Электропечь для плавки и обработки металлов

 

1. ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ДЛЯ ПЛАВКИ И ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ С Обжатием боковой поверхности расплава магнитным полем, содержащая опору для столба расплава, соосный с ней спиральный индуктор и систему стабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскостях, проходящих через продольную ось симметрии спирального индуктора, о т л и ч а ю 1ц а я с я тем, что, с целью повышения КПД печи за счет улучшения стабильности форьш поверхности расплава путем повышения эффективности действия системы стабилизирующих проводников, стабилизирующие i проводники в азимутальном направлении выполнены толщиной 0,5-2,0 глубины проникновения тока в материал этих проводников при частоте тока, текущего в последних в продольном направлении. 00 СП о to ГчЭ

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

ris SU e. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 35 325 33/22-02 (22) 30. 12. 82 (46) 07.04.84. Бюл. Р 13 (72) Л.Л.Тир (71) Всесоюзный научно-исследовательсКий проектно-конструкторский и технологический институт электро. термического оборудования (53) 365.52 (088.8) (56) 1.Тир Л,Л. и Фомин Н.И. Современные методы индукционной плавки.

М., "Энергия", 1975, с. 43-60.

2.Авторское свидетельство СССР

В 309957, кл. С 21 С 5/56, 1971.

3.Авторское свидетельство СССР

Р 327638, кл. Н 05 В 5/16, 1972.

4.Авторское свидетельство СССР.

Р 416399, кл. С 21 С 7/00, 1974.

3(51) И 05 В 6/02; В 22 В 27/02;

С 21 С 5/56 (54) (57) 1. ЭЛЕКТРОПЕЧЬ (ЛЯ ПЛАВКИ

И ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ с обжатием боковой поверхности расплава магнитным полем, содержащая опору для столба расплава, соосный с ней спиральный индуктор и систему стабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскостях, про. ходящих через продольную ось симмет. рии спирального индуктора, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения КПД печи за счет улучшения стабильности формы поверхности расплава путем повышения эффективности действия системы стабилизирующих проводников, стабилизирующие проводники в аэимутальном. направле- ж нии выполнены толщиной 0,5-2,0 глубины проникновения тока в материал этих проводников при частоте тока, текущего в последних в продольном. направлении.

1085022

2. Электропечь по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что стабилизиру ющие проводники выполнены из продоль но ориентированных пластин толщиной в азимутальном направлении 0,3-1,5 глубины проникновения тока в материал пластин при частоте тока; текущеИзобретение относится к специальной электрометаллургии, в частности к электрическим печам для плавки и обработки металлов .без загрязнений материалом тигля.

Известны электрические печи для плавки и обработки металлов без загрязнений, содержащие металлический разрезной водоохлаждаемый тигель f1).

Однако эти печи обладают сравнительно низким КПД главным образом в силу большой поверхности контакта расплава с холодным тиглем.

Известна электрическая печь для плавки и обработки металлов, содержащая индуктор, создающий отжимающее магнитное поле, опору для расплава и источник нагрева (2)

Недостатком данной печи является слабая стабилизация формы поверхности расплава, приводящая к проливанию удерживаемого на опоре расплава и нарушающая нормальную эксплуатацию печи.

Известна также плавильная электро. печь с отжатием боковой поверхности расплава от тигля при помощи магнитного поля, содержащая индуктор и раз резной многосекционный охлаждаемый тигель, в которой соседние секции электрически попарно соединены на одном из концов тигля и подсоединены своими свободными концами к источ. нику переменного тока таким образом,, что ток в соседних секциях течет в противоположных направлениях ГЗ)

Однако в этой печи на стыках секций не создается удерживающих электромагнитных сил, что ограничивает предельную массу обжатого полем рас плава.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является электропечь для плавки и обработки металлов с обжатием боковой поверхности распла. ва. магнитным полем, содержащая опору для столба расплава, соосный с ней спиральный индуктор и систему стабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскостях, проходящих через продольную ось симметрии спирального индуктора

5.

50 го в спиральном индукторе, причем пластины изолированы одна от, другой и соединены электрически параллельно в зонах, расположенных выше и ниже охватывающего индуктора на рас стоянии от него 0,2-2,0 радиуса последнего.

Система стабилизирующих проводников разделена на группы, проводники которых чередуются вдоль периметра расплава, а питание этих групп током производится периодически, со смещением во времени (4

Недостатком известной печи является то, что улучшение стабильности формы поверхности расплава в результате воздействия на расплав системы токов в стабилизирующих проводниках печи существенно ослабляется из-за наводки паразитных противотоков в смежных стабилизирующих проводниках.

Целью изобретения является повышение КПД печи за счет улучшения стабильности формы поверхности расплава путем повышения эффективности действия системы стабилизирующих проводников.

