DE69005208T2 - Elektromagnetisches Ventil zur Kontrolle des Flüssigkeitsdurchflusses in einer Leitung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Ventil zum Steuern der Strömung eines Metalles oder einer Metallegierung in flüssiger Phase in einer Rohrleitung unter Last, mit einem rohrförmigen Körper aus einem für ein Magnetfeld durchlässigen Material, und mit inindestens einer mehrphasigen Feldwicklung, die um den rohrförmigen Körper herum angeordnet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, welches entlang der Längsachse des rohrförmigen Körpers verläuft. Ein elektromagnetisches Ventil dieser Art ist beispielsweise aus der DE- B-1 037 789 bekannt.
• Im Bereich der Metallurgie, beispielsweise in einer industriellen Gießeinrichtung oder in einer Vorrichtung zur Herstellung von Eisenprodukten mit einem Überzug aus einem Metall oder einer Metallegierung, beispielsweise einer Feuerverzinkungsvorrichtung oder bei diversen anderen Anwendungen ist es häufig erforderlich, eine Strömung eines Metalles oder einer Metallegierung in flüssiger Phase steuern zu können; hierbei befindet sich das Metall bzw. die Metallegierung entweder nach einer kontrollierten Erhöhung seiner Temperatur in geschmolzenem Zustand oder das Metall bzw. die Metalllegierung ist bei Umgebungstemperatur normalerweise flüssig, wie es zum Beispiel bei Quecksilber der Fall ist. Zur Steuerung einer Strömung des Metalles oder der Metallegierung in flüssigem Zustand werden üblicherweise elektromechanische oder hydromechanische Systeme eingesetzt, beispielsweise Schieber, Stopfer etc. Aufgrund des Vorhandenseins beweglicher mechanischer Teile in diesen Systemen bringen diese Systeme erhebliche Investitionen mit sich und verursachen relativ hohe Unterhalts- und Wartungskosten.
• Aus diesem Grund wurde, insbesondere in der Patentschrift DE-B-1 037 789, bereits vorgeschlagen, zur Steuerung der Strömung eines Metalles oder einer Metallegierung in flüssiger Phase in einer unter Last stehenden Rohrleitung elektromagnetische Ventile zu verwenden, die keine beweglichen mechanischen Teile enthalten. Der Betrieb elektromagnetischer Ventile dieser Art beruht auf einem Prinzip ähnlich dem des Linearmotors, wobei die Rolle des sich bewegenden Ankers hierbei von dem Metall oder der Metallegierung übernommen wird, dessen bzw. deren Strömung zu steuern ist. Bei diesen elektromagnetischen Ventilen ist die mehrphasige Feldwicklung derart angeordnet und elektrisch verbunden, daß das von ihr erzeugte Magnetfeld sich in entgegengesetzter Richtung zu der normalen Strömungsrichtung des flüssigen Metalles bzw. der flüssigen Metallegierung in der unter Last stehenden Rohrleitung ausbreitet. Anders ausgedrückt setzt sich die von der mehrphasigen Feldwicklung erzeugte und auf das flüssige Metall in der Leitung wirkende magnetomotorische Kraft der durch den hydrostatischen Druck des flüssigen Metalles in der Leitung bedingten Kraft entgegen. Durch Regelung der Stromstärke in der mehrphasigen Feldwicklung ist es möglich, die Durchflußmenge des flüssigen Metalls bzw. der flüssigen Metallegierung in der Rohrleitung zu regeln. Je höher die Stromstärke in der mehrphasigen Feldwicklung, desto geringer ist die Durchflußmenge des flüssigen Metalls bzw. der flüssigen Metallegierung, die am elektromagnetischen Ventil vorbeifließt. Theoretisch ist es durch Verwendung eines ausreichend starken Stromes möglich, die am Ventil ankommende Strömung des flüssigen Metalls oder der flüssigen Metallegierung anzuhalten. Dennoch ist die zum Anhalten der Strömung des flüssigen Metalls bzw. der flüssigen Metallegierung erforderliche Stromstärke relativ wichtig, ebenso wie die elektrische Leistung, die erforderlich ist, um das elektromagnetische Ventil im "geschlossenen" Zustand zu halten, und in der Praxis hat es sich als schwierig erwiesen, einen vollständigen und sicheren Stillstand der Strömung des flüssigen Metalls oder der flüssigen Metallegierung zu erzielen.
