НАГРЕВАЕМЫЙ ЖЕЛОБ ДЛЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
HEATED FLUTE FOR MOLTEN METAL

Область техники
Изобретение относится к устройству для транспортировки расплавленного металла, в частности алюминия, в литейном производстве.
Предшествующий уровень техники
При производстве расплавленного металла для транспортировки расплавленного металла от печей до разнообразного технологического оборудования, такого как литейные формы, анализаторы и т.п., как правило, используются желоба. При обильных потоках металла в расплавленном металле имеется достаточно тепла для компенсации потерь тепла, отдаваемого желобу. Однако при небольших потоках металла либо при довольно больших расстояниях транспортировки для предотвращения больших потерь тепла требуется нагрев желобов для транспортировки.
В патенте US 3494410 (Birchill et al) описан нагреваемый желоб, в котором предусмотрено нагревание, однако подробно не раскрыто, каким образом можно достичь эффективного управления нагреванием.
В патенте US 4345743 (Sivilotti) описан адиабатический полый выпускной трубопровод с огнеупорной футеровкой для расплавленного металла, снабженный нагревательными элементами.
В патенте US 6444165 (Eckert) от 3 сентября 2002 описан нагреваемый желоб, снабженный нагревательными элементами, расположенными на боковых стенках или снизу, в близком контакте с огнеупорным материалом желоба.
В обоих вышеуказанных патентах используются нагревательные элементы, которые осуществляют нагревание за счет проводимости. Такие нагревательные элементы приводят к образованию мест перегрева и к неравномерному нагреванию из-за сложности обеспечения хорошего контакта с окружающим огнеупорным материалом желоба. Нагревательный элемент трудно поддерживать в рабочем состоянии из-за налипания металла или расширения корпуса элемента. Для нагревательных элементов, работающих благодаря тепловому контакту, разность температур между нагревательным элементом и окружающими материалами является небольшой при хорошем тепловом контакте, следовательно, необходимы высокие температуры для достижения хорошей теплоемкости и передачи энергии.
В патенте US 4531717 (Hebrant) описан покрытый нагреваемый желоб, снабженный нагревательными элементами, расположенными на верхней крышке. Эти нагревательные элементы работают за счет излучения, а не теплопроводности, и теплопередача зависит от четвертой степени температуры нагревательного элемента и от поверхности, поглощающей излучение. Излучательные (радиационные) элементы имеют высокую теплоемкость. Однако элементы, испускающие излучение на поверхность расплавленного металла, не являются эффективными из-за низкой излучательной способности такой поверхности.
Как правило, в расплавленном металле на пути его транспортировки по желобу образуются примеси и какие-либо включения, которые становятся более значительными при транспортировке по желобу, который нагревают сверху. Количество таких включений увеличивается в присутствии атмосферного кислорода у поверхности желоба и огнеупорных материалов, из которых, как правило, изготовлены желоба. Высокие температуры на поверхности расплавленного металла и низкие потоки металла значительно усиливают этот эффект.
Таким образом, существует потребность в нагревательном элементе, который бы обеспечивал равномерное и контролируемое нагревание транспортируемого расплавленного металла и снизил бы образование примесей.
Раскрытие изобретения
Один из аспектов изобретения относится к желобу для транспортировки расплавленного металла, содержащему наружный корпус, образованный нижней стенкой и двумя боковыми стенками, изолирующий слой, заполняющий наружный корпус, и проводящее U-образное огнеупорное тело желоба для транспортировки расплавленного металла, вставленное в изолирующий слой. Желоб имеет по меньшей мере один нагревательный элемент, расположенный в изолирующем слое, рядом с телом желоба, но на некотором расстоянии от него, так, что между нагревательным элементом и телом желоба имеется воздушный зазор, составляющий по меньшей мере 0,5 см, предпочтительно по меньшей мере 1,0 см. Нагревательный элемент может быть расположен рядом с нижней частью желоба либо нагревательные элементы могут быть расположены рядом с боковыми стенками желоба. Тело желоба может быть выполнено из карбида кремния или графита. Желоб может дополнительно содержать барьер от проникновения, который может быть изготовлен из металлического сплава или неметалла, или металла и установлен на наружной поверхности тела желоба рядом с нагревательным элементом. Металлический сплав может представлять собой сплав Fe-Ni-Cr, a неметалл может представлять собой графит. Желоб может дополнительно содержать термопары, установленные в нагревательном элементе и в теле желоба, где они примыкают к расплавленному металлу, и программу с пропорционально-интегрально-дифферециальным (P.I.D.) управлением с обратной связью для контроля производительной мощности нагревательного элемента. Желоб может дополнительно содержать устройство для измерения проводимости, соединенное посредством первого соединения с барьером от проникновения металла и посредством второго соединения, выполненного с возможностью его введения в расплавленный металл в желобе, с металлом в желобе, содержащее средство для получения сигнала об увеличении проводимости, возникшего в результате утечки металла через футеровку желоба.
