ЭЛЕКТРОПЕЧЬ-МИКСЕР

Полезная модель относится к печам и миксерам для плавления металлов, приготовления сплавов и их разливки в условиях агрессивных сред в литейном производстве и может быть использована в металлургической и машиностроительной промышленности.
Известна электропечь-миксер, содержащая каркас, футеровку, дверки, нагреватели, защищенные кожухом и расположенные в подсводовом пространстве, термоэлектрический термометр, летки, заливной - переливной карман (Электротермическое оборудование: Справочник / Под. общ. ред. А.П.Альтгаузена. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980. - 416с.(стр.200).
Однако в известном устройстве нагреватели установлены во внутреннем воздушном пространстве электропечи - миксера и нагрев металла происходит за счет передачи теплоты излучением от нагревателей к расплаву. Это предопределяет работу нагревателей на предельных температурах, что обуславливает их быстрый выход из строя. На нагреватели попадают брызги расплава и пары легирующих компонентов, что приводит к разрушению нагревателей за счет прогорания. Кроме того, прогревание расплава происходит со стороны только зеркала металла, а при отсутствии конвективного теплообмена для доведения всего объема расплава до однородной температуры необходимо задействовать, например, механические, пневматические, гидромеханические или электромагнитные перемешиватели расплава, что увеличивает энергозатраты и усложняет конструкцию электропечи-миксера.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является электропечь-миксер, содержащая металлический каркас, футерованную ванну, рабочее окно, дверь рабочего окна, термоэлектрический термометр для измерения температуры металла, летку, заливной-переливной карман, дверку заливного-переливного кармана и нагреватели, установленные в огнеупорном слое футеровки подины ванны (Патент на полезную модель №95664, «Электропечь-миксер», заявка №2008122142/22 от 02.06.2008 г., опубл. в БИ №19 от 10.07.2010 г.).
Однако в известном устройстве нагрев расплава в электропечи-миксере происходит только со стороны подины и при загрузке твердой шихты на подину при температуре 20°С приводит к снижению температуры в верхней части внутреннего пространства, что вызывает термические удары футеровки свода и стен. Кроме того, при работе электропечи-миксера в плавильном режиме, мощности нагревателей, расположенных в подине, не достаточно для расплавления большого количества твердой шихты.
В основу полезной модели положена задача повышения тепловой эффективности нагрева металла, производительности и надежности электропечи-миксера путем увеличения нагревательной поверхности за счет расположения нагревателей в футеровке подины, свода и стен электропечи-миксера и комбинированного включения групп нагревателей в работу.
Поставленная задача решается тем, что в электропечи-миксере, содержащей металлический каркас, футерованную ванну, рабочее окно, дверь рабочего окна, термоэлектрический термометр для измерения температуры металла, летку, заливной-переливной карман, дверку заливного-переливного кармана и нагреватели, согласно полезной модели, нагреватели установлены в огнеупорном слое футеровки подины ванны и/или в огнеупорном слое футеровки боковых стен, и/или в огнеупорном слое футеровки свода электропечи - миксера. При этом, нагреватели могут быть установлены или в огнеупорном слое футеровки только подины, или в огнеупорном слое футеровки только боковых стен, или в огнеупорном слое футеровки только свода, или в огнеупорном слое футеровки только подины и свода, или в огнеупорном слое футеровки только подины и боковых стен, или в огнеупорном слое футеровки только свода и боковых стен электропечи-миксера.
На фиг.1 изображена электропечь-миксер с нагревателями, расположенными параллельно поверхности расплава (горизонтально) в огнеупорном слое футеровки подины, свода, передней и задней стен и боковых стен; на фиг.2 - сечение А-А по фиг.1; на фиг.3 изображена электропечь-миксер с нагревателями, расположенными параллельно поверхности расплава (горизонтально) в огнеупорном слое футеровки подины, свода и установленные перпендикулярно поверхности расплава в огнеупорном слое передней, задней и боковых стен; на фиг.4 - сечение Б-Б по фиг.3.
Электропечь-миксер включает металлический каркас 1, футерованную ванну 2, рабочее окно 3 с дверью 4 рабочего окна 3, термоэлектрический термометр 5 для измерения температуры металла, летку 6, заливной - переливной карман 7 с дверкой 8, нагреватели 9 установленные в огнеупорный слой 10 футеровки, промежуточный слой 11 футеровки, теплозащитный слой 12 футеровки, расплав 13, внутреннее воздушное пространство 14, термопары 15 установленные под сводом 16, термопары 17 установленные на передней стене 18 и задней стене 19 электропечи-миксера, термопары 20 установленные на боковых стенах 21.
Заявляемая электропечь-миксер работает следующим образом. В режиме поддержания температуры расплава и температуры внутреннего пространства электропечи-миксера, при подаче напряжения на нагревательные элементы нагревателей 9 происходит их разогрев до требуемой температуры, например 780°С для нагревателей, расположенных в огнеупорном слое 10 футерованной ванны 2 и до температуры 800°С для нагревателей установленных в огнеупорном слое 10 футеровки свода 16, передней стене 18 и задней стене 19, двух боковых стенах 21. За счет теплопередачи от нагревателей 9 разогревается огнеупорный слой 10 футеровки и на границе «огнеупорный слой футеровки - расплав» футерованной ванны 2 электропечи-миксера температура достигает 750°С, а на границе «огнеупорный слой футеровки - воздух» стен 18, 19, 21 электропечи-миксера достигает величины, например 780°°С.