• Um die Strömung des flüssigen Metalls oder der flüssigen Metallegierung vollständig anzuhalten, wurde vorgeschlagen, das Ende im Ausgang des rohrförmigen Körpers des elektromagnetischen Ventils mittels einer Querwand, die eine bezüglich der Längsachse des rohrförmigen Körpers exzentrische oder dezentrierte Ausgangsöffnung aufweist, teilweise zu schließen. Wenn eine derartige Anordnung auch wirkungsvoll ein vollständiges Anhalten der Strömung des flüssigen Metalls oder der flüssigen Metallegierung ermöglicht, so bleibt dennoch die Stärke der Strömung, die hierzu erforderlich ist, relativ wichtig, und außerdem verursacht die Querwand mit ihrer exzentrischen Ausgangsöffnung bei "geöffnetem" Zustand des elektromagnetischen Ventils Störungen (Turbulenzen) und Ladungsverluste in der Strömung des flüssigen Metalls oder der flüssigen Metallegierung, die bei gewissen Anwendungen nicht hingenommen werden können.
• Es ist ebenfalls, aus der Patentschrift GB-A-1 308 087, ein elektromagnetisches Ventil zum Steuern der Strömung eines Metalls bekannt, das einen in einem rohrförmigen Körper befindlichen Kern umfaßt, wobei dieser Kern von einem stromgespeisten Solenoid gebildet wird und auf diese Weise ein Magnetfeld erzeugt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisches Ventil bereitzustellen, das zum Steuern und Anhalten einer Strömung eines flüssigen Metalls oder einer flüssigen Metallegierung in einer unter Last stehenden Rohrleitung eine schwächere elektrische Leistung benötigt als die aus dem Stand der Technik bekannten elektromagnetischen Ventile, und das bei geöffnetem Ventil nur geringfügige Störungen in dieser Strömung verursacht.
• Zu diesem Zweck umfaßt gemäß vorliegender Erfindung das elektromagnetische Ventil zum Steuern der Strömung eines Metalles oder einer Metallegierung in flüssiger Phase in einer unter Last stehenden Rohrleitung einen rohrförmigen Körper aus einem für ein Magnetfeld durchlässigen Material und mindestens eine mehrphasige Feldwicklung, die um den rohrförmigen Körper herum angeordnet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, welches entlang der Längsachse des rohrförmigen Körpers wandert, wobei das Ventil dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen aus einem magnetischen Material bestehenden Kern aufweist, der im rohrförmigen Körper angebracht ist und axial in diesem verläuft, um die Schleifenbildung des von der mehrphasigen Feldwicklung erzeugten Magnetfeldes zu gewährleisten, wobei der Kern zwischen sich und der Innenwand des rohrförmigen Körpers einen im wesentlichen ringförmigen Kanal für das flüssige Metall oder die flüssige Metallegierung bildet, dessen bzw. deren Strömung zu steuern ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Kern aus einem magnetischen Stab, der in einer Masse eines für ein Magnetfeld durchlässigen Materials eingebettet ist, wobei der Kern über radiale Streben, die von dem Material ausgebildet sind, mit dem rohrförmigen Körper des Ventils verbunden ist.
• Obgleich die Gründe, warum das elektromagnetische Ventil gemäß vorliegender Erfindung wirkungsvoller ist als die aus dem Stand der Technik bekannten elektromagnetischen Ventile, nicht vollständig aufgeklärt sind, kann man sich dennoch vorstellen, daß dieser Sachverhalt auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß einerseits der von der Feldwicklung erzeugte Magnetfluß durch den im rohrförmigen Körper vorgesehenen Kern konzentriert wird, und daß andererseits die Strömung von flüssigem Metall oder flüssiger Metallegierung im ringförmigen Bereich zwischen dem Kern und der Innenwand des rohrförmigen Körpers eingeschlossen ist, d.h. in einem Bereich, in dem das Magnetfeld natürlich stärker und somit wirkungsvoller ist als im Zentrum der Feldwicklung, wobei dieser ringförmige Bereich der Feldwicklung, die den rohrförmigen Körper umgibt, näher liegt.
