Печь-миксер



Печь-миксер
Печь-миксер
Печь-миксер

 


Владельцы патента RU 2465528:

Тимофеев Виктор Николаевич (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к миксерам-печам с электромагнитными перемешивателями для расплавления и выдерживания расплава металла, в частности алюминия. Печь содержит, по меньшей мере, одну ванну с боковыми стенками и днищем для размещения в ней металла, и индуктор электромагнитного перемешивателя, содержащий магнитопровод и как минимум двухфазную обмотку, и установленный в районе ванны для приложения электромагнитного поля к находящемуся в ванне металлу. Обмотка индуктора состоит из катушек, активные проводники которых расположены относительно друг друга на расстоянии, равном Δx=lx/(N-1), где lх - длина наибольшей стороны прямоугольной ванны, в которой находится расплав металла, N - количество катушек, определяемое как округленное до ближайшего четного целого числа отношения 1x/h. Изобретение позволяет в зависимости от соединения катушек, расположенных вокруг магнитопровода, получить разную структуру конвективных потоков расплава и обеспечить эффективное перемешивание расплава металла с выравнивание его температуры и химического состава. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к печам-миксерам с электромагнитными неремешивателями для расплавления и выдерживания расплава металла, в частности алюминия.

В процессе плавления и/или приготовления металлических сплавов, в частности на основе алюминия, важную роль играет перемешивание расплавленного металла, находящегося в ванне печи-миксера, с целью выравнивания его химического состава и температуры во всем объеме ванны и тем самым повышения производительности печи-миксера и снижения энергопотребления на единицу продукции. Возможности использования механического перемешивания весьма ограничены высокими температурами расплавов и чрезвычайно высокой их химической активностью. Поэтому в последнее время все более широкое распространение получают электромагнитные перемешиватели. Индукторы (источники магнитного поля) электромагнитных неремешивателей устанавливают как у боковых стенок, так и под днищем ванны печи-миксера.

Перемешивание обеспечивает максимальный градиент температур и концентраций на границе жидкого металла с взаимодействующими с ним жидкими реагентами, атмосферой и вакуумом. Градиент создается благодаря подводу к этой границе все новых порций непрореагировавшего металла и уменьшению толщины ламинарного пограничного слоя, массоперенос в котором определяется коэффициентами диффузии и теплопроводностью, величины которых на несколько порядков меньше, чем соответствующие коэффициенты при конвективном тепломассопереносе. В процессе перемешивания важно также не допустить перегрева у поверхности расплава, чтобы избежать потери массы металла вследствие окисления.

Известны печи-миксеры, в которых индукторы электромагнитных перемешивателей установлены как под днищем, так и с боковой стороны ванны /1/. В известных установках перемешивание расплава осуществляется определенно направленной локальной струей, образованной в расплаве вблизи индуктора. Чтобы привести в движение весь расплав в ванне, эта струя должна обладать большой кинетической энергией. Для обеспечения этого условия индуктор перемешивателя потребляет из сети большую электрическую мощность. Несмотря на это в ванне остаются застойные зоны со слабым перемешиванием. Чтобы выровнять температуру и химический состав во всем объеме, приходится несколько раз реверсировать направление движения бегущего магнитного ноля индуктора и соответственно струи расплава. Это ведет к возрастанию времени работы электромагнитных перемешивателей и, следовательно, к увеличению количества потребляемой электрической энергии как электромагнитными перемешивателями, так и самим агрегатом.

