DE112007002628T5 - Elektromagnetische Rührvorrichtung - Google Patents

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Shoji Sendai-shi Taniguchi
Koichi Sendai-shi Anzai
Kazuyuki Sendai-shi Ueno
Masayuki Itamura
Shinichi Sendai-shi Shimasaki
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Abstract

Elektromagnetische Rührvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes in vertikaler Richtung auf der Außenseite eines Behälters, sowie einer auf der Außenseite der besagten Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes angeordnete Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes hat, wobei außerdem sich bis auf die Innenseite der besagten Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes und noch darüber hinaus erstreckende Eisenkerne mit kammförmigen Zähnen vorgesehen sind und diese Eisenkerne aus magnetisch isotropen Materialien bestehen.

Description

  • Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Rührvorrichtung, genauer gesagt, eine elektromagnetische Rührvorrichtung, die in der Lage ist, flüssige Metalle berührungsfrei kraftvoll, dabei gleichzeitig aber gleichmäßig mit Hilfe biaxial beweglicher Magnetfelder zu verrühren.
  • Stand der Technik
  • Bei elektromagnetischen Rührvorrichtungen mit biaxial beweglichen Magnetfeldern handelt es sich um elektromagnetische Rührvorrichtungen, bei denen durch Überlagerung von einem in vertikaler Richtung beweglichem Magnetfeldes und einem in Drehrichtung beweglichen Magnetfeld die beiden Magnetflüsse effektiv auf das flüssige Metall im Behälter übertragen werden, so dass in dem flüssigen Metall horizontale Dreh- und vertikale Konvektionsbewegungen induziert werden können.
  • Die Technik herkömmlicher elektromagnetischer Rührvorrichtungen mit biaxial beweglichen Magnetfeldern ist aus den in Bezug genommenen Patentdokumenten 1 und 2 bekannt.
  • Bei dieser Technik sind, wie in 8 dargestellt, auf der Außenseite eines zylindrischen Behälter 11 in dessen vertikaler Richtung Spulen die Spulen 13 zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes Spulen sowie auf dem Außenumfang des Behälters 11 zur Spulen 12 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes angeordnet. Durch diese Spulen 12 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes wird in dem flüssigen Metall im Behälter 11 eine Drehbewegung erzeugt, während durch die Spulen 13 zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes in dem flüssigen Metall eine Bewegung in vertikaler Richtung erzeugt wird.
  • Allerdings hat die in den in Bezug genommenen Patentdokumenten 1 und 2 beschriebene Technik den Nachteil, dass es Magnetflussverlusten kommt, so dass eine ausreichende Rührkraft nicht erhalten werden kann.
  • Andererseits wird in dem in Bezug genommenen Patentdokument 3 eine Technik beschrieben, bei der durch Verhinderung von Magnetflussverlusten die Rührkraft vergrößert wird, wobei zwischen den Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes und den Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes Eisenkerne eingebracht werden. Die 9 zeigt die ”2” des in Bezug genommenen Patentdokuments 3.
  • Diese Figur zeigt ein Beispiel, beim dem auf der Innenseite die Spulen 111 zur Erzeugung eines vertikal beweglichen Magnetfeldes angeordnet ist, während auf der Außenseite die Spulen 113 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes angeordnet ist. Mit anderen Worten, der Behälter für das flüssige Metall 103 und die Spulen 111 sind so angeordnet, dass sie ein entlang der vertikalen Richtung des vorgenannten Behälters 103 bewegliches Magnetfeld erzeugen, sowie die auf der Außenseite der Spulen 111 zur Erzeugung eines vertikal beweglichen Magnetfeldes vorgesehenen Spulen 113 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes, sowie ein in der Mitte der Spulen 113 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes eingeführte, dabei gleichzeitig sich auf die der Innenseite der Spulen 111 zur Erzeugung eines vertikal beweglichen Magnetfeldes erstreckende, kammförmige Zähne aufweisende Eisenkerne 109 vorgesehen sind.
  • Die 10 zeigt die ”3” des in Bezug genommenen Patentdokuments 3.
  • Diese Figur zeigt ein Beispiel, beim dem auf der Außenseite die Spulen 111 zur Erzeugung eines vertikal beweglichen Magnetfeldes angeordnet sind, während auf der Innenseite die Spulen 113 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes angeordnet sind.
  • Dagegen kommt es bei der in dem in Bezug genommenen Patentdokument 3 beschriebenen Technik im Vergleich zu einer keine Eisenkerne verwendenden Technik zu geringeren Verlusten des Magnetflusses. Hinsichtlich der auf das flüssige Metall im Behälter wirkenden Rührkraft steigt diese jedoch im Vergleich zur Ausführung mit den Eisenkernen nicht unbedingt sprunghaft an.