• Es wird nunmehr unter Bezugnahme auf die nachstehenden Zeichnungen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als nicht-einschränkendes Beispiel beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Ansicht im Axialschnitt eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Ventils,
• Fig. 2 eine Halbansicht im Schnitt entlang der Linie II-II gemäß Fig. 1.
• Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte elektromagnetische Ventil umf aßt auf bekannte Art und Weise einen rohrförmigen Körper 1 aus einem Material, das für ein Magnetfeld durchlässig ist, welches von einer mehrphasigen Feldwicklung 2, die den rohrförmigen Körper 1 umgibt und die von einer mehrphasigen Stromquelle 3 mit variabler Stromstärke mit Strom versorgt werden kann, erzeugt wird.
• Für den Fall, daß das elektromagnetische Ventil zum Steuern einer Strömung eines geschmolzenen Metalls oder einer geschmolzenen Metallegierung bestimmt ist, ist der Körper 1 vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Material gebildet, das bei Kontakt mit dem geschmolzenen Metall oder der geschmolzenen Metallegierung nicht benetzbar ist, beispielsweise einem keramischen Werkstoff.
• Außerdem ist in diesem Fall der rohrförmige Körper vorzugsweise über seine gesamte Länge dicht von einer Heizvorrichtung 4 umgeben, welche zum Aufheizen des Körpers 1 auf eine Temperatur geeignet ist, die ausreicht, um das geschmolzene Metall oder die geschmolzene Metallegierung auf einer vorbestimmten Temperatur über seiner Schmelztemperatur zu halten. Die Heizvorrichtung 4 kann durch bekannte Vorrichtungen gebildet sein, beispielsweise durch eine Magnetinduktions-Heizvorrichtung oder durch elektrische Heizwiderstände.
• Wenn andererseits das Metall oder die Metallegierung bereits bei niedriger Temperatur oder Umgebungstemperatur flüssig ist, dann muß der Körper 1 nicht aus einem hitzebeständigen Material hergestellt sein und kann einfach aus einem für ein Magnetfeld durchlässigen Material bestehen, das ausreichend steif ist, um den mechanischen Widerstand des Ventilkörpers zu gewährleisten, und das mit dem das Ventil durchfließenden Metall oder Metallegierung kompatibel ist.
• Die mehrphasige Feldwicklung 2 ist derart angeordnet und elektrisch verbunden, daß ein Feld entsteht, welches entlang der Längsachse des rohrförmigen Körpers 1 in einer Richtung wandert, so daß die magnetomotorischen Kräfte F, die von der mehrphasigen Feldwicklung 2 auf das im rohrförmigen Körper strömende flüssige Metall oder auf die flüssige Metallverbindung ausgeübt werden, sich unter Wirkung des hydrostatischen Druckes der Strömung des flüssigen Metalls oder der flüssigen Metallverbindung, wie von Pfeil G angezeigt, entgegensetzen. Die mehrphasige Feldwicklung 2 kann beispielsweise eine Feldwicklung des Typs sein, wie sie vom Labor "MADYLAM" in Saint- Martin d'Heres, Frankreich, hergestellt wird. Erforderlichenfalls kann diese Feldwicklung auf bekannte Art und Weise durch ein flüssiges Kühlmittel gekühlt werden, welches in Kanälen in Umlauf gebracht wird, die in der Wicklung vorgesehenen sind. Der zur Erregung der mehrphasigen Feldwicklung 2 erforderliche Strom, der von der Quelle 3 zugeführt wird, kann beispielsweise ausgehend vom Drehstromnetz 380 V, 50 Hz erhalten und an einen Abspanntrafo gelegt werden, dessen Spannung zur Senkung der Spannung auf 17 V geeignet ist und der selbst über eine Stromstärkeregelvorrichtung mit der Wicklung 2 verbunden ist.
