电磁泵流量影响因素研究

11 引言根据国务院发展研究中心信息网：近些年来，得益于国家实行积极的发展政策和扩大内需的拉动力，电力、钢铁、石化等国民经济主要部门和城市基础设施建设需求的持续增长，使得我国泵行业还将会以高出机械工业 23的速度持续发展。这些泵产品被广泛用于国民经济各部门，基本满足了我国经济发展对泵的需要，而国内泵行业近几年通过“以市场换技术”的方式，使国内泵行业中关键用泵的技术水平得到提高，有的技术已经达到国外先进水平 1。其中，电磁泵在铸造工业方面的应用，是泵类发展研究的重要项目之一。随着工业化的高速发展，铸造工业正走向专业化规模生产，绿色铸造技术将成为 21世纪的发展趋向。传统铸造业正逐渐向高质量、低消耗、无污染、高效率的现代铸造业转变。随着对铝合金铸件对质量要求的不断提高，传统的利用低压铸造设备工艺浇注的产品，质量已越来越满足不了用户的要求。并且传统的低压铸造，存在生产效率低下、生产过程不稳定、自动化程度低，容易受到外界因素影响等缺陷。而以电磁泵铸造技术为核心，辅之以铝液的熔炼净化、平稳输送、检测与控制等多项技术等组成的工艺系统，克服了传统低压铸造工艺的缺陷，使铸件的质量大大提高。被认为是铝铸件生产最有发展前途的低压铸造工艺方法。另外，在生产铝合金铸件方面，为提高铸件成品率，常常采用加大切削用量的方法来减小铸造缺陷，这样不仅使得材料的利用率下降，而且增加了毛坯重量。电磁泵定量浇注技术的发展，将从根本上解决铸件重量精度低下的现状。为此，开发适用于铝铸件低压铸造工艺要求以及定量浇注电磁泵铸造设备势在必行 2 。1.1 国外电磁泵研究现状及应用电磁泵技术最早在 1927 年，由爱因斯坦和斯拉达提出。准确地说，应该叫电磁驱动泵。后来随着原子能动力工业的发展，特别是中子反应堆的发展，促进了电磁泵的研究和应用。目前，在国内外，电磁泵广泛应运于原子能动力液体金属的主要回路的各种辅助系统及热加工材料实验装置中。对于一些实验性反应堆以及空间动力反应堆，电磁泵也应用于液态金属的主要回路中，如英国的唐纳原子能反应堆和法国的热泊沙第屋原子能反应堆。随后逐渐向民用方向发展。2在化工工业中的某些部门采用电磁泵来输送泵液，可以消除泵的泄漏和对环境的污染。在电子工业，以电磁泵技术为核心的波峰焊接技术的应用，使电器产品的工业化、大规模生产成为现实 3。在冶金铸造工业中，国外早在1947年就曾尝试应用电磁泵来实现熔融铝合金的自动定量浇注，但由于材料和制造工艺的局限，未达到实际应用水平。近年来，随着新型、高速铸造机械以及高速自动化造型线在铸造工业中的广泛应用，使熔融金属的输送、计量、浇注的自动化、高速化成为亟待解决的问题。浇注作业又是铸造工业中一道操作繁重的工序，不仅劳动强度大，而且对工人健康影响较大，这些都为电磁泵的应用开辟了新的前景。目前，国际上有美国、英国、南非及乌克兰等国家，在电磁泵系统的研究及应用方面比较先进，很多已达到了实用化阶段，并在一些大型铸造厂广泛应用。如美国福特汽车公司某铸造厂全部采用电磁泵低压铸造系统，并实行自动化控制，年产300多万缸盖，成品率稳定在90%以上；英国利用以电磁泵输液系统为核心的、铸造界公认为先进的Cosworth工艺，成功的应用于生产一级方程式赛车和奔驰汽车发动机盖和缸体，使逐渐成品率从40%提高到85%以上，且在性能上也逐渐有很大幅度的提高。其中美国的CMOS-NowadaysCast公司和乌克兰国家科学院金属物理研究所都已经形成成品 3。1.2 国内电磁泵研究现状及应用我国在电磁泵系统方面的研究起步比较晚。