ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ПЕЧЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ПЛАВКИ

Полезная модель относится к области электрометаллургии, а именно, к электродуговым печам постоянного тока и может быть использована, например, для плавки черных и цветных металлов, а также для их перемешивания.
Из уровня техники известна электродуговая печь постоянного тока для плавки, содержащая футерованный корпус со сводом и днищем, окно для загрузки исходного материала, сливное отверстие, сводовый и подовые электроды, а также источник электропитания, к которому подсоединены электроды, и систему регулирования тока (см. патент RU 2048662, кл. F27B 3/08, опубл. 20.11.1995). Недостатком известного устройства является неполное плавление и перемешивание расплавляемого материала. Указанные недостатки обусловлены тем, что в «застойных» зонах, в которых влияние электродинамических сил по тем или иным причинам ослаблено (малодоступные для тока зоны и т.д.), изменение силы тока электродов, которое должно обеспечить перемешивание расплава в известной печи, не влияет на «слабо провариваемый» расплав. Изменение силы тока во время плавки приводит к неравномерности нагрева среды и появлению конвективных сил, обусловленных разностью температур расплава. Перемешивание происходит, главным образом, в окрестности подовых электродов, что не обеспечивает однородность химического состава расплава по всему объему.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении качества перемещения за счет «вращения» дуги и, как следствие, повышение качества расплава. Поставленная задача решается, а технический результата достигается тем, что электродуговая печь постоянного тока для плавки содержит футерованный корпус со сводом и днищем, окно для загрузки исходного материала, сливное отверстие, сводовый и, по меньшей мере, один подовый электроды, а также источник электропитания, к которому подсоединены электроды, и систему регулирования тока, причем на внешней поверхности корпуса печи между уровнем окна загрузки и днищем установлен соленоид, обеспечивающий при подаче тока магнитное насыщение расплавляемого материала. Соленоид предпочтительно снабжен магнитопроводом, один из полюсов которого расположен на уровне расплавленного металла, а другой - на уровне нижней поверхности днища, причем соленоид располагают внутри магнитопровода и снабжают системой воздушного охлаждения.
На чертеже представлена предлагаемая электродуговая печь.
Электродуговая печь постоянного тока для плавки содержит металлический корпус 1 со сводом и днищем, футированный периклазовым кирпичом 2, шамотным кирпичом 3, набивкой ППЭ-88 4 и асбестовым картоном 5. В корпусе 1 выполнено окно 6 для загрузки исходного материала и сливное отверстие 7. В печи установлены сводовый электрод 8 и подовые электроды 9. Все электроды подсоединены к источнику электропитания и системе регулирования тока (на чертеже не показаны). На внешней поверхности корпуса 1 печи между уровнем окна загрузки 6 и днищем установлен соленоид 10. Более конкретное место расположения соленоида 10 выбирают с учетом экранировки его магнитного поля металлическим корпусом ванны.
Число ампер-витков соленоида 10 обеспечивает при подаче тока магнитное насыщение расплавляемого материала. Соленоид может быть помещен в магнитопровод (на чертеже не показан), один из полюсов которого расположен на уровне расплавленного металла, а другой - на уровне нижней поверхности днища. В этом случае соленоид снабжают системой воздушного охлаждения.
Предлагаемая печь функционирует следующим образом.
Перемещение дуги обеспечивают путем создания индукции дополнительным магнитным полем, имеющим не нулевую радиальную составляющую вектора индукции В внутри дуговой печи. Такая составляющая создается при намотке нескольких (пяти-шести) витков хорошо изолированного медного провода толщиной 2×95 мм на нижнюю часть корпуса снаружи печи и пропусканием через них тока силой в 1000 ампер при напряжении в 80-100 вольт, при этом происходит магнитное насыщение расплавляемого материала. Источником тока может быть обычный сварочный генератор. При этом вектор силы, воздействующий на дугу, определяется формулой Лоренца
F=[IB],
где квадратные скобки означают операцию векторного умножения заключенных внутри них величин, а I - вектор силы тока, проходящего через дугу.
r
z
z
r
r
z
r
r
Индукция магнитного поля (в расплаве) имеет две составляющие B - радиальную и B - вертикальную. Соответственно, сила тока также будет две составляющие I и I, причем составляющая I обусловлена смещением подовых электродов от оси печи, при этом I>I. Поэтому для перемешивания необходимо иметь возможно более высокое значение В. С этой целью выбирают ширину намотки соленоида более тонкой и размещают на уровне подовых электродов или даже ниже их. Как показывают расчеты, при радиальной составляющей индукции (до 0,2-0,3 мТл) появляется сила F, приводящая в движение дугу со скоростью u. При этом аэродинамическое сопротивление, оказываемое средой, в которой движется дуга, равно этой силе:
x
2
F=0,5CSρu,
х
3
где С=1 - опытный коэффициент аэродинамического сопротивления, S=dh - площадь миделя движущегося цилиндра дуги, d=0,1 м - диаметр сечения дуги, h=0,5 м - высота цилиндра вращающейся дуги, u=100 м/с - линейная скорость движения дуги, ρ=0,2 кг/м - плотность газа над расплавом газовой среды. Как показывают оценки, аэродинамическая сила сопротивления примерно равна F=50 Н и в данном случае дуга вращается с частотой около 10 Гц. В принципе, этой скорости вполне достаточно для перемешивания расплава.