• Erfindungsgemäß verläuft ein Kern 5 axial im rohrförmigen Körper 1 und wird in diesem von mehreren radialen Streben oder Elementen 6 gehalten. Der Kern 5 kann im wesentlichen dieselbe Länge haben wie der rohrförmige Körper 1 und die Streben oder Elemente 6 können dieselbe Länge wie der Kern 5 haben oder sich nur über einen Teil seiner Länge erstrecken. Vorzugsweise sind der Kern 5 und die Elemente 6 in ihrem Profil derart ausgebildet, daß sich so wenig Störungen wie möglich in dem im rohrförmigen Körper 1 strömenden flüssigen Metall oder flüssigen Metallverbindung verursachen. Aus denselben Gründen sind der Innendurchmesser des rohrförmigen Körpers 1 und der Außendurchmesser des Kerns 5 so gewählt, daß die Fläche des ringförmigen Kanalbereichs zwischen dem Kern 5 und dem Körper 1 stromaufwärts und schließlich stromabwärts von dem elektromagnetischen Ventil gleich der Fläche des kreisförmigen Kanalbereiches ist. Vorzugsweise wird der Kern 5 von einem magnetischen Stab 7 gebildet, der in einer Masse 8 eines für das Magnetfeld durchlässigen Materials eingebettet ist, wobei dieses Material vorzugsweise dasselbe Material ist wie dasjenige, aus dem die Streben oder Elemente 6 und der rohrförmige Körper 1 gebildet sind, beispielsweise ein hitzebeständiges Material, das bei Kontakt mit dem flüssigen Metall oder Metallverbindung nicht benetzbar ist. Der magnetische Stab 7 ermöglicht die Sicherstellung der Schleifenbildung des von der mehrphasigen Feldwicklung 2 erzeugten Magnetfeldes.
• In der in Figur 1 beispielhaft dargestellten Ausführungsform kann das elektromagnetische Ventil eine zweite mehrphasige Feldwicklung 9 aufweisen, welche derart angebracht und elektrisch angeschlossen ist, daß sie eine ähnliche Rolle spielt wie die der mehrphasigen Feldwicklung 2. Die mehrphasige Feldwicklung 9 kann an die Stromquelle 3 angeschlossen sein, beispielsweise über einen Schalter 10, oder sie kann an ihre eigene regelbare Mehrphasenstromquelle 11 angeschlossen sein, wie es in strichpunktierten Linien in Figur 1 dargestellt ist. Im ersten Fall erfüllt die mehrphasige Feldwicklung 9 in Verdoppelung dieselbe Funktion wie die mehrphasige Feldwicklung 2 und kann als Reservewicklung im Fall des Versagens von Wicklung 2 verwendet werden. Im zweiten Fall kann man schließlich eine geringe Leckrate im Bereich der mehrphasigen Feldwicklung 2 zulassen, wobei diese geringe Rate dann leicht durch das von der mehrphasigen Feldwicklung 9 erzeugte Magnetfeld angehalten werden kann. Ziel dieser zweiten Anordnung ist es, den notwendigen Energieverbrauch zum völligen Anhalten des Durchflusses des flüssigen Metalls oder der flüssigen Metallegierung noch weiter zu verringern und die Dimensionen der zur Stromversorgung der Feldwicklungen 2 und 9 erforderlichen Systeme einzuschränken.
• An seinem Eingangsende ist der rohrförmige Körper 1 mit einem Flansch oder einer anderen Verbindungsvorrichtung 12 versehen, über die das elektromagnetische Ventil am Ende einer Zuführungsleitung 13 für flüssiges Metall oder Metallegierung oder an einem Behälter, in dem sich das flüssige Metall oder Metallegierung befindet, befestigt werden kann. Gleichfalls kann der rohrförmige Körper 1 an seinem Ausgangsende einen Flansch oder eine andere geeignete Verbindungsvorrichtung 14 aufweisen, über die das elektromagnetische Ventil, falls erwünscht, mit einer anderen Transportleitung 15 für das flüssige Metall oder Metallegierung verbunden werden kann.