曾在20世纪70年代，由中国科学院力学研究所和上海电器科学研究所共同开发过电磁泵设备，但并未应用在铝合金铸造方面。据了解，济南铸锻设备研究所等单位，也曾研究过铝合金电磁泵，但未成功。目前，国内许多重点的铸造专家都对此项技术表示关注，认为该技术是改进当前我国高品质铝铸件生产条件的有效方法与途径。山西省铸造新工艺工程技术研究中心，长期从事电磁泵铸造技术理论和应用研究，其研制的产品现已应用于国内企事业单位铝铸件低压铸造和定量浇注的生产，从而极大地提高了铝铸件的产品质量和生产效率。该产品在国内属于首创，并取得多项发明专利。该中心研制的电磁泵定量浇注系统，主要用于压铸机和挤压机在生产中的定量供液环节。采用电磁泵定量供液系统，可实现自动浇料，大大降低工人的劳动强度，改善作业环境；完全隔绝了液态金属与空气的接触，降3低了铸件中氧化夹杂物的含量，提高了铸件的综合力学性能；流量控制精确、连续可调；浇料速度大大提高，从而提高了压铸机的生产率。另外，该中心研制的电磁泵低压铸造系统，具有充型平稳、金属液以低湍流状态流动、加压规范连续精确可调、生产过程稳定等特点。当低压铸造过程中充型和保压用电磁泵来实现时，金属液传输平稳，能有效避免由湍流而引起的氧化和吸气，同时金属液经过磁场作用，对改善铸件的组织性能，具有积极的作用；流量及加压可精确、连续控制，反应迅速准确，以便于严格执行铸造工艺；炉体内不需加压缩空气，并可在保护气氛下工作，从而减少了气体溶人，减少气孔的形成。电磁泵系统由于其结构特点，作为低压铸造充型设备时，通过电磁泵控制液流充型，使金属浇注过程中的紊流极大地降低。使得卷气、夹杂缺陷达到了最低；另外在铸型的浇口下方形成一个正的温度梯度，保证了金属液在升液管中较高的温度，有利于保压和补缩，提高铸件的质量 2。总而言之，随着我国经济的不断成长，国家越来越重视电磁泵，尤其是高质量铝铸件电磁泵定量供液系统项目相关行业的发展。而国内电磁泵技术处于研发和试生产阶段，因此我国开发具有自主知识产权的电磁泵系统具有非常重要的意义 4。近些年，随着全球化的进一步发展，中外公司之间的竞争是短兵相接、硬碰硬，谁的技术先进，更符合国家节能、降耗、环保的产业政策，谁就将在新一轮市场竞争中胜出。“中外泵业巨头频频发力研发，这意味着双方对技术高地的争抢已经进入白热化阶段”，沈阳泵研究所一位资深专家表示。因此，国内泵行业必须通过加快研发步伐、创立品牌优势、加强人才培养、加快产业结构调整等一系列措施，来减少依仗价格优势与廉价的劳动力，减缓了跨国公司产品在中国市场上长驱直入的步伐，才能促进中国泵行业的积极发展 5。42 电磁泵工作原理及分类电磁泵是利用磁场力输导电流流体的装置，多用于输送液态金属，故又称液态金属电磁泵。电磁泵广泛应用于核能动力、化工、冶金和铸造等工业部门。2.1 电磁泵的原理电磁泵是一种输送导电流体的设备，其工作原理为：流经的液态金属或在其中感应的电流与磁场相互作用，使液态金属受磁场力作用而产生压力梯度,从而使得液态金属运动 6.其泵体结构原理如图 2.1 所示。图 2.1 电磁泵泵体原理扁平管道是电磁泵泵体流槽，内部充满导电金属液体，流槽左右两侧的装置是直流电磁铁的磁极，两磁极之间形成一个具有一定磁感应强度的磁隙。流槽的前后两侧是直流电极，电极上有电压时，电流流过流槽壁和内部的金属液体。直流电磁泵工作时，根据电磁学原理，带电粒子在磁场中运动时，会受到一个既垂直于其运动方向又垂直于所受磁场方向的第3方向上的力，即洛仑兹力。