Способ индукционной тигельной плавки горизонтальным магнитным потоком



Способ индукционной тигельной плавки горизонтальным магнитным потоком
Способ индукционной тигельной плавки горизонтальным магнитным потоком
Способ индукционной тигельной плавки горизонтальным магнитным потоком
Способ индукционной тигельной плавки горизонтальным магнитным потоком
Способ индукционной тигельной плавки горизонтальным магнитным потоком
Способ индукционной тигельной плавки горизонтальным магнитным потоком

 


Владельцы патента RU 2536310:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU)

Изобретение относится к металлургии и литейному производству, в частности, к способам плавки литейных металлов и сплавов в электромагнитных индукционных тигельных печах. В способе осуществляют загрузку шихты в тигель, воздействие на шихту рабочим магнитным потоком для ее нагрева вихревыми индукционными токами и расплавления, слив расплава из тигля. Воздействие на шихту осуществляют по меньшей мере с двух противоположных боковых сторон тигля горизонтальным магнитным потоком, создаваемым индуктором с витками, охватывающими горизонтальную часть изогнутого магнитопровода с двумя вертикальными полюсами. Изобретение позволяет снизить потери от износа тигля и брака отливок по неметаллическим включениям и энергоемкости процесса плавки, а также повысить защищенность и надежность индукционной тигельной печи. 6 ил.

 

Изобретение относится преимущественно к металлургии и литейному производству, в частности к способам плавки литейных металлов и сплавов в электромагнитных индукционных тигельных печах, применяемых для выплавки различных сплавов, доведения расплава до необходимых свойств и выдержки его для порционной разливки.

Известен способ индукционной плавки, включающий заливку в ванну кольцевого канала первоначальной пусковой порции расплава и последующую загрузку кусковой шихты, воздействие на расплав и шихту замкнутым электрическим полем, создающим магнитный поток, создаваемый индуктором с витками, охватывающими один из четырех стержней вертикального изогнутого магнитопровода, для нагрева расплава и шихты индукционными токами и расплавления, проведение необходимых металлургических операций, заключающихся, например, в удалении нежелательных примесей и шлака, вводе легирующих компонентов, модифицировании, и слив части расплава из ванны канала. Способ реализуется посредством трансформаторной индукционной канальной печи, состоящей из скрепленных индуктора с витками, охватывающими один из четырех стержней вертикального магнитопровода О-образной формы, неподвижной емкости для расплава в виде горизонтального узкого кольцевого канала, выполненного в огнеупорной керамической футеровке и охватывающего индуктор, поворотного устройства для слива расплава (Егоров А.В. Электрические печи / А.В. Егоров, А.Ф. Моржин. - М.: Металлургия, 1975. - С.10).

Способ индукционной плавки имеет следующие основные недостатки:

- узкие технологические возможности, так как он, во-первых, не пригоден для непосредственного расплавления кусков шихты, а требует заливки расплава из другой печи иного вида в кольцевой канал, после чего в расплав загружают куски шихты. Это объясняется особенностями превращений энергии в такой печи. Проходящим по индуктору переменным электрическим током, возбужденным электродвижущей силой (э.д.с.) источника электроэнергии, создают переменный магнитный поток, который, проходя по магнитопроводу, намагничивает его и усиливается. При этом электрическая энергия превращается согласно закону полного тока по первому уравнению Максвелла в магнитную энергию. Магнитный поток создает в магнитопроводе вихревые токи Фуко, а вокруг каждого из стержней магнитопровода - переменное электрическое поле как в воздухе, так и в электропроводном короткозамкнутом кольце расплава. Это поле наводит в этом кольце э.д.с., под действием которой возникает электрический ток. При этом магнитная энергия превращается вновь в наведенную электрическую, которая согласно закону Джоуля-Ленца превращается в тепловую, нагревая расплав. Однако, несмотря на то что на электропроводные куски шихты также действует это же переменное электрическое поле, электрический ток в них не появляется, так как между кусками имеются неэлектропроводные воздушные зазоры и поэтому замкнутая электрическая цепь не образуется. Таким образом, в способе используют трансформаторный принцип превращения энергии: электрическая от э.д.с. источника - магнитная - электрическая в замкнутой цепи от наведенной э.д.с. - тепловая; во-вторых, увеличивает угар химических элементов сплава, так как часть его постоянно находится в расплавленном состоянии при высокой температуре, что не позволяет выплавлять сплавы, свойства которых резко изменяются в связи с небольшим отклонением от требуемого химического состава, например сталь;