    • In Bezug genommenes Patentdokument 1: Offenlegungsschrift 2003-220323
    • In Bezug genommenes Patentdokument 2: Offenlegungsschrift 2007-144501
    • In Bezug genommenes Patentdokument 3: Offenlegungsschrift 1979-163729
  • Offenlegung der Erfindung
  • Die von der Erfindung zu lösende Aufgabe
  • Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine Rührvorrichtung mit biaxial beweglichen Magnetfeldern anzubieten, die eine höhere Rührkraft als herkömmliche Vorrichtungen zu erzeugen vermag.
  • Mittel zur Lösung der Aufgabe
  • Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine elektromagnetische Rührvorrichtung für flüssige Metalle, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Außenumfang entlang der vertikalen Richtung eines Behälters für flüssige Metalle Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes und auf der Außenseite der Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes angeordnet sind, wobei die Spulen zur Erzeugung des vertikal beweglichen Magnetfeldes mit sich bis auf die Innenseite der Spulen erstreckende, kammförmige Zähne aufweisende Eisenkerne ausgestattet ist, wobei die aus magnetischem Material gefertigten Eisenkerne eine magnetische Isotropie aufweisen und zwischen die Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes und die Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes eingeführt werden.
  • Wirkungen der Erfindung
  • Im Folgenden werden die Wirkungen und Effekte der Erfindung gemeinsam mit den beim Einsatz dieser Erfindung gewonnenen Erkenntnisse erläutert.
  • Der Erfinder hat im Rahmen seiner konzentrierten Forschungen herausgefunden, dass auch wenn zur Verhinderung von Magenetflussverlusten Eisenkerne zwischen die einzelnen Spulen eingebracht werden, nicht unbedingt hervorragende Rührkräfte erhalten werden.
  • Diese Untersuchungen führten zu den folgenden Erkenntnissen.
  • In der 9 ist gezeigt, wie auf der Innenseite Eisenkerne 109 für das vertikal bewegliche Magnetfeld und auf der Außenseite Eisenkerne 108 für das in Drehrichtung bewegliche Magnetfeld angeordnet sind. Die Eisenkerne 108, 109 sind aus mehreren Lagen von Platten aufgebaut. Die Eisenkerne 109 für das vertikal bewegliche Magnetfeld sind in Richtung der Platten zur Außenseite weisend angeordnet, während Eisenkerne 108 für das in Drehrichtung bewegliche Magnetfeld in Richtung der Platten vertikal angeordnet. Mit anderen Worten, um Lücken im Magnetfluss sicher zu schließen, weisen die Eisenkerne 108, 109 magnetische Anisotropie auf.
  • Da die Eisenkerne 108, 109 magnetische Anisotropie aufweisen, werden durch das in vertikaler Richtung bewegliche Magnetfeld in den äußeren Eisenkernen 108 Wirbelströme und durch das in Drehrichtung bewegliche Magnetfeld in den inneren Eisenkernen 109 Wirbelströme erzeugt und führen so zu Verlusten.
  • In 10 sind auf der Außenseite Eisenkerne für ein vertikal bewegliche Magnetfeld und auf der Innenseite Eisenkerne für ein in Drehrichtung bewegliches Magnetfeld angeordnet, wodurch es ebenso wie bei der in 9 gezeigten Anordnung zu Wirbelströmen und somit hier ebenfalls zu gleichartigen Verlusten kommt.
  • Mit anderen Worten, es konnte festgestellt werden, dass bei in zwei Achsrichtungen beweglichen Magnetfeldern jeweils Einflüsse von der anderen Achse auftreten und zur Entstehung von Wirbelströmen in den Eisenkernen führen, die bekannterweise eine Ursache für eine Begrenzung der Rührkraft sind.
  • Auf der Grundlage der Erkenntnis, dass es wichtig ist, diese Art von Einflüssen von dem entlang der anderen Achse beweglichen Magnetfeld bei biaxial beweglichen Magnetfeldern zu verhindern, wurde versucht, die Eisenkerne aus magnetisch isotropen Materialien anzufertigen und es auf diese Weise möglich, eine hervorragende Rührkraft zu erhalten.
  • In der 10 dargestellten Anordnung kommt es außer den oben genannten Gründen noch dazu, dass von den Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes fast keinerlei Rührwirkung in vertikaler Richtung erwartet werden kann, weil diese in großer Entfernung von dem flüssigen Metall angeordnet sind und somit die Ursache für die geringe Rührwirkung ist. In der vorliegenden Erfindung werden die Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes innen angeordnet.
