ПЕЧЬ-МИКСЕР
HOLDING FURNACE

Изобретение относится к области металлургии, в частности к печам-миксерам с принудительным перемешиванием жидких металлов (расплавов).
Печь-миксер предназначена для плавки цветных металлов и приготовления сплавов. Перемешивание позволяет в процессе работы печи-миксера выравнивать химический состав и температуру расплава во всем объеме ванны. Особенно важно не допустить перегрев металла на поверхности ванны, так как это приводит к потерям массы металла, вследствие окисления и образования шлака, и к уменьшению коэффициента использования энергии, подводимой для осуществления процесса плавления. Печь-миксер состоит из футерованной емкости с системой нагрева и перемешивателя. В последнее время все более широкое распространение получают электромагнитные перемешиватели, которые бесконтактным способом воздействуют на расплав и позволяют полностью автоматизировать процесс перемешивания.
Известны печи-миксеры, в которых индукторы электромагнитных перемешивателей установлены как под днищем, так и с боковой стороны ванны [1]. 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. В ряде случаев установка индукторов под днищем печи-миксера связана с экономическими и конструктивными трудностями. Это имеет место, когда необходимо оснастить электромагнитными перемешивателями уже действующие стационарные печи-миксеры. В таких печах-миксерах по экономическим соображениям целесообразно использовать электромагнитные перемешиватели с установкой индукторов перемешивателей у боковых стенок ванны.
Электромагнитный перемешиватель состоит из источника питания, индуктора, систем автоматизации, управления и охлаждения. 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 магнитопровода (сердечника) и однофазной обмотки, которая определенным образом включается в сеть многофазного напряжения.
Повысить технико-экономические показатели печей-миксеров можно, если организовать эффективное перемешивание расплава во всем объеме ванны, исключая застойные зоны, с минимально потребляемой энергией.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является печная установка (далее печь-миксер) [4] содержащая, по меньшей мере, одну ванну для расплавленного и твердого металла, имеющую боковые стенки и днище, по меньшей мере, один нагреватель для нагревания находящегося в ванне расплавленного и/или твердого металла посредством излучения и конвекции, по меньшей мере, один двухфазный или многофазный индуктор электромагнитного перемешивателя, установленный с боковой стороны ванны печи-миксера. Электромагнитный перемешиватель содержит, по меньшей мере, две фазные обмотки, расположенные вблизи магнитопровода. Магнитопровод имеет вертикальную протяженность, по существу перекрывающую массу расплавленного металла (зону от днища до верхней поверхности расплавленного металла при максимальной глубине ванны печной установки). Кроме того, магнитопровод имеет полюсный шаг, превышающий в два раза расстояние от магнитопровода до расплавленного металла. Для улучшения процесса перемешивания в процессе работы печи-миксера электромагнитный перемешиватель имеет возможность изменять направление приложения бегущего магнитного поля.
Недостатком известной печи-миксера является то, что в ней не обеспечивается эффективное перемешивание расплава в ванне, имеющей большую поверхность по сравнению с ее глубиной, при уровнях металла в ванне менее 0.4 м, что приводит к увеличению времени плавки и, соответственно, росту энергозатрат. Данный недостаток вытекает из того, что большинство печей-миксеров работают на твердом сырье, поставляемом в виде чушки и слитков, которые плавятся внутри печи-миксера, при этом первоначальный уровень металла в печи составляет не более 15% от номинальной емкости. Для сокращения времени плавки чушки и слитков рационально увеличить коэффициент теплоотдачи между жидкой и твердой фазами путем создания принудительной циркуляции жидкого металла в ванне. Причина неэффективности работы известной печи-миксера [4] вызвана тем, что в ней используется электромагнитный перемешиватель, оснащенный индуктором с продольным магнитным потоком. Это подтверждается тем, что индуктор содержит, по меньшей мере, две фазные обмотки, расположенные вблизи одного магнитопровода. Электромагнитная сила, приводящая расплав в движение по направлению бегущего магнитного поля, вызвана в основном взаимодействием нормальной к поверхности индуктора составляющей вектора магнитной индукции и составляющей вектора плотности наведенного в расплаве электрического тока, направленной по высоте расплава. Поскольку высота расплава мала, то и электромагнитная сила, действующая на расплав, имеет малые значения.