За счет прямой теплопередачи от разогретого до 750°С огнеупорного слоя 10 футеровки ванны 2 к расплаву 13 происходит его нагрев и поддержание температуры в заданном интервале. За счет прямой теплопередачи в расплаве 13 и конвективного теплообмена в нем, градиент температур по объему расплава не превышает нескольких градусов.
Нагрев внутреннего воздушного пространства 14 электропечи-миксера происходит за счет нагрева огнеупорного слоя 10 футеровки свода 16, стен 18, 19, 21 и нагрева расплава 13 до требуемых температур. За счет конвективного теплообмена воздуха в рабочем пространстве электропечи-миксера, прямой теплопередачи и нагрева излучением, температура футеровки боковых стен 21 и свода 16 электропечи-миксера достигает требуемых температур, например 745°С.
Поддержание требуемой температуры в расплаве 13 и внутреннем воздушном пространстве 14 электропечи-миксера может достигаться как за счет одновременного регулирования величины напряжения (мощности) на всех нагревателях и соответственно температуры на всех внутренних поверхностях электропечи-миксера при использовании термопар 15, 17 и 20 для задания величины регулирования температуры, так и путем отключения групп нагревателей 9, расположенных на своде 16 передней 18, задней 19 или боковых 21 стенах электропечи-миксера также контролируя температуру при помощи термопар 15, 17 и 20.
За счет высокой теплопроводности расплава 13, например жидкого алюминия, при температуре расплава на границе «футеровка ванны - расплав» равной 750°С температура на поверхности зеркала металла при высоте столба расплава 1100 миллиметров составит около 747°С при наличии конвективного тепломассообмена в расплаве 13.
Температура в рабочем пространстве электропечи-миксера работающей в режиме поддержания температуры и не заполненным жидким расплавом 13, также будет интенсивно выравниваться за счет прямой теплопередачи от футеровки подины ванны 2 к футеровке стен 18, 19 21, а также за счет конвективного теплообмена слоев нагретого воздуха в разных частях внутреннего воздушного пространства 14. При этом температура будет равномерно распределяться в рабочем пространстве электропечи-миксера.
В режиме расплавления твердой шихты, загруженной на подину ванны 2 электропечи-миксера, требуется максимальная мощность для ее расплавления. Поэтому включаются все нагреватели 9, расположенные в огнеупорном слое 10 футеровки ванны 2, свода 16 передней 18, задней 19 и боковых 21 стен электропечи-миксера. Это позволяет достичь мощности порядка несколько мегаватт и интенсифицировать расплавление твердой шихты.
Нагреватели, установленные в футеровке подины ванны 2 и свода 16 электропечи-миксера, могут располагаться перпендикулярно рабочему окну 3, обращенные электрическими выводами в сторону летки 6 или в сторону рабочего окна 3. При расположении нагревателей 9 в футеровке подины ванны 2 и свода 16 параллельно рабочему окну 3, электрические выводы будут направлены в стороны боковых стен 21.
Нагреватели 9, расположенные в передней 18, задней 19 и боковых 21 стенах электропечи-миксера могут располагаться как параллельно зеркалу поверхности расплава 13, так и перпендикулярно зеркалу поверхности расплава.
Предлагаемая электропечь-миксер имеет ряд преимуществ перед известными:
- расположение нагревателей в огнеупорном слое футеровки подины, свода, передней, задней и боковых стен позволяет вводить в электропечь-миксер от нескольких мегаватт до десятков мегаватт тепловой мощности и обеспечивает возможность использования электропечи-миксера в качестве плавильного агрегата твердой шихты, при этом без перегрева нагревателей;
- обеспечивается прямой контакт между нагревателями, футеровкой подины ванны и нижними слоями расплава, что повышает нагрев расплава и активизирует конвективный теплообмен в нем, обеспечивая выравнивание температуры и химического состава расплава;
- выравнивается температура по высоте столба и объему расплава в электропечи-миксере и поддерживается в технологическом диапазоне, например 745-750°°С для алюминия, что снижает адгезию газов, окисление металлического расплава, образование шлаков;
- снижаются тепловые потери электропечи-миксера за счет уменьшения высоты рабочего пространства и снижения температуры под сводом до 750°С;
- рабочая температура нагревателей, при расположении их в огнеупорном слое футеровки электропечи-миксера, зависит только от теплопроводности огнеупорного слоя футеровки и температуры рабочего пространства электропечи-миксера; при этом - перепад температуры между поверхностью нагревателя и внутренней поверхностью футеровки электропечи-миксера не превышает 50°С, что значительно увеличивает их срок службы;
- расположение нагревателей в огнеупорном слое футеровки электропечи-миксера защищает нагреватели от интенсивного разрушения агрессивными парами расплава, исключает термоудары при загрузке холодной шихты и обеспечивает им стабильный температурный режим эксплуатации, что увеличивает срок службы нагревателей;
- расположение нагревателей в футеровке подины электропечи-миксера обеспечивает интенсивное перемешивание расплава как за счет конвективного теплообмена в нем, так и за счет создания электромагнитных усилий и направленного движения расплава, что не требует установки дополнительных устройств - электромагнитных, механических, газогидродинамических для перемешивания расплава.