  • Ferner, die durch Wirbelströme verursachten Verluste bei den in den 9 und 10 gezeigten Vorrichtungen führen nicht nur zu einer Reduktion der Rührkraft, sondern auch zu einer Erhitzung der Eisenkerne, so dass besonders beim Rühren flüssiger Metalle bei hohen Temperaturen eine Kühlung erforderlich ist. Da es bei der vorliegenden Erfindung nicht zu einer Erhitzung der Eisenkerne durch Wirbelströme kommt, ist auch eine Kühlung nicht unbedingt erforderlich. Auch durch Fertigung der Magnetkerne aus magnetisch isotropen Materialien ist es möglich, von der elektromagnetische Rührvorrichtung nach Außen gerichtete Magnetflussverluste zu verhindern.
  • (Wirkungen der Erfindung)
  • Da die vorliegende Erfindung für die Ausrichtungen der beiden Magnetflüsse bei Rühren mit biaxial beweglichen Magnetfeldern geeignet ist, werden für den Aufbau der Eisenkerne nicht-richtende Materialien ohne Anisotropie (mit anderen Worten isotropen Materialien) verwendet. Dadurch können wesentlich höhere Rührkräfte bei Rühren mit biaxial beweglichen Magnetfeldern als bisher erhalten und so Verluste durch Wirbelströme beim Rühren unterdrückt werden.
  • Die Unterdrückung der Verluste durch Wirbelströme erlaubt auch, die Erhitzung der Eisenkerne zu reduzieren. Dies wiederum erlaubt, die Entfernung von der innenseitigen Stirnfläche der Eisenkerne bis zum flüssigen Metall (Spalt) zu verringern, wodurch die Rührkraft in vertikaler effektiv ausgenutzt werden kann.
  • Dies ermöglicht, eine große Rührwirkung auf die Schmelze auszuüben.
  • Kurze Erläuterung der Figuren
  • [1]
  • Die Figur zeigt ein Konstruktionsbeispiel für eine elektromagnetische Rührvorrichtung mit biaxial beweglichen Magnetfeldern. Diese ist mit Eisenkernen ausgestattet, die sowohl für die beiden Magnetflüsse des in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes als auch des in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes angepasst sind, so dass durch Wirbelströme hervorgerufene Verluste gering sind.
  • [2]
  • Darstellung eines Beispiels der magnetischen Kraftfeldlinien (mit Eisenkernen) in dem in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeld bei einer elektromagnetischen Rührvorrichtung mit biaxial beweglichen Magnetfeldern bei Verwendung von Eisenkernen.
  • [3]
  • Darstellung eines Beispiels der magnetischen Kraftfeldlinien (ohne Eisenkernen) in dem in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeld bei einer elektromagnetischen Rührvorrichtung mit biaxial beweglichen Magnetfeldern wenn keine Eisenkerne vorgesehen sind.
  • [4]
  • Darstellung eines Beispiels der magnetischen Flussdichte (mit Eisenkernen) in dem in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeld bei einer elektromagnetischen Rührvorrichtung mit biaxial beweglichen Magnetfeldern bei Verwendung von Eisenkernen.
  • [5]
  • Darstellung eines Beispiels der magnetischen Flussdichte (ohne Eisenkernen) in dem in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeld bei einer elektromagnetischen Rührvorrichtung mit biaxial beweglichen Magnetfeldern wenn keine Eisenkerne vorgesehen sind.
  • [6]
  • Darstellung eines Beispiels der magnetischen Kraftfeldlinien (mit Eisenkernen) in dem in Drehrichtung beweglichen Magnetfeld bei einer elektromagnetischen Rührvorrichtung mit biaxial beweglichen Magnetfeldern bei Verwendung von Eisenkernen.
  • [7]
  • Ein die Unterschiede in der elektromagnetischen Kraft in Abhängigkeit von der Entfernung von der innenseitigen Stirnfläche der Eisenkerne bis zum flüssigen Metall (Spalt) zeigender Graph.
  • [8]
  • Perspektivische Darstellung einer herkömmlichen elektromagnetischen Rührvorrichtung mit biaxial beweglichen Magnetfeldern.
  • [9]
  • Darstellung einer herkömmlichen elektromagnetischen Rührvorrichtung mit biaxial beweglichen Magnetfeldern, bei der (a) ein Längsschnitt und (b) ein Querschnitt ist.
  • [10]
  • Darstellung einer herkömmlichen elektromagnetischen Rührvorrichtung mit biaxial beweglichen Magnetfeldern, bei der (a) ein Längsschnitt und (b) ein Querschnitt ist.
