DE112021008084T5

DE112021008084T5 - Vorrichtung zur berührungslosen induktion von strömungen in elektrisch leitenden flüssigkeiten

Info

Publication number: DE112021008084T5
Application number: DE112021008084.9T
Authority: DE
Inventors: Andris Bojarevics; Jurijs Gelfgats; Toms Beinerts; Reinis Baranovskis
Original assignee: Latvijas Universitate
Current assignee: Latvijas Universitate
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2024-05-23
Also published as: WO2023033637A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen für die metallurgische Produktion, nämlich für die berührungslose Induktion von Strömungen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten. Die Vorrichtung umfasst einen Rahmen; einen Behälter für die elektrisch leitende Flüssigkeit; drehbare Permanentmagnete in Form von einem oder mehreren Zylindern, die entlang ihres Durchmessers magnetisiert sind, wobei die Richtung des Magnetisierungsvektors senkrecht zur Längsachse der Zylinder verläuft; wobei die Zylinder die zylindrischen magnetischen Dipole sind; mindestens einen Antrieb, der für die Drehung der drehbaren Permanentmagnete geeignet ist. Die zylindrischen magnetischen Dipole sind so installiert, dass die Längsachse der Zylinder senkrecht zu einer vertikalen Achse der elektrisch leitenden Flüssigkeitsschicht ist und die Endflächen der zylindrischen magnetischen Dipole parallel oder senkrecht zu der vertikalen Achse der elektrisch leitenden Flüssigkeitsschicht sind; wobei jeder zylindrische magnetische Dipol mit einem ferromagnetischen Konzentrator ausgestattet ist, der symmetrisch auf beiden Seiten der zylindrischen Oberfläche der zylindrischen magnetischen Dipole, senkrecht zum Magnetisierungsvektor des Dipols, mit einem Abdeckungswinkel der zylindrischen Oberfläche im Bereich von 55-65° installiert ist, wobei die Länge des Konzentrators nicht weniger als 1/3 der Länge des Dipols beträgt und eine Dicke zwischen 1/7 und 1/5 des Durchmessers des Dipols liegt.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf Technologien und Vorrichtungen für die metallurgische Produktion, kann aber auch in Systemen zur Züchtung von Halbleiter-Einkristallen aus der Flüssigphase und in Flüssigstrom-Kühlsystemen für Kernkraftwerke eingesetzt werden. Die Erfindung zielt darauf ab, in elektrisch leitfähigen Legierungen zum Mischen, Aufbereiten, Entgasen und Raffinieren von Metallen und Legierungen in verschiedenen Arten von Öfen und Mischern Kräfte zu induzieren, die Zusammensetzung zu homogenisieren und die Schmelztemperatur im gesamten Volumen der metallurgischen Einheit auszugleichen.
Stand der Technik
Es gibt verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Antreiben von Flüssigmetallen durch elektromagnetische Beeinflussung von geschmolzenem Metall unter Verwendung von elektromagnetischen Konduktions- [1-3] und Induktions- [4-6] Pumpen. Konduktive elektromagnetische Pumpen [1-3] umfassen ein magnetisches System, das eine Metallbahn umschließt, und Elektroden, die auf beiden Seiten der Metallbahn so angeordnet sind, dass die Vektoren des Magnetfelds und des elektrischen Stroms senkrecht zueinander stehen. Durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und dem elektrischen Strom wird eine elektromagnetische Kraft in dem flüssigen Metall erzeugt, die es in Bewegung setzt.
Die gemeinsamen Nachteile aller konduktiven Verfahren und Vorrichtungen sind die Schwierigkeit, einen zuverlässigen stationären elektrischen Kontakt zwischen der Schmelze und den Elektroden herzustellen, und die Notwendigkeit, hohe elektrische Stromwerte zu verwenden, um die erforderliche Pumpleistung zu erzielen. Aus diesen Gründen ist die Verwendung jeder Variante von konduktiven elektromagnetischen Steuergeräten in der Metallurgie sehr begrenzt.
