в области жидкой фазы слитка. Они проводились с использованием численной модели системы «индуктор-слиток», которая реализована в программном комплексе ANSYS с учетом физических критериев подобия [2]. Расчетная модель «индуктор – слиток» представлена на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная модель системы «индуктор – слиток»

При ее составлении учтены следующие особенности:

• -    индукционная машина является осесимметричной, что позволяет при составлении расчетной модели ограничиться ее половинным представлением;

• -    индуктор индукционной машины заменяется медным проводником с величиной тока 18000 А;

• -    кристаллизатор моделируется алюминиевой втулкой толщиной 10 мм;

• -    твердая и жидкая фазы слитка моделируются средами рабочего тела с параметрами твердого и жидкого алюминия;

• -    скорость движения слитка (рабочего тела) в аксиальном направлении принимается равной нулю;

• -    термоконвективное движение расплава в жидкой фазе слитка не учитывается.

Электромагнитное поле в расчетной области описывается уравнениями Максвелла [3]:

^— — rotH = 5 + б™ ,(1)

*

rotE = -d%t , где H – напряженность магнитного поля; E – напряженность электрического поля; B – магнитная индукция; 5 = /(E + vB) - плотность тока проводимости; 5ст - плотность сторонних токов; v - скорость движения расплава; у - удельная электропроводность.

Расчет электромагнитного поля в системе «индуктор – слиток» сводится к решению уравнений Максвелла в численном виде относительно напряженности электрического и магнитного полей [4].

Комплексные напряженности электрического и магнитного полей в численной модели имеют составляющие:

— e = eyE y;(3)

—

H = exHx + ezHz.(4)

На краях расчетной области касательные составляющие напряженности магнитного поля равны нулю:

——

Hx = 0; Hz = 0.(5)

Расчет проводился при помощи программного комплекса ANSYS для осесимметричной задачи в координатах x (R), z. Результаты изменений магнитной индукции в сечении жидкометаллической фазы рабочего тела индукционной машины представлены на рис. 3.

Рис. 3. Распределение магнитной индукции по радиусу рабочего тела

Распределение магнитной индукции при частоте f=50 Гц характеризует глубину проникновения магнитного поля через алюминиевый кристаллизатор в жидкометаллическую часть рабочего тела (отливаемый слиток). В жидкометаллическом рабочем теле индукционной машины величина магнитной индукции достигает 0,05 Тл. Затухание электромагнитного поля и уменьшение величины магнитной индукции в направлении оси жидкометаллического рабочего тела (слитка) происходит по квадратичному закону.

Анализируя полученные результаты, можно сделать выводы, что для интенсификации движения жидкого металла в рабочем теле и проработки глубинных слоев жидкой сердцевины слитка необходимо, чтобы питание обмотки индукционной машины осуществлялось напряжением пониженной частоты. При уменьшении частоты напряжения, питающего обмотку электрической машины, до величины f=25 Гц глубина проникновения электромагнитного поля в жидкометаллическую фазу рабочего тела увеличивается. Дальнейшее снижение частоты питающего напряжения приводит к увеличению проникновения электромагнитного поля в рабочее тело и в его жидкую фазу, что способствует созданию направленных электромагнитных сил в жидкой сердцевине слитка.

На рисунке 4 представлена картина распределения электромагнитных сил по радиусу жидкометалли-

Рис. 4. Распределение электромагнитных сил по радиусу жидкометаллического рабочего тела

Распределение электромагнитных сил в сечении жидкометаллического рабочего тела практически полностью повторяет характер распределения магнитной индукции в нем, представленной на рис. 3. На внешней поверхности жидкометаллической фазы рабочего тела (у наружной поверхности отливаемого слитка) электромагнитная сила (при частоте питающего обмотку напряжения f= 50 герц) достигает максимума; далее происходит падение электромагнитной силы до нуля, что характеризуется отсутствием принудительного движения металлического расплава в этой области.

Можно сделать вывод, что эффективность движения жидкого металла в рабочем теле и его перемешивание на более низкой частоте являются предпочтительными из-за большего количества жидкого расплава, вовлеченного в энергообмен между осевой частью слитка и периферийными слоями.

Распределение скорости по сечению жидкометаллической фазы рабочего тела индукционной машины представлено на рис. 5.

Рис. 5. Распределение скорости по сечению жидкой фазы рабочего тела

Максимальных значений в расчетной области жидкометаллического рабочего тела скорость достигает в вертикальном направлении вдоль стенки кристаллизатора: скорость представлена кривой 2 – V z ; область максимального потока жидкого металла расположена по радиусу в диапазоне от R=0,12 до R= 0,16 м. Этот факт характеризует массотеплообмен между слоями жидкого расплава вдоль стенки кристаллизатора и осевыми слоями. В области рабочего тела, ограниченной изменением радиуса от R=0,0128 до R= 0,08 м, скорость изменяет знак на противоположный по отношению к направлению движения расплава в пристенной области. Ниже и выше расположения обмотки индукционной машины будет преобладать скорость, представленная кривой 1 – V x , которая определяется формой кристаллизатора и пограничным слоем жидкой фазы слитка.

Выводы

• 1.    На основе электромагнитного перемешивателя жидкой сердцевины слитка разработана числено-математическая модель для исследования характеристик индукционной машины с жидкометаллическим ротором.

• 2.    Проведено исследование распределения магнитной индукции в цельнометаллическом рабочем теле индукционной машины в зависимости от частоты питающего напряжения. Выявлено, что проникновение магнитного поля в тело алюминиевого рабочего тела при частоте 2,5 Гц имеет почти линейный характер и достигает значений 0,015 Тл у оси. Такое значение магнитной индукции в 2 раза превышает величину индукции в этой точке при частоте 25 Гц.

• 3.    Распределение результирующих электромагнитных сил в жидкометаллическом теле индукционной машины показывает, что они повторяют характер распределения магнитной индукции. Однако близкие к нулю значения электромагнитных сил у оси рабочего тела позволяют открыть приосевую область для замыкания потоков жидкометаллической среды, разогнанной до значительных скоростей в пристенной области рабочего тела.

• 4.    Выявлено, что в пристенной области жидкометаллического рабочего тела скорость жидкого алюминия достигает значений 0,22 м/с, но имеет узкую полосу движения. В приосевой области рабочего тела скорость меняет направление на противоположное и достигает значений, не превышающих 0,15 м/с.