  • Erläuterung der Symbole
    • 1
    Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes
    2
    Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes
    3
    Eisenkerne für die in vertikaler und in Drehrichtung beweglichen Magnetfelder
    4
    Eisenverbindungen für das in Drehrichtung bewegliche Magnetfeld
    5
    Behälter
    11
    Behälter
    12
    Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes
    13
    Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes
    S
    flüssiges Metall
    108
    Eisenkerne für das in Drehrichtung bewegliche Magnetfeld
    109
    Eisenkerne für das in vertikaler Richtung bewegliche Magnetfeld
    111
    Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes
    113
    Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes
  • Optimale Ausführungsform der Erfindung
  • Bei der vorliegenden Erfindung ist der spezifische Widerstand der vorgenannten Eisenkerne nicht von der Richtung des elektrischen Stromes abhängig und sollte vorzugsweise mehr als 0,1 Ω/m betragen.
  • Unterhalb eines Grenzwertes von 0,1 Ω/m kommt es zu einem plötzlichen Anstieg der durch die Eisenkerne fließenden Wirbelströme hervorgerufenen Verluste. Daher ist ein Wert von mehr als 0,1 Ω/m wünschenswert. Ein Wert von 0,1–1000 Ω/m ist wünschenswert.
  • Als Materialien kann Ferrit, isolierbeschichtete Eisenpulverkernmaterialien oder amorphische Eisenmaterialien oder dergleichen verwendet werden.
  • Ferrit ist ein magnetisch isotropes Material. Als weichmagnetische Werkstoffe für die Eisenkerne können Ni-Zn, Mn-Zn, Cu-Zn Systeme und dergleichen genannt werden. Ferner, als weichmagnetische Werkstoffe mit magnetischer Isotropie können außerdem auch nicht-richtender Siliziumstahl (Fe-Si Legierungen), Permalloy (Ni-Fe Legierungen), Sendust (Fe-Si-Al Legierungen), Permendur (Fe-Co Legierung), amorphische Metalle und andere (gesinterte Metallpulver) Materialien genannt werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung werden zahlreiche der oben genannten Eisenkerne in konzentrischen Kreisen radial ausgerichtet angeordnet, wobei diese auf der Außenseite der Spule zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes mittels Verbindungseisen miteinander verbunden werden, so dass der Magnetfluss des in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes vorzugsweise eingeschlossen wird.
  • Auf diese Weise können Magnetflussverluste beträchtlich reduziert werden und dadurch wiederum wesentlich bessere Rührkräfte erhalten werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung sollte die Entfernung von der innenseitigen Stirnfläche der Eisenkerne bis zum flüssigen Metall vorzugsweise auf weniger als 30% des Innendurchmessers des Behälters gehalten werden.
  • Bei der in dem in Bezug genommenen Patentdokument 3 beschriebenen Technik führen die Wirbelströme zu einem Temperaturanstieg der Eisenkerne. Um eine weitere Erhitzung zu verhindern, gab es Einschränkungen hinsichtlich der Entfernung, auf die die Eisenkerne an den sehr heißen Behälter angenähert werden konnten. Mit anderen Worten, bei der in den 9 und 10 gezeigten Vorrichtung wurde dies zu einem die Annäherung der Eisenkerne an den Behälter behindernden Faktor. Aus diesem Grunde wird wie in den 9 und 10 dargestellt, ein fast 100% des Innendurchmessers des Behälters entsprechender Spalt eingehalten.
  • Da bei der vorliegenden Erfindung hingegen eine Erhitzung durch Wirbelströme verhindert wird, ist es möglich, diese bis in unmittelbare Nähe des Behälters zu bringen.
  • Wenn diese Entfernung auf weniger als etwa 30% des Innendurchmessers des Behälters für das flüssige Metall gehalten wird, zeigt ein Vergleich der Kräfte mit einer Ausführung ohne Spalt, dass die elektromagnetische Kraft etwa 40% beträgt. Mit anderen Worten, eine Entfernung innerhalb von etwa 30% ist wünschenswert, weil dadurch etwa mehr als 40% der elektromagnetischen Kraft effektiv einwirken gelassen werden kann.
  • Wenn die sehr heiße Metallschmelze an die Spulen und Eisenkerne angenähert wird, kommt es zu einer Beeinflussung der Temperatur der Spulen und Eisenkerne. Das die Spulen und Eisenkerne eine obere Temperaturbeständigkeit haben, muss ein Temperaturdesign gewählt werden, bei dem diese obere Temperaturbeständigkeit nicht überschritten wird.
  • Zum Beispiel können die Spulen und Eisenkerne zwangsgekühlt (Luftkühlung, Wasserkühlung) werden, oder aber zwischen der Metallschmelze und den Spulen und Eisenkernen muss ein Hitzeschutzmechanismus vorgesehen werden.