Elektromagnetische Induktionspumpen [4-7] beeinflussen flüssige Metalle ohne elektrische Kontakte. Die elektromagnetische Kraft, die die Schmelze antreibt, ergibt sich aus der Wechselwirkung eines externen variablen Magnetfelds mit den elektrischen Strömen, die dieses Feld im Flüssigmetall verursacht. Am gebräuchlichsten sind dreiphasige Induktionspumpen, die von einem dreiphasigen Wechselstromnetz angetrieben werden und ein wanderndes oder rotierendes Magnetfeld im Flüssigmetall erzeugen [8]. Solche Pumpen haben einen Flüssigmetallkanal mit einem oder zwei Induktoren, die aus einem geschichteten ferromagnetischen Kern mit Wechselstromspulen bestehen. Die Spulen sind an ein Dreiphasen-Wechselstromnetz angeschlossen, das ein wanderndes Magnetfeld erzeugt, ähnlich wie der Spulenanschluss im Stator eines Induktionsmotors.
Die gemeinsamen Nachteile aller Geräte, die Drehstrom-Induktionspumpen zum Fördern und Mischen von Flüssigmetallen verwenden, sind ihr sehr hoher Energieverbrauch, die Notwendigkeit, regelbare Hochleistungsquellen und Kondensatorboxen zur Kompensation der Blindleistung einzusetzen, sowie die Komplexität von Betrieb und Wartung. Außerdem nimmt der Wirkungsgrad von Drehstrom-Induktionspumpen mit zunehmendem Abstand zwischen dem Induktor und der Flüssigmetallschicht (die für metallurgische Geräte charakteristisch ist) stark ab.
Es sind auch Induktionsvorrichtungen mit einem rotierenden Magnetfeld bekannt, das durch einen rotierenden Rotor in Form einer Scheibe oder eines Zylinders, auf dem Permanentmagnete mit variabler Polarität angebracht sind [9 - 13], gebildet wird.
Die üblichen Nachteile solcher bekannten metallurgischen Vorrichtungen sind die komplexe Konfiguration der Fließwege, die ihre Herstellung und Wartung erschwert, die Notwendigkeit einer zusätzlichen Fließheizung, um das Einfrieren der Schmelze darin zu verhindern, und der geringe Wirkungsgrad mit zunehmendem Abstand zwischen Rotor und Flüssigmetall.
Insbesondere ist eine elektromagnetische Induktionspumpe mit Permanentmagneten [11] bekannt, die einen rotierenden zylindrischen Rotor mit auf seiner zylindrischen Oberfläche montierten Permanentmagneten variabler Polarität und eine Metallbahn in Form eines zylindrischen Ringkanals aufweist, der den Rotor umschließt. Der Nachteil einer solchen Vorrichtung ist die Komplexität der Umsetzung eines ringförmigen Kanals aus feuerfesten Materialien mit dünnen Wänden in der metallurgischen Praxis und seine geringe Effizienz bei großen (realen) Spalten zwischen dem Rotor und dem flüssigen Metall.
Es sind auch Lösungen bekannt [12, 13], die einen Schmelzofen für Aluminiumlegierungen vorsehen, der mit einem elektromagnetischen Rührer in Form eines rotierenden zylindrischen Rotors mit Permanentmagneten auf einer Oberfläche ausgestattet ist, die an der Außenseite von einem halbrunden Kanal umgeben ist, der außerhalb des Ofenbads angeordnet und mit diesem durch Kanäle verbunden ist, die in eine der vertikalen Wände des Bads eingebaut sind. Nachteile dieser Lösungen sind die Notwendigkeit einer zusätzlichen Erwärmung der Schmelze in dem halbrunden Kanal und den Kanälen, die sie mit dem Ofenbad verbinden, die Gefahr des Einfrierens der Schmelze beim Abschalten des Rührers, die Schwierigkeit der Reinigung dieser Kanäle und die Gefahr der Überhitzung der auf dem Rotor montierten Permanentmagnete, die zum Verlust ihrer magnetischen Eigenschaften führen kann.