Повысить технико-экономические показатели печей-миксеров можно, если организовать эффективное перемешивание расплава во всем объеме ванны, исключая застойные зоны, с минимально потребляемой энергией. Такое перемешивание возникает в жидкости, находящейся в прямоугольной ванне, подогреваемой снизу /2/. В жидкости между верхним и нижним слоями образуется разность температур ΔT. До определенной величины ΔT тепло, поступающее снизу, передается верхним слоям в основном путем теплопроводности. При достижении ΔT некоторого критического значения ΔTкрит происходит эффект самоорганизации конвективных потоков в четкую структуру из «вращающихся цилиндров», занимающих весь объем ванны. При этом резко увеличивается тепловой поток от нижнего слоя в ванну. Причина неустойчивости теплопередачи теплопроводностью заключается в увеличении «архимедовых сил», действующих на нижние слои, которые в результате нагрева имеют меньшую плотность и стремятся поменяться местами с более тяжелыми верхними слоями. При дальнейшем увеличении разности температур ΔT устойчивость конвективных потоков в виде чередующихся «вращающихся цилиндров» сменяется новой неустойчивостью и в дальнейшем приводит к новому стационарному движению и так далее. Идет развитие турбулентности в конвективных потоках жидкости с увеличением свойства перемешивания. Реализация такого принципа перемешивания требует подогревания ванны снизу, при этом для эффективного перемешивания требуются большие значения ΔT, не всегда достижимые в реальных условиях производства.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является печная установка /3/, содержащая ванну печи для помещения в нее расплавленного и твердого металла, имеющая боковые стенки и днище; электромагнитный неремешиватель по крайне мере с двухфазной обмоткой, установленный у стенки ванны. Недостатком данной печной установки (далее печь-миксер) с электромагнитным неремешивателем является то, что в расплаве образуется только локальная струя вблизи места установки индуктора. Требуется длительное время работы неремешивателя для выравнивания химического состава и температуры расплава во всем объеме ванны, что ведет к увеличению времени работы печи-миксера и количества потребляемой энергии.

В основу настоящего изобретения положена задача создания печи-миксера с электромагнитным перемешивателем, в которой обеспечивается эффективное перемешивание расплава во всей ванне печи-миксера, что повлечет выравнивание температуры и химического состава расплава, а также повышение производительности установки и сокращение энергопотребления.

Поставленная задача решается тем, что в печи-миксере, содержащей, но меньшей мере, одну ванну с боковыми стенками и днищем и индуктор электромагнитного перемешивателя с магнитонроводом и, как минимум, двухфазной обмоткой, установленный в районе ванны для приложения электромагнитного поля находящемуся в ванне металлу, согласно изобретению, обмотка индуктора состоит из катушек, активные проводники которых расположены относительно друг друга на расстоянии

Δx=lx/(N-1),

где lx - длина наибольшей стороны ванны, м,

N - количество катушек, определяемое как округленное до ближайшего четного целого числа отношения lx/h,

h - глубина расплава металла, м.

В печи-миксере обмотку индуктора составляют две группы катушек, одна часть активных проводников каждой группы катушек расположена над металлом в ванне, а другая часть активных проводников расположена под ванной с металлом, при этом верхние проводники каждой группы катушек смещены относительно нижних проводников на величину Δx. В печи-микссре группа нечетных катушек, соединенных согласно и последовательно, образует одну из фаз, а другая группа четных катушек, соединенных согласно и последовательно, образует другую фазу обмотки индуктора. В печи-миксере магнитопровод индуктора может быть расположен над ванной и(или) под ванной. В печи-миксере индуктор электромагнитного перемешивателя с размещенными вокруг магнитопровода катушками может быть установлен под ванной, причем соединенные согласно и последовательно нечетные катушки образуют одну из фаз, а соединенные согласно и последовательно четные катушки образуют другую фазу обмотки, и, по крайней мере, в одной фазе имеется возможность изменения направления электрического тока. В печи-миксере индуктор перемешивателя с размещенными вокруг магнитопровода катушками может быть установлен под ванной, соединенные встречно и последовательно нечетные катушки образуют одну из фаз, а соединенные встречно и последовательно четные катушки образуют другую фазу обмотки, при этом, но крайней мере, в одной фазе имеется возможность изменения направления электрического тока. В печи-миксере в качестве магпитопровода может быть использовано днище ванны.

Под глубиной расплава h понимают максимальную глубину расплава, используемую в нормальном режиме. Наиболее часто для печей-миксеров максимальная глубина расплава лежит в пределах от 0,3 до 1,1 м.

На фиг.1, 2 и 3 схематично представлена печь-миксер (вертикальный разрез) с разными вариантами расположения и конструкцией индукторов электромагнитного перемешивателя. Печь-миксер содержит ванну 1, в которой находится расплав металла 2 глубиной h, и индуктор электромагнитного перемешивателя. Индуктор имеет обмотку, состоящую из группы нечетных 3 и четных 4 катушек с активными проводниками, и магнитопровод 5.