  • Zum Beispiel kann in unmittelbarer Nähe der heißen Metallschmelze eine supraleitende Spule (auf Grund der Kühlung durch flüssiges Helium extrem kalt) betrieben werden. Durch Einsatz eines derartigen Hitzeschutzmechanismus kann erreicht werden, dass die Spulen/Eisenkerne ziemlich dicht an die Metallschmelze angenähert werden können.
  • Auf Grund der obigen Erläuterungen gibt es keinen unteren Grenzwert für die Entfernung zwischen den Stirnflächen und dem Behälter.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird als Material für die vorgenannten Eisenkerne ein magnetisches Material verwendet, welches keine richtenden Eigenschaften hat. Ferrit oder isolierbeschichtetes Eisenpulverkernmaterial werden vorzugsweise für diesen Zweck verwendet.
  • Ferner, da Ferrit einen niedrigen spezifischen Widerstand hat, sollten vorzugsweise Mangan-Zink-Ferrite oder aber Nickel-Zink-Ferrite eingesetzt werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung sollten die vorgenannten Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes sowie die vorgenannten Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes jeweils unabhängig von einander regelbar sein.
  • Durch die Möglichkeit einer separaten Regelung können die Bewegung in Drehrichtung und die Bewegung in vertikaler Richtung ebenfalls getrennt gesteuert werden, so dass das Ausmaß der Verrührung der vorgenannten flüssigen Metalle nach Belieben eingestellt werden kann. Ferner, das Anlegen der beiden einerseits in Drehrichtung und andererseits in vertikaler Richtung wirkenden magnetischen Kräften legt ein größeres Gewicht auf die Bewegung in vertikaler Richtung, ohne dabei zu Verlusten bei den Bewegungen in Drehrichtung zu führen. Wenn das Verhältnis der in Drehrichtung wirkenden magnetischen Kraft zu der in vertikaler Richtung wirkenden magnetischen Kraft nach Belieben geregelt werden kann, kann auch das Verhältnis der Bewegungen in Drehrichtung zu den Bewegungen in vertikaler Richtung geregelt werden. Darüber hinaus kann in dem vorgenannten Behälter der Rührbetrieb von einer linearen Rührwirkung in vertikaler Richtung bis hin zu einer Rührwirkung in Drehrichtung nach Belieben geändert werden. Außerdem kann über eine derartige separate Regelung in dem oben genannte flüssigen Metall leicht innerhalb des vorgenannten Behälters in der Nähe dessen Außenumfanges sowie in dessen Zentrum jeweils abwärts und aufwärts gerichtete Konventionsströmungen erzeugt werden, so dass die Oberfläche des vorgenannten flüssigen Metalls dabei eben gehalten werden kann.
  • Hier soll Metallveredelung als Beispiel angeführt werden. Zum Beispiel werden beim Prozess der Metallveredelung zwecks (1) Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, (2) Homogenisierung der Temperatur und Bestandteile, (3) Förderung der Aggregation von Einschlussmaterialien die verschiedensten Rührer verwendet. Grundsätzlich ist das Rühren umso besser, je höher die Rührkraft ist, was vorteilhaft für die oben genannten Zwecke ist.
  • Andererseits, wenn die Rührkraft verstärkt wird, treten notwendigerweise auf der Flüssigkeitsoberfläche Turbulenzen auf. Da beim Metallveredelungsprozess häufig die Oberfläche mit Schlacke oder Pulver schwimmen gelassen wird, oder auch bei Fällen, bei denen keine Schlacke oder Pulver verwendet wird, treten an der Oberfläche Metalloxide auf. Diese Verunreinigungen (Einschlüsse) werden durch Turbulenzen der Flüssigkeitsoberfläche mit untergerührt und können somit einen nachteiligen Einfluss auf die Qualität der Produkte ausüben. Mit anderen Worten, auch wenn die Rührkraft verstärkt werden soll, wird dabei gleichzeitig gefordert, dass die Flüssigkeitsoberfläche ruhig und eben bleiben soll.
  • In der Praxis werden zur Verwirklichung dieser beiden gegensätzlichen Eigenschaften die verschiedensten Maßnahme ergriffen, wie zum Beispiel der Einsatz einer elektromagnetischen Bremse in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche, um beim Rühren die Flussgeschwindigkeit zu reduzieren. Die hervorstechendste Eigenschaft des elektromagnetischen Rührens mit biaxial beweglichen Magnetfeldern besteht darin, dass die Flüssigkeitsoberfläche ruhig und eben bleibt, während dabei gleichzeitig innerhalb der Flüssigkeit eine starke Rührwirkung erzeugt wird.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird an Hand der 1 und 2 erläutert.