Es sind auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen und Transportieren von geschmolzenem Metall bekannt, vorgestellt in [14, 15]. Gemäß der in [14] vorgeschlagenen Lösung wird das flüssige Metall durch ein Magnetfeld beeinflusst, das durch ein System von zylindrischen Magneten gebildet wird, die entlang ihres Durchmessers in einer Richtung magnetisiert und parallel zueinander installiert sind; anschließend werden diese achsparallelen Zylinder synchron gedreht, so dass sich im flüssigen Metall ebenfalls ein koplanares (rotierendes) Magnetfeld ausbildet, das in der Schmelze elektrische Ströme und dementsprechend elektromagnetische Kräfte induziert, die die Schmelze in Bewegung setzen und für eine Vermischung oder einen Transport des flüssigen Metalls sorgen.
Diese Lösung [14] hat eine Reihe von erheblichen Nachteilen. Bei der synchronen Rotation von diametral magnetisierten Zylindern, deren Induktionsvektoren in eine Richtung und parallel zueinander ausgerichtet sind, hängt der Wirkungsgrad der Vorrichtung von der Qualität des in der Schmelze gebildeten magnetischen Wanderfeldes ab. Bei der vorgeschlagenen Lösung wird ein magnetisches Wanderfeld der erforderlichen Qualität nur mit nicht mehr als drei Zylindern und kleinen Werten für den Spalt zwischen der Oberfläche des Zylinders und dem flüssigen Metall erreicht. Die allgemeine magnetische Wechselwirkung direkt zwischen den Zylindern des Gesamtsystems wird so groß sein und von so großen Schwankungen in der Größe des Drehmoments begleitet werden, dass das mechanische System, das die Zylinder in Drehung versetzt, starken Belastungen und Vibrationen ausgesetzt sein wird. Bei einer parallelen Anordnung eines Systems von diametral magnetisierten Zylindern auf beiden Seiten einer flachen Schicht aus geschmolzenem Metall und ihrer gegenseitigen synchronen, unidirektionalen Rotation wird der Wirkungsgrad der in [14] vorgeschlagenen Vorrichtung aufgrund des Gegendrucks, der durch die gegenüberliegenden magnetischen Zylinder entsteht, sehr gering sein.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der Lösungen des Standes der Technik zu beseitigen, nämlich die Intensität der Flüssigkeitsbewegung in der Schmelze durch die Erzeugung intensiver azimutaler Strömungen in der Schmelze bei größeren Abständen zwischen den Magneten und der flüssigen Schmelze zu erhöhen und gleichzeitig die Möglichkeit zu bieten, die Geschwindigkeit und die Richtung der Bewegung in der Flüssigkeit je nach Bedarf unter bestimmten Umständen zu regulieren.
