ПЕЧЬ-МИКСЕР
FURNACE MIXER

Изобретение относится к области металлургии, в частности к печам-миксерам с электромагнитными перемешивателями для расплавления и выдерживания расплава металла, в частности алюминия.
В процессе плавления 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) устанавливают как у боковых стенок, так и под днищем ванны печи-миксера. Установка индуктора под днищем печи позволяет эффективно перемешивать расплав как при полной, так и при небольшой глубине расплава. Под полной глубиной расплава понимают максимальную глубину расплава, используемую в нормальном режиме работы печи-миксера. Обычно полная глубина ванны в печах-миксерах для плавления и/или выдерживания алюминия не превышает 1 м. Наиболее часто для таких печей максимальная глубина ванны лежит в пределах от 0.3 до 0.9 м.
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].
Индукторы электромагнитных перемешивателей представляют собой линейные индукционные машины, которые можно разделить на машины с продольным и поперечным магнитным потоком [2]. В обоих типах линейных индукционных машин индукторы создают бегущую магнитную волну. У машин с продольным бегущим магнитным полем магнитный поток, идущий от одного полюса к другому, замыкается в направлении, в котором распространяется бегущая волна магнитного поля, созданная многофазным электрическим током индуктора. У машин с поперечным бегущим магнитным полем магнитный поток замыкается в плоскости, перпендикулярной распространению бегущей волны магнитного поля. Вихревые токи, наведенные бегущим магнитным полем в жидком металле для обоих типов линейных индукционных машин, замыкаются в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой замыкается магнитный поток. При этом линейные индукционные машины с поперечным бегущим магнитным полем имеют существенные конструктивные отличия от линейных машин с продольным магнитным потоком. В машинах с продольным бегущим магнитным полем магнитопровод делается сплошным и собирается из ферромагнитных пластин, параллельных направлению распространения волны магнитного поля. Обмотка таких машин обычно укладывается в пазы или наматывается на ярмо магнитопровода (обмотка Грамма) [3]. Характерной особенностью конструкции машин с поперечным бегущим магнитным полем является то, что индуктор состоит из отдельных электромагнитов (элементов). Каждый электромагнит состоит из разомкнутого магнитопровода (сердечника) и однофазной обмотки, которая определенным образом включается в сеть многофазного напряжения.
Известны печи-миксеры, в которых индуктор электромагнитного перемешивателя установлен с боковой стороны ванны (печи-миксера) и обеспечивает эффективное перемешивание расплава при его небольшой глубине [4].
Обмотки индукторов электромагнитных перемешивателей подключаются, как правило, к источнику синусоидального многофазного периодического напряжения. Вместе с тем известны установки для перемешивания жидких металлов, обмотки которых подключаются к источнику несинусоидального периодического напряжения [5]. При определенных параметрах обмоток можно получить более высокие эффективность перемешивания и коэффициент мощности по сравнению с питанием обмоток от источника синусоидального напряжения.
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. Не смотря 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 поля 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.
крит
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 [6]. 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 ΔТ 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 близкими к предлагаемому устройству по технической сущности является печь-миксер [7], 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, установленный в районе ванны для приложения электромагнитного поля к находящемуся в ванне металлу, обмотка индуктора состоит из катушек, расположенных относительно друг друга на расстоянии
x
где l - длина наибольшей стороны ванны, м,
x
N - количество катушек, определяемое как округленное до ближайшего четного целого числа отношения l/h,
h - глубина расплава металла, м.
В данной установке обеспечивается эффективное перемешивание расплава одновременно во всей ванне печи-миксера, что сокращает время приготовления сплава, а также повышает производительность установки.
Имеется возможность управлять структурой конвективных потоков расплава в зависимости от условий загрузки лигатуры в ванну.
Недостатком данной установки является то, что используется индуктор с продольным магнитным потоком, который имеет один магнитопровод и распределенные по его длине обмотки. Установка такого индуктора под подиной печи-миксера требует изменения металлоконструкции подины с целью размещения немагнитного гнезда. Изменения в металлоконструкции приводят к ослаблению ее прочности, уменьшению надежности и срока службы всей печи-миксера.