• Für den Fall, daß das elektromagnetische Ventil dazu bestimmt ist, die Strömung eines geschmolzenen Metalls oder einer geschmolzenen Metallverbindung zu steuern, kann der rohrförmige Körper 1 oder die Rohrleitung 15 vorteilhafterweise mit einem Injektor 16 versehen sein, der eine kontrollierte Injektion eines neutralen oder inerten Gases ermöglicht, wodurch eine Oxidation des flüssigen Metalls oder der flüssigen Metallegierung im elektromagnetischen Ventil verhindert wird.
• Als Beispiel sei angegeben, daß es mit einem elektromagnetischen Ventil, dessen Körper 1 einen Innendurchmesser von 14 mm hat und das einen Kern 5 mit einem Außendurchmesser von 8 mm aufweist sowie eine einzige mehrphasige Feldwicklung mit 10 Windungen pro Phase mit einem Durchmesser von 45 mm umfaßt, möglich war, die Strömung einer Legierung aus geschmolzenem Zink, welche auf einer Temperatur von 480ºC gehalten wurde, völlig anzuhalten, wobei der hydrostatische Druck am Eingang des elektromagnetischen Ventils 2,5x10&sup4; Pa (0,25 bar) betrug.
• Hierfür wurde die mehrphasige Feldwicklung mit einem Strom von 2400 A gespeist. (Es ist zu bemerken, daß der Aufbau, mit dem der Versuch durchgeführt wurde, nicht optimalisiert war und er keine Stromstärkeregelvorrichtung umfaßte; es ist daher zu erwarten, daß die zur Erzielung des völligen Stillstandes der Strömung geschmolzenen Zinks ausreichende Stromstärke noch unter 2400 A liegt). Zum Vergleich sei gesagt, daß bei einem elektromagnetischen Ventil ohne Mittelkern, um in etwa den völligen Stillstand der Strömung der Legierung geschmolzenen Zinks zu bewirken, die Feldwicklung mit einem Mehrphasenstrom von mindestens vier- bis fünffacher Stärke gespeist hätte werden müssen.

Claims (5)

1. Elektromagnetisches Ventil zum Steuern der Strömung eines Metalles oder einer Metallegierung in flüssiger Phase in einem Strömungskanal (13,15), mit einem rohrförmigen Körper (1) aus einem für ein Magnetfeld durchlässigen Material, und mit einer mehrphasigen Feldwicklung (2), die um den rohrförmigen Körper angeordnet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, welches längs der longitudinalen Achse des rohrförmigen Körpers wandert, gekennzeichnet durch einen Kern (5), der im rohrförmigen Körper (1) angeordnet ist, sich in dessen Achsrichtung erstreckt und zwischen sich und der Innenwand des rohrförmigen Körpers einen im wesentlichen ringförmigen Kanal für das flüssige Metall oder die flüssige Metallegierung bildet, deren Strömung zu steuern ist, wobei dieser Kern (5) einen Schluß des Magnetfeldes gewährleistet, das von der mehrphasigen Feldwicklung (2) erzeugt wird.

2. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (5) einen weichmagnetischen Stab (7) enthält, der in eine Masse (5) aus einem diamagnetischen Material eingebettet ist und mit dem rohrförmigen Körper (1) des Ventils durch radiale Streben (6) aus dem genannten Material verbunden ist.

3. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Körper (1) des Ventils oder die Leitung (13,15), mit der das Ventil verbunden ist, in vorteilhafter Weise mit einem Injektor (16) versehen ist, welcher eine kontrollierte Injektion eines neutralen oder inerten Gases ermöglicht, welches eine Oxidation des flüssigen Metalles oder der flüssigen Metallegierung im Ventil verhindert.

4. Elektromagnetisches Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei mehrphasige Feldwicklungen (2,9) enthält, die nebeneinander um den rohrförmigen Körper (1) des Ventils angeordnet sind.

5. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrphasigen Feldwicklungen (2,9) mit verschiedenen steuerbaren Stromquellen (3,11) verbunden sind.