Die gesetzte Aufgabe wird gelöst

- durch Anbringen eines oder mehrerer rotierender zylindrischer magnetischer Dipole von der Außenseite des Volumens mit der Schmelze (einer beliebigen elektrisch leitenden Flüssigkeit) mit der Richtung des Magnetisierungsvektors senkrecht zu ihrer Längsachse, so dass die Längsachse der Zylinder senkrecht oder parallel zur vertikalen Achse der Metallschmelzeschicht verläuft und ihre Endflächen parallel oder senkrecht zur Metallschmelzeschicht verlaufen;
- jeder zylindrische magnetische Dipol kann mit ferromagnetischen Konzentratoren ausgestattet sein, die symmetrisch auf beiden Seiten seiner zylindrischen Oberfläche senkrecht zum Magnetisierungsvektor des Dipols angebracht sind;
- die Abdeckungswinkel der zylindrischen Oberfläche des Dipols durch ferromagnetische Konzentratoren auf jeder Seite liegen im Bereich von 55-65°;
die Länge jedes Konzentrators beträgt mindestens 1/3 der Länge des zylindrischen Dipols, und seine Dicke liegt im Bereich von 1/7 und 1/5 des Durchmessers des Dipols;
- die geometrischen Parameter der Vorrichtung können in Abhängigkeit von der gewünschten Geschwindigkeit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit U_φ entsprechend den folgenden Abhängigkeiten bestimmt werden:

U_{φ} = 0,67 k B D \sqrt{f \frac{σ}{ρ}},

_r

4

_r

- die magnetischen Dipole sind vorzugsweise mit Mitteln zur Kühlung auf Temperaturen ausgestattet, die die Betriebstemperatur von Permanentmagneten nicht überschreiten;
- jeder Dipol ist vorzugsweise mit einem Antrieb ausgestattet, der seine Drehung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und Drehrichtung sicherstellt und die Möglichkeit bietet, seine Betriebsart von einem Computer aus nach einem vorgegebenen Programm zu steuern.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene Vorrichtung zum berührungslosen Treiben und Bewegen von elektrisch leitenden Flüssigkeiten ist in den 1-7 dargestellt.

1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein drehbarer Permanentmagnet unter dem Boden des Behälters mit der Schmelze und ein weiterer an einer der vertikalen Wände des Behälters angebracht ist.
2 zeigt einen zylindrischen magnetischen Dipol mit ferromagnetischen Konzentratoren.
3 zeigt die berechneten Werte der Induktion des Magnetfeldes für einen zylindrischen Dipol (a) und einen Dipol mit magnetischen Konzentratoren (b).
4 zeigt die dimensionslose Abhängigkeit der Änderung des Effektivwertes der magnetischen Feldinduktion B in der elektrisch leitenden Flüssigkeit vom Durchmesser D des Dipols, seiner Magnetisierung B_r und vom Abstand L des Endes des Dipols zur elektrisch leitenden Flüssigkeit.
5 zeigt ein Beispiel für die Strömungen, die entstehen, wenn die elektrisch leitende Flüssigkeit einem rotierenden zylindrischen Dipol unter dem Boden des Behälters ohne magnetische Konzentratoren ausgesetzt ist.
6 zeigt ein Beispiel für die Strömung, die entsteht, wenn die elektrisch leitende Flüssigkeit einem rotierenden zylindrischen Dipol mit magnetischen Konzentratoren unter dem Boden des Behälters ausgesetzt wird.
7 zeigt die Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Strömungen U_φ, die in der elektrisch leitenden Flüssigkeit entstehen, von der Anzahl der Umdrehungen des Dipols bei ferromagnetischen Konzentratoren f bei Versuchen mit Permanentmagneten mit D = 50 mm.