- повышенные расходы по эксплуатации канальной печи при реализации способа, во-первых, из-за необходимости иметь еще одну печь другого вида для выплавки расплава из кусковой шихты и заливки его в кольцевой канал; во-вторых, из-за пониженной стойкости футеровки канала вследствие его эрозии или зарастания и частой трудоемкой его очистки или замены, сопровождаемой разборкой магнитопровода и съемом индуктора, особенно при выплавке высокотемпературных сплавов; в-третьих, из-за трудности перехода с выплавки одного вида сплава на другой из-за необходимости полного слива одного расплава из канала и заливки другого расплава, изменяя перед этим конструкцию и сечение канала и состав футеровки.

Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ индукционной тигельной плавки вертикальным магнитным потоком, включающий загрузку шихты в ванну тигля, воздействие на шихту вертикальным рабочим магнитным потоком для ее нагрева вихревыми индукционными токами и расплавления, проведение необходимых металлургических операций, заключающихся, например, в удалении нежелательных примесей и шлака, вводе легирующих компонентов, модифицировании, и слив расплава из ванны тигля. Воздействие на шихту осуществляют вертикальным магнитным потоком, создаваемым невысоким индуктором с витками, охватывающими цилиндрический тигель с ванной для расплава. Способ реализуется посредством индукторной тигельной печи из индуктора с витками, расположенными максимально близко к тиглю преимущественно в горизонтальной плоскости соосно с вертикальной осью ванны тигля и являются опорой для тигля. Проходящий по виткам индуктора переменный электрический ток, возбужденный э.д.с. источника электроэнергии, создает переменный магнитный поток. При этом электрическая энергия превращается в магнитную согласно закону полного тока по первому уравнению Максвелла. Магнитный поток действует на электропроводные куски шихты и в каждом из них индуцируется непосредственно переменное вихревое электрическое поле и э.д.с., а под действием этой э.д.с. - вихревые токи Фуко. При этом магнитная энергия превращается согласно закону электромагнитной индукции Фарадея по второму уравнению Максвелла вновь в электрическую энергию, которая согласно закону Джоуля-Ленца превращается в тепловую, нагревая расплав. Таким образом, способ основан на следующих принципах превращения энергии: электрическая от э.д.с. источника - магнитная - электрическая вихревых токов Фуко - тепловая (Фарбман С.А. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов / С.А.Фарбман, И.Ф. Колобнев. - М.: Металлургия, 1968. - С.27).

Описанный способ индукционной тигельной плавки вертикальным магнитным потоком имеет узкие технологические возможности, обусловленные следующими причинами:

- повышенным браком отливок по неметаллическим включениям - воздушным раковинам, частицам плены, футеровки, шлака, обусловленным особенностями магнитного поля, создаваемого невысоким индуктором, которое является очень неоднородным и имеет близкую к тороидальной форму с разным направлением вектора индукции относительно центра индуктора и неравномерное распределение величины индукции в его рабочей полости, а именно: по высоте - у торцов она почти в два раза меньше, чем в средине; по сечению - у витков она заметно больше, чем в центре. Это приводит к появлению значительных разнонаправленных градиентов индукции и электромагнитных сил в расплаве и его интенсивному перемешиванию в разных направлениях, что является причиной повышенного износа стенок тигля и замешивания в расплав продуктов износа, воздуха и шлака, особенно с уменьшением частоты поля;

- повышенной энергоемкостью процесса плавки, обусловленной очень низкими значениями полезного использования магнитного потока, около 40%, и естественного коэффициента мощности cos φ - от 0,03 до 0,10, так как из-за необходимости размещения стенок тигля ближе к виткам индуктора часть рабочего магнитного потока с наибольшим значением индукции не используется, поскольку проходит по неэлектропроводным стенкам тигля, а не по шихте или расплаву. Кроме того, помимо рабочего магнитного потока индуктором создают и магнитный поток рассеяния такой же величины, не участвующий в нагреве шихты и расплава, а поворот всей тяжелой и громоздкой печи также повышает расход энергии, габариты и стоимость индукторной тигельной печи в связи с высокой стоимостью устройства для слива расплава.