r
z
z
r
r
r
Перемешивание металла в плавильной печи происходит за счет воздействия составляющей внешнего магнитного поля В на ток текущий в расплаве I. Возникающая при этом пондермоторная сила Лоренца F будет направлена по касательной, перпендикулярно векторам I и В и приводить в движение весь объем расплава. Причем, в силу зависимости B и I от радиуса, она будет изменяться по радиусу, создавая тем самым касательные напряжения между слоями расплава. Наличие касательных сдвиговых напряжений приводит к возникновению малых вихрей, способствующих лучшему перемешиванию расплава. Из оценок электромагнитных сил, действующих на дугу плотности газа над расплавленным металлом следует, что для вращения дуги величина сила Лоренца должна несколько превышать 50 Н. Сила тока в соленоиде и продолжительность его использования зависят от режима работы плавильной печи, и для каждой печи должны подбираться экспериментально.
Для увеличения напряженности магнитной индукции соленоид можно заключить в магнитопровод. Это позволяет значительно увеличить напряженность индукции. При протекании тока в проводах обмотки соленоида выделяется тепло. Кроме этого, имеет место дополнительный их нагрев за счет теплоотдачи от внешних стенок ванны, имеющих температуру во время плавки 150-180°С. Для предотвращения их теплового разрушения в соленоид подают сжатый воздух, который выходит из отверстий в магнитопроводе по образующей к стенкам камеры. Расход воздуха определяют по величине и длительности тока в соленоиде в зависимости от режима работы плавильной печи. В соответствии с вышесказанным расход воздуха может быть подобран экспериментально.
Воздействие внешнего магнитного поля на ток, текущий в расплаве, приводит к росту напряжения при той же силе тока, а следовательно, к увеличению вкладываемой в плавку мощности. Тем самым предлагаемое решение увеличивает производительность дуговой печи. Этому же способствует уменьшение времени, необходимого для перемешивания металла. При этом отпадает необходимость создания пульсационного режима работы подовых электродов, что уменьшает тепловые нагрузки на подовые электроды путем исключения конвективных потоков расплава.
Таким образом, благодаря снабжению печи соответствующим соленоидом, в процессе плавки дуга обходит все зоны, находящиеся внутри корпуса, в результате чего весь расплав оказывается равномерно проваренным и перемешанным за счет воздействия на него пондермоторной силы Лоренца. Предлагаемое устройство обеспечивает генерацию магнитного поля внутри расплава определенной геометрии от источников магнитного поля, расположенного вне корпуса печи. Такое решение позволяет перемешивать металл во всем объеме, при этом сокращая время плавки, уменьшая тепловое воздействие расплава на подовые электроды, и предотвращая воздействие дуги на футеровку печи.
Предлагаемое устройство было осуществлено в результате доработки дуговой электропечи ДППТУ-20 организации ОАО «Тяжпрессмаш», город Рязань.
r
z
Ток в цепи электропитания менялся в зависимости от выбранного режима плавки от 7000 А в ее начале до 34000 А в конце. В качестве источника питания был использован сварочный трансформатор с максимальным значением тока ~ 1000 А. На нижнюю часть ванны были намотаны 6 витков провода, выдерживающего без нагрева ток до 1000 А. Перед началом плавки в пространстве внутри печи были установлены датчики Холла для измерения напряженности магнитного поля таким образом, чтобы можно было определить составляющие его величины B, B. Измеренные значения оказались близкими к теоретически рассчитанным. По известным соотношениям были рассчитаны силы, действующие на расплав, при значениях тока, протекающей в печи. Установлено, что они значительно больше сил, имеющих место в расплаве при взаимодействии тока расплава с собственным магнитным полем. Кроме этого из теоретических оценок и из измеренных значений магнитных полей следует, что воздействие на ток в расплаве будет наибольшим у краев ванны, что исключает образование около них застойных зон, как это имеет место в прототипе.
В результате применения предложенного устройства качество металла улучшилось по уровню содержания примесей в металле. Осмотр подины и футеровки показал отсутствие разрушений. Использование в прототипе пульсирующего токового режима по расчетам увеличивает продолжительность плавки на 7% процентов. Таким образом, использование внешнего магнитного поля позволяет сократить время плавки на 10 минут и повысить качество расплавленного материала за счет уменьшения эрозии футеровки печи, а также улучшить его перемешивание.
r
-3
Согласно данным расчета, индукция магнитного поля в зоне горения дуги в области подовых электродов составит величину для B≈10 Tl. Сила Лоренца F=(I×B), как показывают расчеты, величиной 50-80 Н, при этом будет приводить дугу в круговое движение по камере со скоростью около 100 м/с.