В основу настоящего изобретения положена задача повышения энергоэффективности работы печи-миксера за счет сокращения времени плавки металла путем повышения эффективности бокового перемешивания расплава в ванне печи-миксера, имеющей большую поверхность ванны по сравнению с ее глубиной при малом уровне расплава в ванне.
Поставленная задача решается тем, что в печи-миксере для плавления и/или выдерживания расплавленного металла, содержащей, по меньшей мере, одну ванну для расплава, имеющую боковые стенки и днище, по меньшей мере, один нагреватель, и по меньшей мере, один электромагнитный перемешиватель, согласно изобретению, индуктор электромагнитного перемешивателя содержит, по меньшей мере, два разомкнутых магнитопровода, на каждом из которых размещена, по меньшей мере, одна катушка, расположенные таким образом, чтобы их торцевые поверхности были максимально приближены к верхней и нижней поверхностям 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.
На фиг.1 схематично представлена предлагаемая печь-миксер. На фиг.2 представлены варианты конструкций элементов индуктора с размещенными на разомкнутом магнитопроводе одной (фиг.2а), двумя (фиг.2б) и тремя (фиг.2в) катушками. На фиг.3 представлены варианты печи-миксера, у которой индуктор имеет угол сведения Θ, равный 180 (фиг.3а) и 0 (фиг.3б) градусов. На фиг.4а представлена печь-миксер с одним индуктором электромагнитного перемешивателя, на фиг.4б представлена печь-миксер с одним индуктором электромагнитного перемешивателя, установленным на ванну круглого сечения, на фиг.4в представлена печь-миксер с двумя индукторами электромагнитного перемешивателя, установленными с разных сторон (стенок) ванны, на фиг.4г представлена печь-миксер с одним индуктором электромагнитного перемешивателя, установленным в угловой зоне ванны. На фиг.5 представлены распределения линий магнитной индукции и вихревых токов в расплаве металла при воздействии на него бегущим продольным (фиг.5а) и поперечным (фиг.5б) магнитным полем. На фиг.6 представлены результаты математического моделирования в виде зависимостей суммарных (фиг.6а) и тангенциальных (тянущих) (фиг.6б) сил, создаваемых в расплаве электромагнитными перемешивателями с продольным и поперечным бегущими магнитными полями при разных уровнях расплава в ванне.
Печь-миксер включает металлокаркас 1, в котором находится ванна (футерованная емкость), состоящая из днища 2, стенок и свода 3. В футеровке установлен, по меньшей мере, один нагреватель 4 для нагревания находящегося в ванне расплавленного 5 и/или твердого 6 металла посредством излучения и конвекции. С боковой стороны печи-миксера установлен, по меньшей мере, один многофазный индуктор электромагнитного перемешивателя, предназначенного для перемешивания расплавленного металла посредством воздействия на него бегущим магнитным полем. Индуктор электромагнитного перемешивателя содержит два (или более) разомкнутых магнитопровода 7, на каждом из которых расположена, по меньшей мере, одна катушка 8. Магнитопроводы индуктора (по возможности) должны быть расположены таким образом, чтобы их торцевые поверхности были максимально приближены к верхней и нижней поверхностям расплава. В зависимости от конструктивных особенностей печей-миксеров угол сведения Θ, определяемый как угол между торцевыми поверхностями каждого магнитопровода, может иметь значения от 0 (фиг.3б) до 180 (фиг.3а) градусов (предпочтительно 0 градусов). Торцы разомкнутых магнитопроводов расположены относительно расплавленного металла на расстоянии, соответственно, Δ1 и Δ2 (величина Δ1 и Δ2 должна быть минимально возможной).