- отсутствием экологической безопасности, так как обширный магнитный поток рассеяния вредит здоровью работников и вызывает нагрев электропроводных частей каркаса индукторной тигельной печи;

- пониженной защищенностью и надежностью работы индукторной тигельной печи, реализующей способ, вследствие вытекания расплава на индуктор при образовании щелей в тигле из-за близкого расположения тигля к индуктору, что приводит к дополнительному повышению энергоемкости процесса плавки ввиду повышенных расходов на обеспечение безаварийной работы печи.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение технологических возможностей способа индукционной тигельной плавки путем снижения потерь от износа тигля и брака отливок по неметаллическим включениям, энергоемкости процесса плавки, повышения защищенности и надежности устройства, реализующего способ.

Поставленная задача решается тем, что в способе плавки металлов и сплавов в электромагнитной индукционной тигельной печи, включающем загрузку шихты в ванну тигля, воздействие на шихту рабочим магнитным потоком для ее нагрева индукционными токами и расплавления, слив расплава из ванны тигля, согласно изобретению воздействие на шихту осуществляют по меньшей мере с двух боковых противоположных сторон тигля внешним горизонтальным магнитным потоком, создаваемым индуктором с витками, охватывающими горизонтальную часть изогнутого магнитопровода с двумя вертикальными полюсами.

Снижение потерь от износа тигля и брака отливок по неметаллическим включениям, например, воздушным раковинам, частицам плены, футеровки, шлака, обусловлено воздействием на шихту внешним горизонтальным магнитным потоком, что позволяет получить близкое к плоскопараллельному магнитное поле с однонаправленным вектором индукции и, следовательно, исключает интенсивное перемешивание расплава горизонтальным магнитным потоком, износ стенок тигля и замешивание в расплав продуктов его износа, воздуха и шлака.

Снижение энергоемкости процесса плавки, повышение надежности индукторной тигельной печи, реализующей предложенный способ, обусловлены охватом витками индуктора горизонтальной части магнитопровода, а не тигля, что позволяет увеличить значение индукции рабочего магнитного поля до 500-1000 и более раз, снизить поток рассеяния и расход энергии, а также повысить надежность работы индуктора.

Повышение защищенности и надежности работы индукторной тигельной печи, реализующей способ, обусловлены воздействием на шихту рабочим магнитным потоком по меньшей мере с двух противоположных боковых сторон тигля, а не со всех его сторон,

что является минимальным условием нахождения всего объема шихты во внешнем магнитном потоке.

Изогнутость магнитопровода позволяет направить магнитный поток к тиглю, а использование магнитопровода с двумя вертикальными полюсами является условием обеспечения горизонтальности и плоскопараллельности магнитного потока, создаваемого индуктором.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема реализации способа индукционной тигельной плавки горизонтальным магнитным потоком при использовании электромагнитного намагничивающего устройства с изогнутым магнитопроводом С-образной формы и одним индуктором, продольный разрез; на фиг.2 - то же, что на фиг.1, вид сверху с разрезом А - А фиг.1; на фиг.3 показана схема реализации способа при использовании электромагнитного намагничивающего устройства с изогнутым магнитопроводом U-образной формы и одним индуктором, вид сверху; на фиг.4 - то же, что на фиг.3, продольный разрез; на фиг.5 показана схема реализации способа при использовании электромагнитного намагничивающего устройства с изогнутым магнитопроводом О-образной формы и двумя индукторами, продольный разрез; на фиг.6 - то же, что на фиг.5, вид сверху.

Предложенный способ индукционной тигельной плавки горизонтальным магнитным потоком реализуется при использовании электромагнитного намагничивающего устройства, содержащего изогнутый магнитопровод 1 U-образной формы (фиг.1, 2), или С-образной формы (фиг.3,4), или О-образной формы (фиг.5, 6) с вертикальными полюсами N и S, которое подводит горизонтальный магнитный поток к тиглю 2 с ванной 3 для шихты и расплава. Между полюсами N и S размещен индуктор 4 (фиг.1-4) или два одинаковых индуктора 4 (фиг.5, 6). Намагничивающее устройство с магнитопроводом 1 О-образной формы имеет два одинаковых индуктора 4, подключенных электрически встречно. Индуктор 4 или индукторы 4 связаны с источникам подачи хладагента и регулируемого переменного электрического напряжения с батареей конденсаторов (не показаны). Между полюсами расположен тигель 2 с ванной 3. Тигель 2 и ванна 3 могут иметь форму цилиндра или параллелепипеда, то есть быть в плане с конфигурацией круга, квадрата или прямоугольника. Конфигурация прямоугольника по сравнению с цилиндрической повышает полезное использование магнитного потока, создаваемого индуктором. Горизонтальный размер ванны 3 - длина вдоль полюса - предпочтительно выполнять по возможности не менее соответствующего размера полюса. Высоту ванны 3 предпочтительно выполнять также не менее верхнего уровня магнитопровода 1. Это также способствует более полному использованию магнитного потока. Электромагнитное намагничивающее устройство устанавливается на основание 5, на которое может быть установлен и тигель 2.