В одном из примеров реализации изобретения обмотка индуктора состоит из катушечных групп, одна часть активных проводников каждой группы катушек расположена над металлом в ванне, а другая часть активных проводников расположена под ванной с металлом, при этом верхние проводники каждой группы катушек смещены относительно нижних проводников на величину Δx.

С целью усиления магнитного поля вблизи активных проводников катушек над металлом в ванне и под ванной могут располагаться магнитопроводы из ферромагнитного материала.

Возможно, что нечетные катушки соединены последовательно и согласно, образуя одну фазу обмотки, а четные катушки соединены последовательно и согласно и образуют другую фазу обмотки индуктора.

Другие примеры реализации изобретения предусматривают установку индуктора, содержащего обмотку и магнитопровод, под ванну печи-миксера.

В одном примере изобретения нечетные катушки, соединенные согласно и последовательно, расположенные вокруг магнитопровода, образуют одну фазу, а четные катушки, соединенные согласно и последовательно, расположенные вокруг магнитопровода, образуют другую фазу обмотки, при этом, по крайней мере, в одной фазе имеется возможность изменить направление электрического тока. Такое соединение обмотки индуктора позволяет получить в расплаве конвективные потоки в виде «вращающихся цилиндров», осуществляющих быстрое выравнивание химического состава и температуры по глубине расплава. Структура конвективных потоков аналогична структуре, возникающей в жидкости, находящейся в прямоугольной ванне и подогреваемой снизу. Изменение направления тока в одной из фаз обмотки меняет направление вращения цилиндрических потоков расплава.

В другом примере изобретения нечетные катушки, соединенные встречно и последовательно, расположенные вокруг магнитопровода, образуют одну фазу, а четные катушки, соединенные встречно и последовательно, расположенные вокруг магнитопровода, образуют другую фазу обмотки, при этом, по крайней мере, в одной фазе имеется возможность изменить направление электрического тока.

Такая обмотка индуктора позволяет получить бегущее магнитное поле с полюсным делением 2Δх, приводящее расплав в линейное движение, быстро выравнивающее химический состав и температуру расплава в горизонтальной плоскости. Эта операция необходима при загрузке твердой лигатуры в определенное место ванны. Изменением направления тока в одной из фаз обмотки можно осуществить изменение направления движения расплава.

Во всех примерах реализации изобретения проводники катушек расположены относительно друг друга на расстоянии

Δx=lx/(N-1),

где lx - длина наибольшей стороны прямоугольной ванны, м,

N - количество катушек, определяемое как округленное до ближайшего четного целого числа отношения lx/h,

h - глубина расплава металла, м.

На фиг.1 представлен вертикальный разрез печи-миксера, в котором обмотка индуктора состоит из катушечных групп, одна часть активных проводников каждой нечетной 3 и четной 4 групп катушек расположена над металлом 2 в ванне 1, а другая часть активных проводников расположена под ванной с металлом, при этом верхние проводники каждой группы катушек смещены относительно нижних проводников на величину Δx. Соединенные последовательно нечетные катушки 3 образуют одну фазу обмотки, а соединенные последовательно четные катушки 4 образуют другую фазу обмотки индуктора.

На фиг.2 представлена печь-миксер (вертикальный разрез), в которой индуктор установлен под днищем ванны. Соединенные согласно и последовательно нечетные катушки 3 расположены вокруг магнитопровода 5 и образуют одну фазу, а соединенные согласно и последовательно четные катушки 4, расположенные вокруг магнитопровода 5, образуют другую фазу обмотки индуктора.

На фиг.3 представлен вертикальный разрез печи миксера, в которой также индуктор установлен под днищем ванны. Соединенные встречно и последовательно нечетные катушки 3, расположенные вокруг магнитонровода 5, образуют одну фазу, а соединенные встречно и последовательно четные катушки 4, расположенные вокруг магнитонровода 5, образуют другую фазу обмотки индуктора.

Заявляемая печь-миксер работает следующим образом.