В основу изобретения положена задача создания печи-миксера с электромагнитным перемешивателем, обеспечивающим эффективное перемешивание расплава во всем объеме ванны без ослабления надежности металлоконструкции подины, что увеличивает срок службы печи-миксера.
Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективного перемешивания расплава во всем объеме ванны, повышение прочности подины печи-миксера, снижение затрат на установку индуктора и увеличение срока службы печи-миксера.
Указанная задача и результат достигаются за счет того, что заявлена печь-миксер, содержащая, по меньшей мере, одну ванну с боковыми стенками и днищем, по крайней мере, один нагреватель для нагревания находящегося в ванне расплавленного и/или твердого металла и индуктор электромагнитного перемешивателя с магнитопроводом и обмоткой, установленный в районе ванны для приложения электромагнитного поля находящемуся в ванне металлу, согласно изобретению индуктор электромагнитного перемешивателя содержит, по меньшей мере, два разомкнутых магнитопровода, на каждом из которых расположена, по меньшей мере, одна катушка, причем магнитопроводы размещены таким образом, чтобы их торцевые поверхности были максимально приближены к днищу (подине) печи-миксера.
Предпочтительно N разомкнутых магнитопроводов с катушками (электромагнитов) расположить относительно друг друга на расстоянии
x
Δx=l/h,
x
где l - длина наибольшей стороны ванны, м;
h - глубина расплава металла, м;
x
N - количество катушек, определяемое как N=N'-1, где N' - округленное до ближайшего четного целого числа отношения l/h.
Обмотки электромагнитов могут быть подключены к источнику трехфазного напряжения таким образом, что напряжение на обмотки каждого последующего электромагнита отстает по фазе от напряжения на обмотке предыдущего электромагнита, а кроме того, как минимум половина электромагнитов выполнена с возможностью смены направления чередования фаз на противоположное.
Обмотки электромагнитов могут быть подключены к источнику двухфазного напряжения, таким образом, что обмотки четных электромагнитов, соединенные последовательно или параллельно, образуют одну из фаз, а другая группа обмоток нечетных электромагнитов, соединенных последовательно или параллельно, образуют другую фазу обмотки индуктора.
Обмотка каждого электромагнита может быть выполнена с индуктивностью (L) и активным сопротивлением (R), отношение которых соответствует выражению
-7
2
L/R≤0,2⋅10γτ,
где γ - удельная электропроводность расплава, 1/Ом⋅м;
τ - полюсное деление индуктора, м.
Обмотка индуктора состоит из катушек, намотанных на разомкнутые магнитопроводы.
Электромагнитный перемешиватель содержит, по меньшей мере, два разомкнутых магнитопровода, на каждом из которых размещена, по меньшей мере, одна катушка, торцевые поверхности магнитопроводов максимально приближены к нижней поверхности расплава.
Торцевые поверхности каждого из магнитопроводов индуктора электромагнитного перемешивателя могут быть расположены в перпендикулярных плоскостях.
Торцевые поверхности каждого из магнитопроводов индуктора электромагнитного перемешивателя могут быть расположены в одной плоскости.
Торцевые поверхности каждого из магнитопроводов индуктора электромагнитного перемешивателя могут быть расположены в параллельных плоскостях.
Изобретение поясняется чертежами
На фиг. 1 схематично представлена печь-миксер (продольный и поперечный вертикальные разрезы) с разными вариантами расположения и конструкцией индукторов электромагнитного (МГД) перемешивателя. Ванна печи-миксера состоит из металлоконструкции 1 и футеровки 2. Для обеспечения жесткости конструкции поверх металлоконструкции боковых сторон ванны расположены двутавровые балки 3, а под подиной расположены продольные 4 и поперечные 5 двутавровые балки.