Способ индукционной тигельной плавки горизонтальным магнитным потоком осуществляют следующим образом.

В ванну 3 тигля 2 загружают электропроводные компоненты шихты до верхнего уровня тигля 4 или немного выше. Тигель 2 с шихтой размещают между полюсами N и S изогнутого магнитопровода 1 в его межполюсном рабочем пространстве. Затем осуществляют воздействие на шихту рабочим горизонтальным магнитным потоком для ее нагрева индукционными токами и расплавления. Для этого подключают индуктор 4 к источникам подачи хладагента и регулируемого переменного электрического напряжения с батареей конденсаторов.

Воздействие на шихту горизонтальным магнитным потоком, создаваемым индуктором 4 с витками, охватывающими горизонтальную часть изогнутого магнитопровода 1 с двумя вертикальными полюсами, осуществляют по меньшей мере с двух противоположных боковых сторон тигля 2.

Таким образом, при прохождении переменного электрического тока по индуктору 4 создается электромагнитное поле, намагничивающее магнитопровод 1. При этом осуществляют создание усиленного и горизонтально направленного магнитного потока, поскольку магнитопроводом 1 увеличивается значение индукции электромагнитного поля до 500 - 1000 и более раз и последнее получает направленность в межполюсное рабочее пространство U-, С- или O-образного магнитопровода 1 в виде горизонтального магнитного потока. Степень увеличения индукции зависит в основном от магнитной проницаемости материала магнитопровода 1, величины индукции поля, создаваемого индуктором 4, его частоты и расстояния между полюсами N и S. При увеличении проницаемости и индукции эта степень повышается, а с увеличением частоты и расстояния между полюсами - понижается.

Превращения энергии в этом способе идентичны прототипу. Вихревые токи наводятся и в магнитопроводе 1. Однако для их уменьшения вплоть до нуля магнитопровод 1 набирают из тонких пластин электротехнической стали. Таким образом, в прототипе и предложенном техническом решении на куски шихты действует сначала магнитный поток, который наводит в них электрические вихревые токи.

Границы рабочего магнитного потока определяют высотой и шириной (длиной) полюсов N и S. За их пределами распространяется магнитный поток рассеяния. Для его полезного использования и значительного уменьшения распространения за пределами магнитопровода 1 целесообразно равенство или некоторое превышение соответствующих размеров ванны 3 над указанными размерами полюса. Особенно это заметно при использовании ферромагнитной шихты. До загрузки шихты в ванну 3 рабочее электромагнитное поле является практически плоскопараллельным и неоднородным. Величина индукции возле полюсов больше, чем в средине расстояния между полюсами. По поверхности полюсов она практически одинакова. При загруженной шихте, особенно ферромагнитной, возможно небольшое нарушение плоскопараллельности и неоднородности. После ее расплавления указанные свойства практически восстанавливаются. Это существенно уменьшает интенсивность перемешивания расплава, износ футеровки тигля и замешивание в расплав неметаллических включений - воздушных раковин, частиц плены, футеровки, шлака. Поэтому снижается брак отливок по неметаллическим включениям.

Магнитная составляющая электромагнитного поля наводит в электропроводных компонентах шихты индукционные вихревые токи, которые нагревают их до расплавления. Первыми расплавляются компоненты, расположенные в средней по высоте части ванны и ближе к ее днищу, так как от них затруднен теплоотвод. Поэтому возможно применение принудительного осаживания шихты. После полного расплавления шихты проводят необходимые металлургические операции, зависящие от вида и марки сплава, заключающиеся, например, в удалении нежелательных примесей и шлака, вводе легирующих компонентов, модифицировании, и индуктор отключают от источника электрического питания. Возможны также доведение расплава до необходимых свойств и выдержка его для порционной разливки известным способом. Затем производят слив расплава из тигля 2.