Другой аспект изобретения относится к способу нагревания расплавленного металла, транспортируемого по желобу, в котором используют желоб, содержащий наружный корпус, образованный нижней стенкой и двумя боковыми стенками, изолирующий слой, заполняющий наружный корпус, проводящее огнеупорное тело желоба для транспортировки расплавленного металла, вставленное в изолирующий слой, и нагревательный элемент, расположенный в изолирующем слое, рядом с телом желоба, но на некотором расстоянии от него, так, что между нагревательным элементом и телом желоба имеется воздушный зазор, и осуществляют направление тепла от нагревательного элемента к телу желоба посредством радиационного переноса тепла через воздушный зазор, обеспечивая равномерное нагревание тела желоба и расплавленного металла, транспортируемого по нему. Ширина указанного воздушного зазора предпочтительно составляет от 0,5 до 1,0 см. Нагревательный элемент может быть расположен рядом с нижней частью желоба либо нагревательные элементы могут быть расположены рядом с боковыми стенками желоба. Можно измерять температуру нагревательного элемента и тела желоба, и использовать измеренное значение для управления производительной мощностью нагревательного элемента. В предпочтительном варианте осуществления способа используют барьер от проникновения металла, установленный на наружной поверхности тела желоба рядом с нагревательным элементом, и измеряют проводимость между барьером от проникновения металла и расплавленным металлом в желобе, увеличение которой указывает на утечку металла через футеровку желоба.
Краткое описание графических материалов
Далее изобретение будет описано со ссылками на следующие фигуры.
На фиг.1 изображен вид в перспективе нагреваемого желоба согласно изобретению.
На фиг.2 изображен разрез посередине нагреваемого желоба согласно фиг.1.
На фиг.3 изображен разрез как на фиг.2, показывающий другой вариант осуществления изобретения.
На фиг.4 изображен разрез как на фиг.2, показывающий еще один вариант осуществления изобретения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг.1 и 2 изображены вид в перспективе и разрез нагреваемого желоба согласно изобретению. На этих фигурах желоб 10 содержит наружный корпус 12, который может быть изготовлен из стали или другого подходящего материала, известного в данной области, и торцевые пластины 13, подходящие для соединения секций желоба друг с другом либо для присоединения других частей системы обработки металла. Внутри наружного корпуса 12 находится изоляционный слой 14, а в изоляционный слой 14 вставлено U-образное огнеупорное тело 16 желоба для транспортировки расплавленного металла 18. Тело 16 желоба как правило является высокотеплопроводным и устойчивым к коррозии расплавленным металлом и может быть изготовлено из плотного огнеупора, например из карбида кремния или графита. Изоляционный слой может состоять из одного типа изоляции или состав изоляции может постепенно изменяться от внутренней к внешней поверхности и состоять из нескольких типов подслоев. Изоляционный слой как правило изготовлен из алюмосиликатного волокнистого или литого огнеупорного материала.
Тело желоба удерживается внутри изоляционного слоя 14 с помощью опор 19, изготовленных из огнеупорного материала, например из силиката кальция (волласчонита).
Нагревательный элемент 20 расположен в изоляционном слое 14 между опорами 19 рядом с телом 16 желоба, но на некотором расстоянии от него, так, что между нагревательным элементом и телом желоба имеется воздушный зазор 28. Благодаря воздушному зазору 28 осуществляется радиационный теплообмен между нагревательным элементом 20 и телом 16 желоба. Поскольку тело желоба является высокотеплопроводным, тепловое равновесие будет таким, что будет наблюдаться значительная разность температур между нагревательным элементом и частью тела желоба, обращенной к нагревательному элементу, но расположенной на некотором расстоянии от него. Такая конструкция обеспечивает эффективную работу нагревательного элемента и равномерную плотность теплового потока при температурах нагревательного элемента, более низких, чем используются в конструкциях с нагреванием за счет теплопроводности. Воздушный зазор 28 является достаточным для предотвращения прерывистого или случайного теплового контакта между нагревательным элементом и телом желоба, в результате чего исключены локальный теплоперенос за счет теплопроводности, неравномерное нагревание и «горячие пятна» - места перегрева. Максимальная величина зазора не является критичной, в одном из вариантов осуществления изобретения можно использовать суживающийся зазор, большая ширина которого позволяет использовать большую площадь поверхности нагрева нагревательного элемента по сравнению с площадью поверхности желоба, обращенной к нагревательному элементу, что приводит к большей эффективности нагревательного элемента. Чтобы избежать потерь тепла за счет проводимости к опорам 19, воздушный зазор также проходит между сторонами нагревательного элемента и опорами. Хотя здесь описан в качестве примера только один нагревательный элемент, следует понимать, что понятие «нагревательный элемент» в данном описании также включает более чем один элемент. Нагревательные элементы представляют собой обычные радиационные нагревательные элементы, производимые, например, фирмой Watlow.