  • Die Vorrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel ist so aufgebaut, dass sie mit den Spulen 1 zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes, die in vertikaler Richtung auf der Außenseite des Behälters 5, sowie der auf der Außenseite der Spule 1 zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes angeordneten Spulen 2 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes ausgestattet ist, wobei außerdem sich bis auf die Innenseite der Spulen 1 zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes erstreckende Eisenkerne mit kammförmigen Zähnen 3a vorgesehen sind und die aus magnetisch isotropen Materialien bestehenden Eisenkerne 3 zwischen die Spulen 1 zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes und die Spule 2 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes ragen.
  • Im Folgenden wird dieses Ausführungsbeispiel näher erläutert.
  • Als Behälter 5 kann zum Beispiel ein Metallbehälter mit einen Innendurchmesser von 55 mm und eine Höhe von 150 mm verwendet werden. Für die Spulen 2 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes werden zum Beispiel rechteckige Spulenkerne verwendet. Für die Spulen 1 zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes werden zum Beispiel zylindrische Spulenkerne verwendet.
  • Die Spule 2 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes wird zum Beispiel von einer 3-Phasen Wechselstromquelle mit 50 Hz über einen Spannungsregler mit Strom versorgt, während die Spulen 3 zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes über einen Inverter mit variabler Frequenz mit einem Dreiphasenwechselstrom beliebiger Frequenz versorgt wird.
  • Ferner braucht die Zahl der Spulen 2 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes und der Spulen 1 zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes nicht festgelegt werden, sondern kann in Abhängigkeit von der Art des in den Behälter 5 eingefüllten und zu rührenden flüssigen Metalls sowie dessen Menge, der Rührart und deren Stärke nach Belieben festgelegt werden. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind jeweils 6 Spulen 2 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes und der Spulen 1 zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes vorgesehen.
  • Es ist jedoch nicht erforderlich, dass die Zahl der Spulen begrenzt ist. Allerdings sollte die Zahl der Spule bei Verwendung eines Dreiphasenstromes jeweils ein Vielfaches von 3 betragen.
  • Jeweils ein Paar einander gegenüberliegender Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes erzeugen ein durch diese Spulen verlaufendes Magnetfeld, so dass 3 × 2 = 6 wünschenswert ist. Bei einer Zahl von 3 Spulen werden diese nicht von dem Magnetfeld durchdrungen, so dass die Rührkraft schwächer wird. Bei Verwendung von 12 Spulen besteht die Gefahr, dass nicht ausreichend Platz für deren Einbau besteht. Daher sind 6 Spulen optimal.
  • Hinsichtlich der Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes kann der Aufbau 3, 6, 12, 18 oder 24 Spulen umfassen. Allerdings ist die Rührkraft bei 3 Spulen zu gering, während bei 18 oder mehr Spulen zu viele unnötige Vorrichtungen eingesetzt werden. Daher sind auch hier 6 Spulen optimal, gefolgt von einem Satz aus 12 Spulen.
  • Ferner sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im Längschnitt in Abhängigkeit von der Zahl der Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes und der Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes 7 Kämme mit daran ausgebildeten Zähnen 3a vorgesehen. Die Zähne 3a erstrecken sich bis zum Behälter 5 und bis auf die Innenseite der Spulen 1 zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel erstrecken sich diese dann noch über die Innenseite hinaus auf den Behälter 5 hin, um schließlich in die unmittelbare Nähe der Außenwand des Behälters 5 zu gelangen.
  • Entlang des Außenumfanges sind die Eisenkerne 3 in gleichmäßigen Abständen angeordnet, so dass diese Eisenkerne zwischen die Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes eingebracht sind. Außerdem sind diese 6 Eisenkerne auf der Außenseite der Spulen 2 zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes durch die Eisenverbindungen 4 miteinander verbunden. Die Eisenkerne und die Eisenverbindungen 4 sollten einen ausreichend großen Querschnitt haben, so es dass darin bei der elektromagnetischen Rührvorrichtungen mit biaxial beweglichen Magnetfeldern nicht zur Sättigung des Magnetflusses kommt.
  • (Experiment 1)
  • Als nächstes wurden konkrete Werte festgelegt und Experimente durchgeführt.
  • Eisenkerne
    • Material: Ni?Zn-Ferrit
    • Spezifischer Widerstand: 3 Ω/m
  • Behälter
    • Material: rostfreier Stahl (SUS304)
    • Innendurchmesser: 140 mm
    • Wandstärke: 8 mm
    • Flüssigkeitsstand des flüssigen Metalls: 690 mm
    • Spalt: 21 mm (Verhältnis aus Spalt und Behälterinnnendurchmesser: 13%)
  • Strombedingungen
    • In vertikaler Richtung bewegliches Magnetfeld: Phasenspannung: 400 V Leitungsstrom: 30 A
    • In Drehrichtung bewegliches Magnetfeld: Phasenspannung: 315 V Leitungsstrom: 30 A
  • Unter den oben genannten Bedingungen wurden die magnetischen Kraftlinien sowie die Magnetflussdichte gemessen.