По сравнению с прототипом предложенное решение позволяет расширить технологические возможности способа индукционной плавки путем использования нижеперечисленных преимуществ:

- снижение потерь от износа тигля и брака отливок по неметаллическим включениям из-за уменьшения интенсивности перемешивания расплава горизонтальным магнитным потоком;

- уменьшение энергоемкости процесса плавки за счет усиления магнитопроводом магнитного потока индуктора, более полного использования усиленного магнитопроводом магнитного потока в качестве рабочего и уменьшения потока рассеяния;

- повышение защищенности и надежности работы устройства, реализующего способ.

Способ плавки металлов и сплавов в электромагнитной индукционной тигельной печи, включающий загрузку шихты в тигель, расплавление шихты воздействием рабочего магнитного потока и нагревом вихревыми индукционными токами, отличающийся тем, что воздействие на шихту осуществляют по меньшей мере с двух противоположных боковых сторон тигля горизонтальным магнитным потоком, при этом используют индуктор с витками, охватывающими горизонтальную часть изогнутого магнитопровода с двумя вертикальными полюсами.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к индукционным установкам для перемешивания жидких металлов в печах и миксерах, в частности алюминия, и направлено на повышение эффективности перемешивания и коэффициента мощности.

Изобретение относится к средствам для индуцирования потока расплавленного материала, например алюминия, в резервуаре для его хранения. Устройство содержит порт печи с огнеупорным покрытием, имеющий наклонную стенку, причем огнеупорное покрытие имеет область с уменьшенной толщиной, установочную пластину из немагнитного материала, разъемно установленную на упомянутую наклонную стенку порта и проходящую в области с уменьшенной толщиной огнеупорного покрытия, электромагнитный индукционный узел, установленный рядом с внешней поверхностью установочной пластины, и систему охлаждения для охлаждения установочной пластины.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для обработки и определения свойств жидкого или полужидкого металла. Устройство содержит тигель, который, по меньшей мере, частично окружен, по меньшей мере, одной индукционной катушкой, измерительное средство для непосредственного измерения, косвенного измерения и их комбинации, по меньшей мере, одного электрического параметра, выбранного из группы, состоящей из тока, напряжения, потребляемой мощности и частоты, при этом, по меньшей мере, один электрический параметр используется для частичного определения сопротивления нагрузки в области, по меньшей мере, частично окруженной индукционной катушкой, удельного сопротивления материала, температуры материала, доли твердой фазы материала, доли жидкой фазы материала и их комбинации.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к очистительному устройству для удаления и/или устранения блокирующего материала из или внутри люка для обслуживания печного агрегата.
Изобретение относится к спецэлектрометаллургии и может быть использовано при изготовлении слитка стали электрошлаковым переплавом расходуемого электрода. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу и устройству индукционного перемешивания жидкого металла в ванне печи отражательного типа под действием бегущего магнитного поля частотой 50-60 Гц.

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для выплавки слитков тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов, преимущественно титановых, применяемых в аэрокосмической технике.

Изобретение относится к металлургии легких металлов, в частности к получению литий-борного композита. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к комплексному оборудованию для плавки шихты, содержащей как черные, так и цветные металлы. .

Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано при вакуумно-дуговой гарнисажной плавке металлов, например титана и его сплавов. .

Изобретение относится к небольшой плавильной печи с ионным разложением, способной сжигать и плавить отходы, такие как металлы, а также мусор типа бытовых отходов, макулатуры, пластика, жидких отходов и отработавших масел.

Изобретение относится к области металлургии, в частности может быть использовано в канальных печах для создания вращения жидкого металла в канальной части. .

Изобретение относится к области ВЧ- и СВЧ-техники, в частности к устройствам микроволнового нагрева, и может быть использовано для термообработки пищевых продуктов, например изделий из теста.

Изобретение относится к области металлургии металлов, имеющих низкую температуру плавления, например свинца. .

Изобретение относится к металлургии в частности к устройствам для выпуска расплавов металлов, например свинца и его сплавов, из печей, миксеров и т.д Целью изобретения является упрощение конструкции устройства.

Свч-печь // 1347646
Изобретение относится к конструкциям СВЧ-печей и может быть использовано в промышленности строительных материалов при обработке жидких и сыпучих материалов СВЧ-энергией.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к индукционным установкам, предназначенным для плавки и приготовления сплавов, требующих в процессе приготовления эффективного перемешивания расплавленного металла.
Наверх