Поставленная цель достигается тем, что в электропечи для плавки и обработки металлов с сбжатием боковой поверхности распла.ва магнитным полем, содержащей опору для столба расплава, соосный с ней спиральный индуктор и систему стабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскостях, проходящих через продольную ось симметрии спирального индуктора, стабилизирующие,проводники выполнены в азимутальном направлении толщиной 0,5-2,0 глубины проникновения тока в материал этих проводников при частоте тока, текущего в последних в продольном направлении.

Кроме того, стабилизирующие проводники выполйены из продольно ориен. тированных пластин толщиной в азимутальном направлении 0,3-1,5 глубины проникновения тока в материал пластин при частоте тока, текущего в спиральном индукторе, причем пластины изолированы одна от другой.и соединены электрически паралелльно в зонах, расположенных выше и ниже охватывающего индуктора на расстоянии от него 0,2-2,0 радиуса последнего.

Предлагаемое техническое решение предназначено для электропечей с питанием спирального индуктора током более высокой частоты, чем час1085022 тота тока, текущая в стабилизирующих проводниках в продольном направлении.

В известной печи магнитное поле тока, текущего в каждом стабилизирующем проводнике, наводит в соседних проводниках < оинадлежащих другой группе проводников) вторичные токи, примерно равные по величине первичным, но противоположного знака, причем в силу совместного действия. поверхностного эффекта и, так называемого, эффекта близос ти, и первичные и вторичные токи концентрируются на гранях каждого проводника, обращенных к соседним проводникам. Благодаря экранирующему действию вторичных токов результирующее внешнее магнитное поле локализуется в непосредственной близости к проводникам и очень слабо воздействует на расплав.

Выполняют стабилизирующие проводники с размерами сечения, ограничивающими наводящиеся в них вторичные токи до степени, при которой резуль. тирующее внешнее магнитное поле существенно не деформируется.. Исследования показали, что удовлетворительный результат достигается при толщине проводников в азимутальном направлении, т.е. в направлении нор мали к п. оскости, проходящей через ось симметрии тигля и продольную ось проводника, не превышающем 2,0 глубины (Ь1) проникновения тока в материал проводника (при используемой частоте тока) и улучшается при дальнейшем снижении этой толщины.

Однако при толщине равной 0,5 упомянутой глубины (а„ ) проникновения тока, деформация магнитного поля. практически исчезает и дальнейшее снижение ее, не.изменяя эффект предложения, приводит лишь к неоправданному конструктивному усложнению печи.

На фиг. 1 показана предложенная электропечь, вертикальное сечение; на фиг. 2 и 3 — то же, горизонталь-. ное сечение (на фиг. 2 представлен вариант печи со стабилизирующими проводниками, не разделенными на параллельные пластины, а на фиг. 3-с разделенными); на фиг. 4 и 5 — эпюры распределения токов, текущих в стабилизирующих проводниках вдоль осей последних (фиг. 4 относится к известной печи, а фиг. 5 — к предложенной печи).

Электропечь содержит спиральный индуктор 1 обжимающего магнитного поля, охватывающий расплав 2, удерживаемый на опоре 3. Между индуктором и расплавом, соосно с ними, расположены стабилизирующие проводники 4. Печь может иметь дополнительный источник 5 нагрева (плазмотрон, электронная пушка и т.п.).

На фиг. 2 видны сечения стабилизирующих проводников для случая, когда они не разделены на запараллельные пластины. Показаны промежутки 6, разделяющие стабилизирующие проводники. Промежутки 6 могут быть заполнены электроизоляцией.

На фиг. 3 показано сечение (в пла.

10 не) стабилизирующих проводников, раз. деленных на параллельные пластины.

Все пластины, относящиеся к одному проводнику, показаны либо мелкой, либо крупной штриховкой и охвачены фигурной скобкой. Показаны также промежутки 6, вариант заполнения изоля- цией., На фиг. 4 представлена эпюра мгновенного распределения плотности то0 ка в стабилизирующих проводниках известной печи. Показан момент, когда кондуктивный стабилизирующий ток течет по проводникам, отмеченным стрелками. (Направления токов соот5 ветствуют направлению стрелок). Эпюра изображена применительно к сечению Б-5 фиг. 2, причем дуговая поверхность сечения условно развернута в плоскость. Однако эпюра качественно описывает характер распределения плотности тока не только в месте нахождения сечения Б-Б, но и по всему объему стабилизирующих проводников (по всей их высоте и при всех значениях радиальной координаты).

Распределение плотности кондуктивного тока показано кривыми с вертикальной штриховкой, а распределение наведенного вихревого тока— кривыми с зачернением.