Под нагревательным элементом 20 предусмотрена покрывающая панель 21 из огнеупорного материала, такого как волласчонит. Эту панель можно удалить, чтобы можно было легко демонтировать нагревательный элемент для обслуживания или замены без демонтажа всего желоба.
Материал желоба должен иметь высокую способность поглощения радиации либо должен быть покрыт материалом с хорошей проводимостью и высокой способностью поглощения радиации, чтобы максимально увеличить радиационный теплоперенос. Карбид кремния или графит являются материалами для изготовления желобов с высокой способностью поглощения радиации.
Воздушный зазор 28 по меньшей мере между нагревательным элементом и телом желоба предпочтительно составляет по меньшей мере 0,5 см, чтобы исключить случайный тепловой контакт при использовании этого устройства. С точки зрения практического использования пространства применяют как правило максимальный зазор порядка 1 см.
На фиг.2 дополнительно показан предпочтительный вариант выполнения устройства, где предусмотрена изолирующая крышка 26, которая может быть любой из известных в данной области, помещенная над желобом 10, для снижения теплопотерь расплавленного металла. В некоторых вариантах устройства предусмотрено введение под изолирующую крышку инертного газа, в этих случаях крышка имеет подходящие средства герметизации.
В предпочтительном варианте устройства, показанном на фиг.3, желоб может дополнительно содержать металлическое или неметаллическое защитное средство (барьер) от проникновения металла, например металлический или графитовый экран или пористый лист 30, прикрепленный к наружной поверхности тела 16 желоба, рядом с нагревательным элементом 20, которое служит защитой от проникновения металла. Этот экран может быть изготовлен из сплава металлов, такого как сплав Fe-Ni-Cr. Барьер от проникновения металла должен быть термостабильным, не смачиваемым алюминием и должен быть эффективным для прохождения тепловой радиации и не приводить к потерям тепла. Для этой цели эффективной является сетка с размерами пор 0,5 мм на 0,5 мм.
Барьер от проникновения металла, если он изготовлен из электропроводного металла или неметалла, можно использовать для обнаружения утечек металла, если его снабдить устройством для измерения проводимости между барьером и металлом в желобе. Такое устройство может состоять из измерительного датчика 32, который погружают в металл, находящийся в желобе, и электрического соединения 34 с барьером от проникновения металла и детектором 36 проводимости, который находится между датчиком и барьером. В нормальных условиях детектируется очень малая проводимость, однако при возникновении утечки металла проводимость возрастает, детектор 36 проводимости подаст сигнал о неисправности, следовательно, можно будет провести ремонтные работы.
На фиг.4 показан другой вариант выполнения устройства согласно изобретению. В этом варианте волласчонитовые опоры 19 выполнены со скосом 40 наружу таким образом, что зазор 28 также имеет скос наружу, благодаря чему обеспечивается большая теплоемкость в нагревательном элементе 20, как указано выше. Устройство согласно фиг.4 также содержит нагревательные элементы 42, аналогичные установленным снизу элементам 20, которые установлены между волласчонитовыми опорами 44 вдоль боковых сторон тела 16 желоба. У каждого из этих нагревательных элементов предусмотрен радиационный зазор 46 и, как показано на фигуре, этот радиационный зазор также имеет скос для обеспечения большей эффективности. Следует понимать, что такие боковые нагревательные элементы можно использовать либо в сочетании с нижними нагревательными элементами, либо самостоятельно. В некоторых вариантах осуществления устройства можно использовать панели для доступа к боковым нагревательным элементам (не показаны), расположенные по боковым сторонам желоба, аналогичные нижней покрывающей панели 21, для обеспечения легкого доступа к боковым нагревательным элементам.
Желоб 10 можно использовать в сочетании с подходящей системой контроля температуры, известной специалистам. Такая система может содержать термопары, установленные в одном или более чем одном нагревательном элементе 20 и в секциях тела 16 желоба около верхней поверхности 18 расплавленного металла. Программа управления нагревательным элементом использует выходные сигналы от обоих типов термопар для поддержания точной температуры расплавленного металла и продлевает срок эксплуатации нагревательного элемента 20 благодаря ограничению его производительной мощности. Для поддержания температуры поверхности расплавленного металла в теле желоба можно использовать одно или более чем одно значение напряжения. Например, напряжение может составлять 220 или 110 В.
Логический блок программы управления нагревательным элементом использует пропорционально-интегрально-дифферециальное (P.I.D.) управление с обратной связью для поддержания допуска температуры расплавленного металла в узких пределах прямо перед введением металла в литейную форму. Пример подходящей системы управления температурой можно найти в патенте 6555165 (Eckert), включенном в данное описание посредством ссылки.