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Vorrichtung zum berührungslosen Antreiben von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten (1) umfasst einen Rahmen (1); einen Behälter (2) für die elektrisch leitfähige Flüssigkeit (z. B. Schmelze); ein System von drehbaren Permanentmagneten (3) in Form von einem oder mehreren Zylindern mit einem Durchmesser D, die entlang ihres Durchmessers magnetisiert sind, wobei die Richtung des Magnetisierungsvektors senkrecht zur Längsachse (4) der Zylinder verläuft; wobei die Zylinder die zylindrischen magnetischen Dipole (20) sind; einen oder mehreren Antrieben (5), die für die steuerbare Drehung der drehbaren Permanentmagnete (3) geeignet sind. Der Behälter (2), die Magnete (3) und der Antrieb (5) sind auf dem Rahmen (1) installiert, die Magnete (3) sind in der Nähe des Behälters (2) installiert. Um die Bewegung der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit im Behälter (2) bei großen Abständen zwischen der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit und den Magneten (3) zu verstärken, sind zylindrische magnetische Dipole (20) so installiert, dass die Längsachse (4) der Zylinder senkrecht zur vertikalen Achse der elektrisch leitfähigen Flüssigkeitsschicht steht und die Endflächen der zylindrischen magnetischen Dipole (20) parallel (z. B. 1 Dipol (20) unterhalb des Behälters (2)) oder senkrecht (z. B. 1 Dipol (20) auf der rechten Seite des Behälters (2)) zur vertikalen Achse der elektrisch leitenden Flüssigkeitsschicht sind; wobei jeder zylindrische magnetische Dipol (20) mit einem ferromagnetischen Konzentrator (21) (2) ausgestattet ist, der symmetrisch auf beiden Seiten der zylindrischen Oberfläche der zylindrischen magnetischen Dipole (20) entlang des Magnetisierungsvektors des Dipols (20) installiert ist, mit einem Abdeckungswinkel der zylindrischen Oberfläche im Bereich von 55-65°. Die Länge des Konzentrators (21) nicht weniger als 1/3 der Länge des Dipols (20) beträgt und die Dicke zwischen 1/7 und 1/5 des Durchmessers des Dipols (20) liegt. Die Drehung der Dipole (20) erfolgt z. B. mit Hilfe von Antrieben (5), wobei sowohl die Geschwindigkeit als auch die Drehrichtung der Dipole (20) nach Bedarf unter den gegebenen Umständen verändert werden können.
Das Vorhandensein von ferromagnetischen Konzentratoren (21) vergrößert den Einflussbereich des Magnetfeldes in der elektrisch leitenden Flüssigkeit und die Größe der magnetischen Induktion des Feldes in der elektrisch leitenden Flüssigkeit (3). Die optimalen Abmessungen der Dipole (20) mit ferromagnetischen Konzentratoren (21) sind bei der Länge der ferromagnetischen Konzentratoren (21) h gleich mindestens 1/3 der Länge H des Dipols (20) und seiner Dicke Δ, gleich etwa 1/6 des Durchmessers D des Dipols (d. h. von 1/7 bis 1/5). In diesem Fall werden die geometrischen Parameter der gesamten Vorrichtung in Abhängigkeit von der gewünschten Geschwindigkeit der elektrisch leitenden Flüssigkeiten U_φ im Behälter (2) gemäß den folgenden Abhängigkeiten bestimmt: $U_{φ} = 0,67 k B D \sqrt{f \frac{σ}{ρ}},$
wobei D - der Durchmesser des zylindrischen magnetischen Dipols (20) ist; f - die Frequenz der Drehung des Dipols (rps; U/s); σ und ρ die spezifische Leitfähigkeit bzw. Dichte der elektrisch leitenden Flüssigkeit; B = B_r[f(L/D)] - der Effektivwert der Induktion des Magnetfeldes in einem Abstand L von der Oberfläche des Endes des Dipols (20), bestimmt aus 4; B_r - die Magnetisierung des Materials des Dipols (20); L - der Abstand vom Ende des Dipols (20) zur elektrisch leitenden Flüssigkeit im Behälter (2); k= 1-0,8 - ein empirischer Koeffizient, der vom Verhältnis der Längen des Dipols (20) und des ferromagnetischen Konzentrators (21) abhängt.
Um eine Überhitzung der magnetischen Dipole (20) über die zulässige Temperatur hinaus zu verhindern, kann die Vorrichtung mit Kühlmitteln (22) ausgestattet sein, die geeignet sind, die magnetischen Dipole (20) auf Temperaturen abzukühlen, die die Betriebstemperatur der Permanentmagnete (3) nicht überschreiten. Bei den Kühlmitteln (22) kann es sich beispielsweise um ein System zur Zuführung eines Luftstroms zu den unter dem Gesichtspunkt der Überhitzung gefährdeten Bereichen der Vorrichtung handeln.