40 На фиг. 5 представлена эпюра мгно. венного распределения плотности тоКа в стабилизирующих проводниках при выполнении электропечи согласно предлагаемому изобретению. Как и на

45 фиг. 4, эпюра фиг. 5 качественно характеризует распределение плотности тока во всем объеме стабилизирующих проводников, Это относится к предлагаемой электропечи.

В ряде случаев надежность стабилизации поверхности расплава повышается при увеличении шага стабилизирующих проводников. Этого можно достичь не нарушая соотношения между толщиной проводников (а)и глубиной (й„ )проникновения тока путем увеличения глу бины (д„ )проникновения продольного тока в материал этих проводников за счет выбора более низкого .значения частоты {fäð )питания этого тока.

Если при этом частота (f Ä )moxa, используемая в печи для ййтания спирального индуктора,превышает выбранную по укаэанным соображениям часто65 ту (f ), то поле спирального ин1085022 духтора наведет в стабилизирующих пронодниках токи, замыкающиеся н .плоскостях, параллельных плоскостям витков упомянутого индуктора, что ны зовет значительные дополнительные потери энергии в стабилизирующих проводниках.

С целью сокращения этих потерь н случае, если спиральный индуктор питается током более высокой частоты, чем частота продольного тока в ста,. билизирующих проводниках, предложено разделять эти проводники на ряд па- раллельных пластин с меньшей толщиной (Ь), ныбираемой по условию ослабления вихревых токов, наводимых полем спирального индуктора в пластинах, Исследования показали, что удовлетворительный эффект достигается при тол. щине (b) пластин не ныне 1,5 от глубины (д ) проникновения тока в ма2 териал пластин, имеющей место при частоте (Г „ ), используемой для питания спирального индуктора. В то же время снижение толщины пластин менее 0,3 этой глубины проникновения не целесообразно, так как,практически не меняя потери в пластинах, оно усложняет изготовление печи. Пластины изолируют друг от друга и соединяют н параллель только в зоне ослабленно

ro поля спирального индуктора (вьиае и ниже последнего). Исследования показали, что достаточное ослабление поля достигается на расстоянии 0,2 радиусов индуктора, а на расстоянии

2,0 радиусов от него дальнейшее ослабление поля становится не существенным. В то же время при больших расстояниях необоснованно увеличиваются размеры стабилизирующего устройства.

При выполнении стабилизирующих проводников разделенными на ряд параллельных пластин с толщиной b (0,3 - 1,5)д должно соблюдаться условие, введенное ранее для общей толщины стабилизирующего проводника а = (0,5 - 2,0).д,, Электропечь работает следующим образом.

На опоре 3 наводят расплав 2, используя тепло, генерируемое переменным магнитным полем инцуктора 1, а в необходимых случаях — также и с по-. мощью дополнительного источника 5 нагрева. При этом магнитное поле индуктора 1 обжимает расплав, препятствуя слинанию его с опоры 3. Одновременно с включением индуктора 1 включают питание. системы стабилизиру

10 ющих проводников 4. При этом смещенные вдоль периметра сечения расплава группы чередующихся проводников получают питание со сдвигом во време ни. В момент подачи питания в любую

15 из упомянутых групп проводников в. проводниках других групп вихревые токи почти не наводятся (фиг. 5) и не гасят магнитное поле проводников, обтекаемых в данный момент током.

В результате магнитное поле группы обтекаемых током стабилизирующих проводников, оказывает нужное сило ное воздействие на расплав. Также воздействуют на расплав стабилизиру2g ющие проводники других групп в моменты, когда они записываются продольными токами. В силу инерционности расплава и чередующихся силовых воздействий полей групп стабилизирующих проводников поверхность стол ба расплава приобретает относительную стабильность (в отличие от известной печи, где воздействие кондуктивных и наведенных токов в стабилизирующих проводниках взаимно гаситЗ5 ся).

Положительный эффект достигается .за счет сокращения тепловых потерь . благодаря более полному и стабильному-отрыву расплава от окружающих

40 элементов конструкции. Так, при сопоставлении с базовой электропечью с холодным тиглем, имеющей диаметр основания для расплава. 250 мм, и увеличении средневзвешенной высоты

45 отжатия с 120 мм до 220 мм, ожидаемый экономический эффект при годовом фонде времени работы оборудования 3975 ч (двухсменная раббота) составит

4000 руб/год на одну печь.

1085022 фиг. 2 фиг. У

Б-Б

Б-Б фиг. Я

Тираж 783 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д,4/5

Заказ 2039/55

Филиал ППП "Патент", r.Óæãopîä, ул.Проектная,4

Составитель С.Дзигоев

Редактор Н.Данкулич i Техред Т..Фанта Корректор А.Тяско