При подключении фаз обмотки индуктора (фиг.1) к источнику переменного двухфазного напряжения со сдвигом фаз φ≈90° в фазах A и B появятся сдвинутые по фазе токи. Как известно из электротехники, сдвинутые в пространстве катушки 3 и 4, питаемые сдвинутыми по фазе токами, создают вращающееся магнитное поле. Вследствие этого во всех нечетных элементах расплава сечением Δx×h расплав будет вращаться, например, по часовой стрелке, а в четных элементах расплав будет вращаться против часовой стрелки. Такие конвективные потоки осуществляют эффективное перемешивание расплава. Скорость вращения цилиндрических валов зависит от величии тока и частоты. С ростом частоты уменьшается глубина проникновения электромагнитного поля в расплав. При определенной частоте активные проводники с током над металлом в ванне и активные проводники с током под ванной начинают работать раздельно. Поэтому в других примерах предложено получить эффективное перемешивание расплава путем установки индуктора электромагнитного перемешивателя только под днищем ванны (фиг.2, 3).

При подключении обмотки индуктора печи-миксера, представленного на фиг.2, к источнику переменного напряжения в каждом сечении расплава Δx×h образуются вращающиеся магнитные поля, создающие конвективные потоки в этих сечениях в виде вращающихся цилиндров во всем объеме ванны, аналогичные движению расплава в печи-миксере, представленному на фиг.1.

В печи-миксере (фиг.3) соединенные встречно и последовательно нечетные катушки 3, расположенные вокруг магнитопровода 5, образуют одну фазу, а соединенные встречно и последовательно четные катушки 4, расположенные вокруг магнитопровода 5, образуют другую фазу обмотки. При подключении обмотки к источнику переменного напряжения в фазах обмотки появятся сдвинутые по фазе электрические токи. Такая обмотка с током создает бегущее магнитное поле с полюсным шагом τ=2Δx /4/. Скорость движения магнитного поля равна 2τf, где f - частота электрического тока. В результате воздействия бегущего магнитного поля на расплав последний начинает движение в горизонтальной плоскости, как показано стрелкой на фиг.3. Такое движение осуществляет эффективный тепломассоперенос в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Изменяя величины тока и частоты питающего напряжения, а также схему соединения катушек обмотки индуктора, можно добиться наибольшей эффективности перемешивания.

Таким образом, для заявляемого изобретения можно указать ряд преимуществ перед известным решением, а именно:

- возможность осуществить эффективное перемешивание расплава во всем объеме ванны;

- возможность управлять структурой конвективных потоков расплава в зависимости от условий загрузки лигатуры в ванну;

- сокращение времени работы печи-миксера в процессе приготовления сплавов;

- уменьшение потребляемой энергии печью-миксером с электромагнитным перемешивателем.

Литература

1. Тимофеев B.Н., Христинич P.M., Бояков С.А., Темеров А.А. Опыт работы в области новых технологий и оборудования для цветной металлургии и литейного производства. Алюминиум. Русское издание. Международный журнал для алюминиевой индустрии, 2009, №1, с.16-20.

2. Хакен Г. Информация и самоорганизация: Макроскопический подход к сложным системам: пер. с англ. - М.: Мир, 1991. - 240 с., илл.

3. SE 96/00543 (24.04.1996), RU (11) 2157492, опубл. 10.10.2000.

4. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е перераб. и доп. Л., «Энергия», 1974, 840 с.с илл.

1. Печь-миксер, содержащая, по меньшей мере, одну ванну с боковыми стенками и днищем для размещения в ней металла и индуктор электромагнитного перемешивателя, содержащий магнитопровод и как минимум двухфазную обмотку и установленный в районе ванны для приложения электромагнитного поля к находящемуся в ванне металлу, отличающаяся тем, что обмотка индуктора состоит из катушек, активные проводники которых расположены относительно друг друга на расстоянии, равном
Δх=lx/(N-1),
где lx - длина наибольшей стороны ванны, м;
N - количество катушек, определяемое как округленное до ближайшего четного целого числа отношение lx/h;
h - глубина расплава металла, м.

2. Печь-миксер по п.1, отличающаяся тем, что магнитопровод индуктора расположен над ванной и/или под ванной.

3. Печь-миксер по п.1, отличающаяся тем, что обмотку индуктора составляют две группы катушек - нечетных и четных, одна часть активных проводников каждой группы катушек расположена над металлом в ванне, а другая часть активных проводников расположена под ванной с металлом, при этом верхние проводники каждой группы катушек смещены относительно нижних проводников на величину Δх.