Die Vorrichtung kann unter dem Boden oder an der Seitenwand des Behälters (2) mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit (Schmelze) installiert werden oder installiert sein. Die Vorrichtung wird so installiert oder ist so installiert, dass die Achsen eines oder mehrerer zylindrischer magnetischer Dipole (20), die mit magnetischen Konzentratoren (21) ausgestattet sind, senkrecht zur Ebene des Behälters (2) stehen und einen Abstand L von der Oberfläche der elektrisch leitenden Flüssigkeit haben. Um die erforderliche Fließgeschwindigkeit der elektrisch leitenden Flüssigkeit zu erreichen, wird der maximal mögliche Abstand L von der Oberfläche des Dipols (20) zur elektrisch leitenden Flüssigkeit gemäß den oben genannten Abhängigkeiten berechnet und durch die Größe des Durchmessers des Dipols (20), den Wert der Magnetisierung seines Materials, die spezifische elektrische Leitfähigkeit und die Dichte der elektrisch leitenden Flüssigkeit bestimmt.
Die magnetischen Dipole (20) werden durch eine Art Antrieb, z. B. einen elektrischen Antrieb (5), in Rotation versetzt. Geschwindigkeit und Drehrichtung der Dipole (20) mit magnetischen Konzentratoren (21) werden durch die Betriebsarten der Antriebe (5) unabhängig voneinander bestimmt und können programmierbar gesteuert werden.
Wenn die magnetischen Dipole (20) mit der Richtung des Felds des Magnetisierungsvektors senkrecht zu ihrer Drehachse rotieren, durchquert der magnetische Feldfluss des Dipols die elektrisch leitende Flüssigkeitszone und induziert, indem er sich periodisch in Richtung und Zeit ändert (3), elektrische Ströme in der elektrisch leitenden Flüssigkeit. Letztere erregen in Wechselwirkung mit dem primären Magnetfeld der Permanentmagnete (3) des Dipols (20) elektromagnetische Kräfte in der elektrisch leitenden Flüssigkeit, die eine Bewegung der Flüssigkeit bewirken. Je nach Drehrichtung und - geschwindigkeit der einzelnen Dipole (20) können die Konfiguration und die Struktur der entstehenden hydrodynamischen Strömungen in der elektrisch leitenden Flüssigkeit sehr unterschiedlich sein und werden durch die spezifischen Anforderungen eines bestimmten technologischen Prozesses bestimmt.
Die Geschwindigkeit der entstehenden Ströme in der elektrisch leitenden Flüssigkeit hängt von der Größe des Magnetfeldes B in der Flüssigkeitszone, der Drehgeschwindigkeit (Anzahl der Umdrehungen) der Dipole (20), der elektrischen Leitfähigkeit der elektrisch leitenden Flüssigkeit und dem Abstand von der Oberfläche der Magnete (3) zur Flüssigkeit ab, der die zuvor berechnete Größe L nicht überschreiten sollte (4). Das Vorhandensein von ferromagnetischen Konzentratoren (21) auf den Seitenflächen der zylindrischen Dipole (20) erhöht die Eindringtiefe des Feldes in die elektrisch leitfähige Flüssigkeit sowie das vom Magnetfeld beeinflusste Volumen erheblich. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung erheblich gesteigert (5-6).
Die Tests der beanspruchten Vorrichtung wurden in einem Versuchsaufbau durchgeführt, in dem die eutektische Indium-Gallium-ZinnLegierung mit einem Schmelzpunkt von 10,6°C als elektrisch leitende Flüssigkeit verwendet wurde. Die Installation wurde mit einem zylindrischen magnetischen Dipol (20) durchgeführt, der mit einem ferromagnetischen Konzentrator (21) ausgestattet war. Der Dipol (20) wurde durch einen Elektromotor in Drehung versetzt. Seine Drehgeschwindigkeit wurde durch einen Frequenzumrichter geregelt, der die Frequenz des elektrischen Stroms, der den Elektromotor versorgt, veränderte.