  • Die 2 ist eine Darstellung der magnetischen Kraftlinien des in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes bei einer Vorrichtung entsprechend dieses Beispiels, während die 4 die magnetische Flussdichte des in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes und 6 die magnetischen Kraftlinien des in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes zeigt. <Vergleichsbeispiel 1>
  • In diesem Beispiel wurde das gleiche Experiment wie für das Ausführungsbeispiel 1 ohne Verwendung von Eisenkernen durchgeführt.
  • Außer das hier keine Eisenkerne verwendet werden, sind alle Versuchsbedingungen die gleichen wie im Ausführungsbeispiel 1. Die Versuchsergebnisse sind in den 3 und 5 dargestellt.
  • 4 zeigt eine Darstellung der magnetischen Kraftlinien mit und 5 eine Darstellung der magnetischen Kraftlinien ohne Eisenkerne. Dabei zeigt sich deutlich, dass es durch die Eisenkerne zu einer wesentlichen Veränderung der Verteilung der magnetischen Flussdichte kommt.
  • 6 zeigt eine Darstellung der magnetischen Flussdichte mit und 7 eine Darstellung der magnetischen Flussdichte ohne Eisenkerne. Auch bei Verwendung der gleichen Stromquelle unterscheidet sich die magnetische Flussdichte etwa um den Faktor 2, je nachdem, ob Eisenkerne verwendet werden oder nicht.
  • Die magnetische Kraft beim Rühren wirkt in Abhängigkeit vom Quadrat der magnetischen Flussdichte, so dass die magnetische Rührkraft im Endeffekt um das Vierfache erhöht wird.
  • Die 8 zeigt eine Darstellung der magnetischen Kraftlinien des in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes mit Eisenkernen. Genau wie beim in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeld zeigt sich deutlich, dass der Magnetfluss mit Eisenkernen hier bis ins Zentrum des flüssigen Metalls reicht.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Bei diesem Beispiel wurde die Beziehung zwischen der Entfernung von der innenseitigen Stirnfläche der Eisenkerne (mit anderen Worten die Stirnfläche der einzelnen Zähne der Kämme) bis zum flüssigen Metall (Spalt) (in der 2 mit L bezeichnet) und der Rührkraft wie folgt untersucht.
  • Die elektromagnetische Kraft, die durch das in vertikaler Richtung bewegliche Magnetfeld an der Oberfläche des flüssigen Metalls (r = D/2, wobei D hier der Innendurchmesser des Behälters ist) erzeugt wird, beträgt
    Figure 00240001
    und kann im Allgemeinen durch die folgende Gleichung zum Ausdruck gebracht werden (The Iron and Steel Institute of Japan, Zusammenstellung von der Arbeitsgruppe für elektromagnetische Materialbearbeitung: Elektromagnetische Materialbearbeitung, Tohoku University Press, Sendai, (1999)).
  • Figure 00250001
  • Hier ist ω die elektrische Leitfähigkeit des flüssigen Metalls (S/m), σ die Winkelfrequenz des angelegten Stromes (rad/s) und K die Frequenz des in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes (1/m), so dass
    Figure 00250002
    der radial gerichtete Anteil (T) des Magnetflusses an der Oberfläche des flüssigen Metalls ist.
  • Durch experimentelle Messung mit einem Gaussmeter von
    Figure 00250003
    konnte
    Figure 00250004
    bewertet werden. Diese elektromagnetische Kraft treibt das flüssige Metall an und stellt einen Parameter mit direkter Beziehung zur Rührkraft dar.
  • 7 zeigt die errechneten Ergebnisse für den Fall, dass der Innendurchmesser D des Behälters geändert wird.
  • 7 zeigt die Stärke der auf die Oberfläche des flüssigen Metalls einwirkenden Kraft bei Verwendung gleichartiger Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes, wenn dabei der Innendurchmesser des Behälters variiert wird. Auf der Abszisse ist das Verhältnis von Spalt zu Innendurchmesser des Behälters (L/D) und auf Ordinate die genormten Werte für die in vertikaler Richtung einwirkenden magnetischen Kräfte aufgetragen.
  • Wie in 7 gezeigt, werden mit steigendem Verhältnis von Spalt zu Innendurchmesser des Behälters (L/D) die in vertikaler Richtung einwirkenden magnetischen Kräfte kleiner.
