ПЕЧЬ-МИКСЕР
HOLDING FURNACE

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.
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 /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 ΔT 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
x
Δx=l/(N-1),
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 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
x
Δx=l/(N-1),
x
где l - длина наибольшей стороны прямоугольной ванны, м,
x
N - количество катушек, определяемое как округленное до ближайшего четного целого числа отношения l/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.