Mit einem Ultraschall-Doppler-Anemometer wurde die Geschwindigkeit der Bewegung der elektrisch leitenden Flüssigkeit im Behälter (2) bei verschiedenen Umdrehungszahlen des magnetischen Dipols (20) und bei verschiedenen Abständen von der Endfläche des Dipols (20) zur elektrisch leitenden Flüssigkeit gemessen.
Die Ergebnisse der Messungen sind in 7 dargestellt. Sie bestätigen die Wirksamkeit der Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erzeugung von Bewegung in elektrisch leitenden Flüssigkeiten, insbesondere in flüssigen Metallen, geschmolzenen Halbleitermaterialien usw.
Darüber hinaus stimmen die experimentellen Werte der Geschwindigkeiten des flüssigen Metalls zufriedenstellend mit den berechneten Daten überein, so dass es möglich ist, die zu erwartenden Mischungsraten und die erforderlichen Größen der magnetischen Dipole für reale technologische Anlagen zu bewerten. Insbesondere zeigen die Berechnungen, dass in einem 1,5-Tonnen-Tiegel mit geschmolzenem Aluminium eine Vorrichtung mit zwei zylindrischen magnetischen Dipolen (20) mit einem Durchmesser von D = 150 mm bei einem Abstand zwischen der Oberfläche der Dipole (20) und dem flüssigen Metall Δ = 200 mm und der Drehzahl n = 1-1,5 U/min Rührströme mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von etwa 0,1-0,2 m/s entwickeln wird, was für die Intensivierung von Schmelzprozessen und die Gewinnung von Legierungen völlig ausreichend ist.
Ähnliche Berechnungen der Mischparameter der Flüssigkeitszone in erstarrenden Stahlblöcken, die in Strangguss- und halbkontinuierlichen Gießanlagen durchgeführt wurden, zeigen, dass die Mischgeschwindigkeit 0,2-0,3 m/s erreichen kann, vorausgesetzt, es gibt keine (oder nur sehr schwache) magnetische Eigenschaften in der bereits erstarrten Schicht (Kruste) eines Metalls. Die angegebenen Mischungsgeschwindigkeiten sind sowohl für die Homogenisierung der Schmelze im Kern des Blocks als auch für die Erzielung einer verbesserten Kristallstruktur völlig ausreichend.
Die Verwendung von Permanentmagneten in Form von rotierenden zylindrischen magnetischen Dipolen ermöglicht es, die Wirkung des Magnetfeldes auf einen wesentlich größeren Abstand von der Oberfläche des Permanentmagnet-Dipols zu verteilen. Dieser Umstand ermöglicht es, die zulässige (vom Standpunkt der Wirksamkeit der Vorrichtung aus gesehen) Wandstärke von metallurgischen Einheiten erheblich zu erhöhen und eine Reihe von vielversprechenden metallurgischen Technologien in der Praxis umzusetzen. Gleichzeitig zeichnet sich die vorgeschlagene Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Lösungen, die einem ähnlichen Zweck dienen, durch eine einfache Konstruktion, deutlich kleinere Abmessungen und eine wesentlich geringere Menge an benötigten teuren magnetischen Materialien aus.
Referenzen

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4. Voldek A.I. Induction Magnetohydrodynamics Machines with a Liquid Metal Working Body. - Leningrad, Energy Publishing House, 1970, S. 272
5. Peel A. A Look at the History and Some Recent Developments in the Use of Electromagnetic Devices for improving operational efficiency in the aluminium cast house. Aluminium Cast House Technology, the 8th Australian Conference. Ed. By P.R.Whitaley, TMS, 2003, S. 71-100.