Печь-миксер работает следующим образом. В ванне находится металл в жидком (расплавленном) и/или твердом состоянии, где впоследствии при помощи нагревателя 4 осуществляется его нагрев с последующим плавлением. При этом работа нагревательной системы приводит к локальному перегреву поверхностного слоя металла. При включении соединенных определенным образом катушек элементов индуктора в сеть многофазного низкочастотного напряжения по обмоткам индуктора начинают протекать переменные токи, которые создают бегущее магнитное поле. По закону электромагнитной индукции бегущее магнитное поле наводит вихревые токи в жидком металле, которые, взаимодействуя с магнитным полем индуктора, образуют силы Лоренца. Силы Лоренца, воздействуя на жидкий металл, приводят его в движение. Бегущее магнитное поле позволяет создавать в жидком металле две компоненты сил Лоренца: нормальную, «отталкивающую» металл от индуктора, и тангенциальную, направленную вдоль движения магнитного поля. Тем самым достигается возможность создания циркуляции жидкого металла в печи-миксере, что позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи на границе раздела твердой и жидкой фаз металла, находящегося в ванне печи-миксера, тем самым обеспечивается ускорение процесса плавки и снижение энергозатрат. Также перемешивание позволяет выравнивать температуру и химический состав расплава в печи-миксере.
В печах-миксерах с электромагнитными перемешивателями с продольным бегущим магнитным полем магнитный поток, идущий от одного полюса к другому, замыкается в плоскости XZ, в которой также распространяется бегущая волна магнитного поля (фиг.5а), созданная многофазным электрическим током индуктора, а вихревые токи замыкаются в перпендикулярной плоскости XY (фиг.5а). При снижении уровня металла в таких печах-миксерах произойдет существенное уменьшение величины магнитного потока, пронизывающего расплав, и увеличится сопротивление контуров, в которых замыкается вихревой ток, что приведет к снижению величины электромагнитных сил, действующих на расплав. В печах-миксерах с электромагнитными перемешивателями с поперечным бегущим магнитным полем магнитный поток замыкается в плоскости YZ (фиг.5б), перпендикулярной распространению бегущей волны магнитного поля. При этом вихревые токи также замыкаются в перпендикулярной магнитному потоку плоскости, но в данном случае это плоскость XZ (фиг.5б). При снижении уровня металла в таких печах-миксерах величина магнитного потока, пронизывающего жидкий металл, значительно не уменьшится, а сопротивление контуров, в которых замыкается вихревой ток, на единицу высоты расплава не изменится, что позволит поддерживать высокие удельные значения электромагнитных сил, воздействующих на расплав. Таким образом, уменьшение уровня металла в предлагаемой печи-миксере не приводит к существенному снижению эффективности процесса перемешивания при малых уровнях металла. Кроме этого, в электромагнитных перемешивателях с продольным бегущим магнитным полем, имеющих большое значение полюсного деления, увеличивается сечение ярма магнитопровода, что приводит к увеличению веса индуктора. Электромагнитные перемешиватели с поперечным бегущим магнитным полем в этом отношении имеют преимущества, так как у них магнитный поток замыкается по элементам магнитопроводов и не зависит от полюсного деления. Для улучшения процесса перемешивания в процессе работы печи-миксера, электромагнитный перемешиватель имеет возможность изменять направление бегущего магнитного поля.