4. Печь-миксер по п.3, отличающаяся тем, что группа нечетных катушек, соединенных согласно и последовательно, образует одну из фаз, а другая группа четных катушек, соединенных согласно и последовательно, образует другую фазу обмотки индуктора.

5. Печь-миксер по п.1, отличающаяся тем, что индуктор электромагнитного перемешивателя с размещенными вокруг магнитопровода катушками установлен под ванной, причем соединенные согласно и последовательно нечетные катушки образуют одну из фаз, а соединенные согласно и последовательно четные катушки образуют другую фазу обмотки, и, по крайней мере, в одной фазе имеется возможность изменения направления электрического тока.

6. Печь-миксер по п.1, отличающаяся тем, что индуктор перемешивателя с размещенными вокруг магнитопровода катушками установлен под ванной, причем соединенные встречно и последовательно нечетные катушки образуют одну из фаз, а соединенные встречно и последовательно четные катушки образуют другую фазу обмотки, при этом, по крайней мере, в одной фазе имеется возможность изменения направления электрического тока.

7. Печь-миксер по п.5 или 6, отличающаяся тем, что в качестве магнитопровода использовано днище ванны.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к нагревательным устройствам, в частности к электропечам сопротивления, и может быть использовано для вспенивания плит из порошка алюминия. .

Изобретение относится к области автоматизации контроля технологических параметров в электрометаллургических технологических процессах. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам управления работой электрических печей для получения легированного (циркониевого) корунда. .

Изобретение относится к устройству для извлечения металлов или соединений металлов из материала, содержащего металл или соединение металла в печи с металлоприемником, с первым впуском для подвода материала, первым выпуском для отвода отработанного газа, одним или несколькими электродами плавления и/или восстановления загруженного материала, которые выступают в металлоприемник печи, с подовым электродом, действующим в качестве катода, и дополнительным электродом, выполняющим функцию анода, с пространством, служащим в качестве зоны осаждения, предусмотренным в области выпуска шлаков, с электро - или постоянным магнитом, который расположен в металлоприемнике печи таким образом, что созданный в металлоприемнике печи магнитный поток, обусловленный постоянным током, перекрещивается магнитным полем, а также с выпуском для отбора расплавленного металла и соединения металла и переливом или выпуском для шлака.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для получения металла или соединения металла из материала, содержащего металл или соединение металла.

Изобретение относится к многоподовым печам. .

Изобретение относится к электрической печи графитации углеродных изделий. .

Изобретение относится к коксовой печи горизонтальной конструкции (типа без рекуперации/с рекуперацией тепла), в которой по меньшей мере часть внутренних стенок камеры коксования сформированы как вторичные греющие поверхности путем нанесения на них высокоизлучающего покрытия (НЕВ), причем степень излучения этого высокоизлучающего покрытия больше или равна 0,9.

Изобретение относится к многоподовой печи. .

Изобретение относится к области металлургического производства, в частности к системам для улавливания неорганизованных выбросов от металлургических агрегатов, например, от электродуговых печей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкции подовых электродов дуговой печи или агрегата ковш-печь постоянного тока

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструктивным особенностям крышки печи для приема расплавленного металла

Изобретение относится к области металлургии, в частности к уплотняющим кольцевым устройствам для электродуговой печи

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для контроля процесса плавления в дуговой электрической печи

Изобретение относится к области металлургии, в частности к уплотняющему кольцевому устройству для электродуговой печи

Изобретение относится к области электротермии, а именно к контролю технологических параметров при производстве плавленых фосфатов, карбида кальция в рудно-термических печах, и может быть использовано в цветной металлургии

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам выплавки стали в электропечах с погруженными в шлаковый расплав расходуемыми графитовыми электродами при непрерывной подаче металлизованных окатышей в шлаковый расплав одновременно с углеродсодержащим материалом, газом через осевое отверстие в электроде

Изобретение относится к производству тепловых агрегатов, в частности к высокотемпературным печам сопротивления с рабочей температурой до 1000°С

Изобретение относится к производству тепловых агрегатов, в частности к высокотемпературным печам сопротивления с рабочей температурой до 1000°С

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве стали в дуговых сталеплавильных печах
Наверх