6. US 3,490,896 .
7. EP 1 021 574 B1 .
8. Verte L.A. Magnetohydrodynamics in Metallurgy. Moscow, Metallurgy Publishing House, 1975, S. 288
9. Kalninņš T. Explicit Pole MHD Pumps. Riga, Zinatne Publishing House, 1969.
10. Bucenieks I. Perspectives of using rotating permanent magnets for electromagnetic induction pump design. Magnetohydrodynamics , Bd. 36 (2000), Nr. 2, S. 151-156.
11. CN 101594041 A .
12. EP 2 206 998 A1 .
13. JP 2008 334089 A .
14. LV 14264 B.
15. LV 14404 B.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6732890 B2 [0027]
GB 2317506 [0027]
US 3490896 [0027]
EP 1021574 B1 [0027]
CN 101594041 A [0027]
EP 2206998 A1 [0027]
JP 2008334089 A [0027]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Vorrichtung zur berührungslosen Induktion von Kräften in elektrisch leitenden Flüssigkeiten, mit einem Behälter (2) für die elektrisch leitende Flüssigkeit; drehbaren Permanentmagneten (3) in Form von einem oder mehreren Zylindern, die entlang ihres Durchmessers magnetisiert sind, wobei die Richtung des Magnetisierungsvektors senkrecht zur Längsachse (4) der Zylinder verläuft; wobei die Zylinder die zylindrischen magnetischen Dipole (20) sind; mindestens einem Antrieb (5), der für die steuerbare Drehung der drehbaren Permanentmagneten (3) geeignet ist; wobei die Magneten (3) in der Nähe des Behälters (2) installiert sind; dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrischen magnetischen Dipole (20) so installiert sind, dass die Längsachsen (4) der Zylinder senkrecht zu einer vertikalen Achse der elektrisch leitenden Flüssigkeitsschicht sind, und dass die Endflächen der zylindrischen magnetischen Dipole (20) parallel oder senkrecht zu der vertikalen Achse der elektrisch leitenden Flüssigkeitsschicht sind; wobei jeder zylindrische magnetische Dipol (20) mit einem ferromagnetischen Konzentrator (21) ausgestattet ist, der symmetrisch auf beiden Seiten der zylindrischen Oberfläche der zylindrischen magnetischen Dipole (20), senkrecht zum Magnetisierungsvektor des Dipols (20), mit einem Abdeckungswinkel der zylindrischen Oberfläche im Bereich von 55-65° installiert ist, wobei die Länge des Konzentrators (21) nicht weniger als 1/3 der Länge des Dipols (20) beträgt und die Dicke zwischen 1/7 und 1/5 des Durchmessers des Dipols (20) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der geometrischen Abmessungen der Elemente der Vorrichtung durch die folgenden Abhängigkeiten bestimmt wird: $U_{φ} = 0,67 k B D \sqrt{f \frac{σ}{ρ}},$
wobei U_φ - die gewünschte Geschwindigkeit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit im Behälter (2); D - der Durchmesser des zylindrischen magnetischen Dipols (20); f - die Frequenz der Drehung des Dipols (20), U/s; σ und ρ die spezifische elektrische Leitfähigkeit bzw. Dichte der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit; B = B_r[f(L/D)] - der Effektivwert der Induktion des Magnetfeldes in einem Abstand L von der Oberfläche des Endes des Dipols (20) zur Oberfläche der elektrisch leitenden Flüssigkeit; B_r - die Remanenz des Dipol-Permanentmagnetmaterials; L der Abstand vom Ende des Dipols (20) zur elektrisch leitenden Flüssigkeit im Behälter (2); k= 1-0,8 - ein willkürlicher Koeffizient, der vom Verhältnis der Längen des Dipols (20) und des ferromagnetischen Konzentrators (21) abhängt, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Dipole (20) mit Kühlmitteln (22) ausgestattet sind, die geeignet sind, die magnetischen Dipole (20) auf Temperaturen zu kühlen, die die Betriebstemperatur der Permanentmagnete (3) nicht überschreiten.