当流槽中存在液态金属时，通过Y方向上流槽两边的电极，使液态金属中产生沿Y负向的电流I，通过Z方向上流槽上下的磁铁使液态金属中产生沿Z向的磁感应强度B，根据左手定则流槽中的液态金属将沿X正方向运动。无论是传导泵还是感应泵，不同之处在于其电流和磁场都是直流的还是交变的，当为交变电流和磁场时要求频率相5同，相位一致，这样流槽中的液态金属所受到的力总是一个方向，使液态金属产生定向流动 7。电磁铁、电极和流槽是构成电磁泵的基本结构单元。其中电极与铝合金直接接触，并加载电流。由于实际生产工作环境恶劣，因此对电极的综合性能要求很高 8。2.2 电磁泵的分类（ 1） 电 磁 泵 按 电 源 形 式 可 分 为 交 流 泵 和 直 流 泵 ； （ 2） 按 结 构 不 同 可 分 为 平 面 泵 和 圆 柱 泵 等 ； （ 3） 按 液 态 金 属 中 电 流 馈 给 的 方 式 可 分 为 传 导 式 电 磁 泵 和 感 应 式 电 磁 泵 9。3 流体及流量3.1 流体从 物 质 受 力 和 运 动 的 特 性 来 看 ， 物 质 可 以 分 为 两 大 类 ： 一 类 物 质 不 能 抵 抗切 向 力 ， 在 切 向 力 的 作 用 下 可 以 无 限 的 变 形 ， 这 种 变 形 称 为 流 动 ， 这 类 物 质 称为 流 体 。 其 变 形 的 速 度 即 流 动 速 度 与 切 向 力 的 大 小 有 关 ， 气 体 和 液 体 都 属 于 流体 ； 另 一 类 是 固 体 物 质 ， 它 能 承 受 一 定 的 切 应 力 ， 其 切 应 力 与 变 形 的 大 小 是 一定 的 比 例 关 系 。根据流体的连续介质模型，任一时刻流动空间的每一点，都被相应的流体质点占据，表征流体性质和运动特性的物理量和力学量一般为时间和空间的连续函数，因此，就可以用数学中连续函数，这一有力手段来分析和解决液体力学问题9。3.2 作用在流体上的力从流体中任意取出一流体块，如图3.1所示。其体积为V，截面为S，作用在这一流体块上的力可以分为两大类：表面力、质量力或体积力。6图3.1 作用在流体上的力（1）表面力：流体块在截面S上受到的力称为表面力。根据S面的具体情况，表面力可以是S面所分割的同质流体或者其他种类流体作用在流体块上的，也可以是流体容器壁面或者固体作用在流体块上的。表面力通常是位置和时间的函数，一般用应力表示。如图3.1，设A为截面S上的点，S 包含A点的微元面积，作用在其上的表面力为P，则S收缩到A时的极限时，得式子3.1。Pa =limVs 0 P /S (3.1)称为S面上A点处的表面应力。表面应力可分为两个分量，一个是沿表面法线方向作用的法向应力，通常称为压强P，另一个是沿表面切线方向作用的切向应力。（2）质量力：直接作用在流体块中各质点上的非接触力称为体积力或质量力，例如重力、惯性力等、质量力与受力流体的质量成比例，单位质量流体上承受的质量力称为单位质量力。在图3.1中，设B为流体块中的点，V为包围B点在内的流体微元体积，其包含的流体质量为m，承受的质量力为F，当V收缩到B点时，亦即其包含的流体质量m0时的极限，称为B点处的单位质量力 10，可用式子3.2所示。F =lim m0 F/m （3.2）3.3 流体的粘性流体是不能承受剪切力的，即在很小的剪切力作用下，液体会连续不断地变7形。但不同的流体在相同的剪切力作用下其变形的速度是不同的，也就是不同的流体抵抗剪切力的能力不同，这种能力称为流体的粘性。流体的粘性是流体的一种基本属性。它是流体温度和压强的函数。在工程常用温度和压强范围内，粘度主要依温度而定，压强对粘度的影响不大 10。