Приготовляемый сплав 6 в жидком состоянии (расплав) глубиной h находится внутри ванны. Температурный режим в ванне обеспечивается энергией нагревателей 7. Индукторы МГД-перемешивателя могут устанавливаться под подиной 8 или с боковой стороны 9 печи-миксера. Индуктор может иметь сосредоточенную конструкцию (сплошная линия) или распределенную по длине ванны конструкцию (пунктирная линия). На фиг. 2 схематично представлен поперечный вертикальный разрез печи-миксера с индуктором МГД перемешивателя с поперечным магнитным потоком, установленным под подиной ванны. Индуктор состоит из отдельных электромагнитов, каждый из которых имеет разомкнутый магнитопровод 10 и обмотку 11. Конструкция индуктора позволяет установить его под подиной с наличием продольных ребер жесткости 4.
x
x
x
На фиг. 3 представлен продольный вертикальный разрез печи-миксера с распределенным по длине ванны (ось 0х) индуктором МГД-перемешивателя. Распределенный индуктор имеет N электромагнитов, расположенных относительно друг друга на расстоянии Δх=l/N, где l - длина наибольшей (продольной) стороны ванны. Величина N определяется как N=N'-1, где N' - округленное до ближайшего четного целого числа отношения l/h, h - глубина расплава металла, м.
На фиг. 4. показаны одноконтурная и двухконтурная циркуляции расплава в ванне под действием бегущих магнитных полей индуктора, а на фиг. 5 представлена многовихревая картина циркуляции расплава под действием вращающихся магнитных полей распределенного индуктора.
На фиг. 6-8 представлены схемы подключения обмоток индуктора к трехфазной (6, 7) и двухфазной 8 системам переменного напряжения с целью получения одноконтурной или двухконтурной циркуляций расплава (фиг. 4). На фиг. 9 показана схема подключения обмоток индуктора к двухфазной системе напряжения с целью получения многовихревой циркуляции расплава (фиг. 5).
Осуществление изобретения
А
При подключении обмотки 11 к источнику переменного напряжения  (фиг. 2) в обмотке появляется переменный электрический ток  (точками обозначены комплексные величины). В разомкнутом магнитопроводе 10 образуется переменный магнитный поток Ф, который проходит в поперечном сечении расплава 6 и наводит в расплаве вихревые токи.
Если обмотки всех N электромагнитов индуктора подключить к многофазной системе напряжения так, чтобы напряжение обмотки последующего электромагнита по фазе отставало от предыдущего на 120°, 60° или 90°, соответственного со схемами, представленными на фиг. 6-8, то на поверхности расплава образуется бегущая волна магнитного поля, которая, взаимодействуя с вихревыми токами расплава согласно классической теории асинхронных машин [3] [Вольдек А.И.], создает одноконтурную циркуляцию расплава (фиг. 4).
x
x
При распределении индуктора по длине ванны таким образом, чтобы выполнялось условие l=2pτ (p - число пар полюсов, τ - полюсное деление) и p=2, можно получить двухконтурную циркуляцию расплава (штрихпунктирная линия фиг. 4), для этого необходимо в первой половине ванны (0<x<l/2) создать бегущую волну магнитного поля в положительном направлении оси x, а во второй половине ванны изменить направление волны на противоположное (в отрицательном направлении оси x). Для этого достаточно чередование фаз обмоток электромагнитов в первой половине ванны, например, с последовательности ABC сменить на последовательность CBA во второй половине ванны (фиг. 6).
Чтобы получить многовихревую циркуляцию расплава, представленную на фиг. 5, необходимо обмотки электромагнитов подключить к источнику напряжения согласно схеме фиг. 9.
Источники информации
1. Тимофеев В.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. Калнинь Т.К. Линейные индукционные машины с поперечным магнитным потоком. - Рига: Зинатне, 1980. - 170 с.
3. 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.
4. Патент №2543022, F27B 3/20/, Печь миксер, опубл. 27.02.2015, бюл №6.
5. Патент №2524463, F27D /27, B01F /13, опубл. 27.07.2014, бюл. №21.
6. Хакен Г. Информация и самоорганизация: Макроскопический подход сложным системам: пер. с анг. - М.: Мир, 1991. - 240 с., илл. SE 96/00543 (24.04.1996), RU (11) 2157492, опуб. 10.10.2000.
7. Патент №2465528, F27B /3, опубл. 27.10.12, бюл №30.