  • Bei kleiner werdendem L/D kommt es ab eines Grenzwertes von 30% zu einem plötzlichen Anstieg der magnetischen Kräfte. Mit anderen Worten, L/D = 30% ist ein kritischer Punkt. Dementsprechend sollte das Verhältnis L/D vorzugweise unter 30% liegen.
  • Um bei der vorliegenden Erfindung den magnetischen Fluss durch die Spulen zur Erzeugung eines vertikal beweglichen Magnetfeldes effektiv in das flüssige Metall zu leiten, sind die Eisenkerne derart ausgeformt, dass deren innenseitigen Stirnflächen sich noch über die Innenseite der Spulen zur Erzeugung eines vertikal beweglichen Magnetfeldes hinaus auf das flüssige Metall hin erstrecken (siehe 1). Um ein effektives und gutes Rühren zu ermöglichen, sollte die Entfernung von den innenseitigen Stirnflächen der Eisenkerne bis zum flüssigen Metall (Spalt) so weit wie möglich reduziert werden.
  • Industrielle Anwendungsmöglichkeiten
  • Die vorliegende Erfindung kann vorwiegend im Bereich der Metallherstellung eingesetzt werden. Sie ermöglicht, flüssige Metalle mit einer höheren Rührkraft als der herkömmlicherweise üblichen Kraft zu rühren, so dass sie sich dazu eignet, die Konzentrationen der Bestandteile sowie die Temperatur zu vereinheitlichen und eine Aggregation und Vergrößerung der im flüssigen Metall enthaltenen Partikel von Einschlussmaterialien zu erzielen.
  • Oben wurde die Erfindung in Abhängigkeit von deren Ausführungsform beschrieben, aber die vorliegende Erfindung muss nicht auf die obigen Beschreibungen begrenzt sein, sondern kann, sofern nicht von der Kategorie der vorliegenden Erfindung abgewichen wird, auf die verschiedenste Weise andersartig konstruiert und modifiziert werden.
  • Zusammenfassung
  • Ziel was das Angebot einer elektromagnetischen Rührvorrichtung, die eine bessere Rührkraft als herkömmliche Vorrichtungen zu erzeugen vermag. Die Vorrichtung hat auf der Außenseite des Behälters in vertikaler Richtung angeordnete Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes, sowie auf der Außenseite der Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes angeordnete Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes, wobei außerdem sich bis auf die Innenseite der Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes erstreckende Eisenkerne mit kammförmigen Zähnen vorgesehen sind und die aus magnetisch isotropen Materialien bestehenden Eisenkerne zwischen die Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes und die Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes ragen.

Claims (8)

  1. Elektromagnetische Rührvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes in vertikaler Richtung auf der Außenseite eines Behälters, sowie einer auf der Außenseite der besagten Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes angeordnete Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes hat, wobei außerdem sich bis auf die Innenseite der besagten Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes und noch darüber hinaus erstreckende Eisenkerne mit kammförmigen Zähnen vorgesehen sind und diese Eisenkerne aus magnetisch isotropen Materialien bestehen.
  2. Elektromagnetische Rührvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand der vorgenannten Eisenkerne unabhängig von der Stromrichtung mehr als 0,1 Ω/m beträgt.
  3. Elektromagnetische Rührvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zahlreiche der oben genannten Eisenkerne in konzentrischen Kreisen radial ausgerichtet angeordnet sind, wobei diese auf der Außenseite der Spule zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes durch Eisenverbindungen miteinander verbunden werden und den Magnetfluss des in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes einschließen.
  4. Elektromagnetische Rührvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung von der innenseitigen Stirnfläche der oben genannten Eisenkerne bis zum flüssigen Metall weniger als 30% des Innendurchmessers des Behälters beträgt.
  5. Elektromagnetische Rührvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als magnetische Materialien Ferrit oder isolierbeschichtete Eisenpulverkernmaterialien verwendet wird.
  6. Elektromagnetische Rührvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das vorgenannte Ferrit ein Mangan-Zink-Ferrit oder Nickel-Zink-Ferrit ist.
  7. Elektromagnetische Rührvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der an die vorgenannten Spulen zur Erzeugung eines in Drehrichtung beweglichen Magnetfeldes sowie die vorgenannten Spulen zur Erzeugung eines in vertikaler Richtung beweglichen Magnetfeldes angelegte Strom jeweils unabhängig voneinander regelbar beziehungsweise steuerbar ist.
  8. Elektromagnetische Rührvorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der in Drehrichtung wirkenden magnetischen Kraft zu der in vertikaler Richtung wirkenden magnetischen Kraft nach Belieben geregelt werden kann.
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