3.4 流量单位时间内流过某控制面的流体量，称为流量。流体量可以用体积、质量表示，其相应的流量分别称为体积流量、质量流量。体积流量记为 qv，质量流量记为qm。如果控制面不是过流端面，流量通常可用速度矢量v与控制面上的微元面积dA的标量积来表达，通过微元流管的流量dq可由如图3.2表示，其数学表达式如式3.3所示。图 3.2 通过微元流管的流量dq =vdA =vndA （3.3）式中，n为微元面积外法线方向的单位矢量。如果控制面是过流断面，速度矢量v与控制面上的微元面积矢量dA相垂直，则微元流量如式3.4所示。d q = vd A （3.4）整个端面上的流量如式3.5所示。q = AvdA （3.5）3.5 流量测量8流体的流动是极为复杂的，流动的测量与现实技术在流体力学发展中起着重要的作用。研究流体受力和运动规律，就是确定流动过程中各流动参数之间量的关系，这就离不开流动参数的测量。其中，流量的测量有多种方式。以下，最常用的几种流量测量方法。（1）质量法或容积法测量流量在一定的时间间隔t中收集一定量的流体，测出其总质量m或者量出其总体积V ,则其质量流量qm，或其体积流量qv,分别如式子3.6和3.7所示。qm=m/t (3.6)qv=V/t （3.7）这是最直接，也是最准确的方法。但是这种方法不能实时测量，主要用来测量小流量和对其他流量计进行静态标定。（2）节流式流量计由总流的伯努利方程可知，总流的任意两个过流断面流动参数之间的关系式如3.8所示。z1+p1/g+ 1v12/2g=z2+p2/g+ 2v22/2g+hw （3.8）式中， 1、 2常取1.0；h w是过水断面之间的水头损失。（3） 转子流量计转自流量计由垂直安放的锥形玻璃管中，放置一锥形转子构成，当流体从底部进入流量计，转子上升，转子和玻璃管间的节流流道面积增加，转子上、下游压强差减小。至某一高度，由于节流效应引起的作用在转子上、下底的压力之差和转子的重力平衡，转子悬停在平衡位置不动，由转子悬停的位置即可测量出通过流量计的流量。从原理上说，转子流量计仍属于流式流量计 9。4 影响电磁泵流量的因素4.1 影响电磁泵流量的可能因素通过对电磁泵的认识，分析电磁泵流量影响因素。对于不同的电磁泵，电磁泵的种类不同，工作原理不同，对流量的影响因素也不同。9对于同一电磁泵的对流量的可能影响因素：（1）电磁泵加载的电压种类及电压大小对于同种电磁泵，加载交流或直流的电压，电压的大小，电压的稳定与否，都可能对流量因素产生影响 10。（2）电磁体的性能及加载方向电磁装置的设计优劣，包括电磁体安置方向对产生电磁大小方向的影响。以及电磁体本身产生电磁能力的大小，都能影响电磁的产生及大小，从而影响流量1112。（3）地磁对电磁装置产生的影响由于装置处于地球这个大地磁场的作用影响下，地磁场也许会对装置内的有效电磁波产生影响，从而影响流量 13。（4）金属本身的物理性质由于金属内部分子或原子的排列不同，使得金属的物理性质不同，例如，粘度、导电、导热、导磁性等不同，也可能影响流量 1415。（5）电磁泵内物质发生的化学反应金属在从坩锅炉倒往电磁泵过程中，由于容器附带杂质、金属与金属之间、金属与空气中各类气体发生化学反应，可能会对金属流动性产生影响，从而影响电磁泵流量 17。（6）腔内空气压力变化电磁泵中金属液体所受到的压力，可能会影响液体的压差，从而对液体流量的变化产生影响 18。（7）温度影响金属液体的温度可能通过影响其粘度，从而对液体流量产生影响 19。（8）电磁