Печь-миксер может иметь выступ в футерованной ванне на уровне расплава, что обеспечивает возможность установки индуктора электромагнитного перемешивателя с углом сведения торцов магнитопроводов Θ, равным 0 градусов. Для создания различных конфигураций течения жидкого металла возможно использование печей-миксеров с несколькими электромагнитными перемешивателями, установленными на одной или разных сторонах печи-миксера или в угловой зоне прямоугольной ванны. За счет того, что индуктор электромагнитного перемешивателя состоит из нескольких отдельных элементов (магнитопроводов и обмоток), его можно конфигурировать. Таким образом, обеспечивается равная величина немагнитного зазора между расплавом и каждым элементом при установке индуктора и с боковой стороны печи-миксера, имеющей неплоскую боковую стенку. Повышение эффективности перемешивания в печи-миксере можно добиться и путем установки индуктора электромагнитного перемешивателя с боковой стороны ванны в немагнитное гнездо, что позволит уменьшить толщину футеровки в месте установки индуктора.
Эффективность работы предлагаемой печи-миксера подтверждена результатами математического моделирования. Проводилось сравнение печей-миксеров одинаковой емкости, оснащенных электромагнитными перемешивателями с продольным и поперечным бегущими магнитными полями, установленными с боковой стороны ванны. При этом массогабаритные и энергетические показатели этих перемешивателей брались одинаковыми.
На зависимостях, приведенных на фиг.6, по оси Х в процентах отложен уровень металла ванне: 100% - ванна полностью заполнена, 0% - в ванне отсутствует металл. По оси Y в процентах отложены суммарная (фиг.6а) и тангенциальная (фиг.6б) силы, действующие на жидкий металл, за 100% принята величина усилия, создаваемого электромагнитным перемешивателем с продольным бегущим магнитным полем при полном заполнении ванны печи-миксера. Как видно из зависимостей (фиг.6), несмотря на меньшее суммарное усилие, создаваемое электромагнитным перемешивателем с поперечным бегущим магнитным полем при полностью заполненной печи-миксере, по сравнению с электромагнитным перемешивателем с продольным бегущим магнитным полем, уже начиная с 80%-го и меньшего заполнения печи-миксера, электромагнитный перемешиватель с поперечным бегущим магнитным полем более эффективен. При уровнях металла 25% и менее от номинала электромагнитный перемешиватель с поперечным бегущим магнитным полем имеет на порядок большую эффективность работы.
В результате расчетов было определено, что наиболее эффективно работает печь-миксер с электромагнитным перемешивателем, у которого расстояние между внутренними кромками торцов каждого магнитопровода (Н) имеет значение, определяемое по формуле
H=Кп*h, где
h - максимально возможный уровень расплава в ванне,
Кп=1.1÷1.5 - безразмерный коэффициент, полученный в результате расчетов.
Обмотка индуктора электромагнитного перемешивателя может иметь водяное или воздушное охлаждение и состоять из одной или нескольких секций. Магнитопровод собирается из ферромагнитных пластин. При этом, благодаря особенностям конструкции индуктора с поперечным бегущим магнитным полем, работа воздушного охлаждения обмотки более эффективна по сравнению с индуктором с продольным бегущим магнитным полем.
Таким образом, решена задача повышения энергоэффективности работы печи-миксера за счет сокращения времени плавки металла путем повышения эффективности бокового перемешивания расплава в ванне печи-миксера, имеющей большую поверхность ванны по сравнению с ее глубиной, при малом уровне расплава в ванне. При этом для заявляемого технического решения можно также указать ряд преимуществ перед известным решением, а именно:
- более высокая производительность печи-миксера;
- меньшее количество металла, уходящего в окислы и шлак, при работе печи-миксера;
- возможность оперативной замены отдельных элементов индуктора электромагнитного перемешивателя печи-миксера, поврежденных или вышедших из строя в ходе эксплуатации;
- меньшие массогабаритные показатели индуктора электромагнитного перемешивателя печи-миксера при больших значениях полюсного деления.
Источники информации
1. Тимофеев В.Н., Христинич P.M., Бояков С.А., Темеров А.А. Опыт работ 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. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. - Ленинград, «Энергия», 1970. - 272 с.
4. SE96/00543 (24.04.1996), RU(II) 2157492, опубл. 10.10.2000. Печная установка.