СПОСОБ ПЕРЕПЛАВКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И ПЕЧЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF REMELTING METAL WASTES AND FURNACE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к печам и методам плавления металлов в печах и в частности, но не исключительно, к методам загрузки мелких алюминиевых отходов в печь.
Металлургические плавильные печи предназначены для осуществления процесса нагрева твердых металлов до состояния плавления. Нагрев металлических тел в естественной среде сопровождается интенсивным окислением их поверхности за счет контакта с кислородом. Особенно большие удельные потери металла на окислы происходят при переплавке тонкого металлического лома имеющего сравнительно большую площадь внешней поверхности. Одновременно с этим на поверхности жидкого металла в ванне печи формируется плотная окисная пленка и шлаковый слой, которые препятствуют погружению мелких металлических частиц, таких как стружка.
Известны плавильные печи, в которых загрузка мелких металлических отходов осуществляется через жидкометаллическую воронку, создаваемую в дополнительной камере соединенной системой трубопроводов с основным объемом печи. Воронка образуется за счет вынужденной циркуляции металла. Из US2008006973 A1 известна печь, в которой металл приводится в движение механическими вращателями. Основным недостатком таких систем является то, что погруженная в расплав часть вращателя должна быть выполнена из материалов устойчивых к высоким температурам и агрессивным средам. Однако такие материалы являются достаточно хрупкими и требуют дополнительного обслуживания и частой замены. Одновременно с этим, такие системы являются громоздкими, так как нуждаются в дополнительной разгонной камере, также заполненной расплавом. Этих недостатков лишены системы, в которых жидкий металл приводится в движение электромагнитным полем. В US 2014/0232048 и RU 2014103550 представлена система для погружения металлолома, в которой расплав в дополнительной камере разгоняется за счет электромагнитного усилия цилиндрического индукционного насоса установленного на одном из соединительных трубопроводов. Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является плавильная печь GB 2269889 (опубл.: 23.02.1994) содержащая, основную и загрузочную камеру печи между которыми расплав циркулирует посредством электромагнитного насоса.
Недостатком известной плавильной печи является то, что для соединения основной и загрузочной камеры используются трубопроводы. Интенсивное образование окислов на поверхностях, контактирующих с жидким металлом, является естественным для всего металлургического оборудования, работающего в естественной атмосфере. Как известно из [1, 2, 3], эта проблема особенно актуальна для замкнутых каналов и трубопроводов плавильных печей. Труднодоступность и замкнутость трубопроводов при их чистке или замене требует остановки печи до полного остывания. Таким образом, снижается время беспрерывной работы печи, что, в конечном счете, отрицательно сказывается на надежности, энергоэффективности и производительности производства в целом.
Задачей изобретения является повышение срока беспрерывной работы плавильной печи за счет обеспечения доступности каналов для чистки.
Техническим результатом изобретения является снижение потребности полностью сливать и остужать печь для чистки и как следствие - повышается производительность печи.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлена печь для переплавки металлических отходов, содержащая, основную и загрузочную камеры печи, представляющие собой футерованный металлокаркас, причем камеры частично заполнены твердым и/или жидким металлом, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность загрузочной камеры имеет винтовую форму, камеры соединены одним плоским полуоткрытым каналом, а на внешней поверхности загрузочной камеры установлена дуговая индукционная машина.
Доступ в основную камеру печи может быть выполнен дополнительно через форкамеру.
Предпочтительно, в загрузочной камере установлены нагреватели.
На внешней цилиндрической части поверхности загрузочной камеры может быть установлена дуговая индукционная машина.
При необходимости форкамера и/или загрузочная камера могут иметь закрытое исполнение и быть снабжены дверью или крышкой.
При необходимости печь переплава может включать погружную заслонку, установленную в канале, или быть выполнена с разделительной перегородкой, находящейся ниже рабочего уровня жидкого металла.
Могут быть установлены дополнительные нагреватели.
Способ переплавки металлических отходов, характеризующийся нагревом металлических отходов в печи с нагревом в электрической или газовой печи, имеющей основную и загрузочную камеры, причем поддержание температуры металла осуществляют излучением и конвекцией от электрических или газовых нагревателей, отличающийся тем, что камеры печи частично заполняют твердым и/или жидким металлом, на внешней поверхности загрузочной камеры размещают дуговую индукционную машину, а внутреннюю поверхность загрузочной камеры формируют винтовой формы, камеры соединяют одним плоским полуоткрытым каналом, для доступа в основную камеру печи используют загрузочную камеру и/или форкамеру.
Загрузку крупного металлического лома осуществляют через форкамеру непосредственно в основной объем печи.
Слив металла осуществляют через летку, расположенную выше уровня металла при поворотной печи и ниже уровня металла при стационарной печи.
Изменение направления и характера циркуляции расплава осуществляют путем изменения схемы включения обмоток индуктора в многофазную сеть на реверс.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично представлена предлагаемая плавильная печь.
На фиг. 2 представлен характер циркуляции расплава в загрузочной камере и соединительном канале.
На фиг. 3 представлена в проекции на вертикальную плоскость параметрическая схема взаимного расположения образующих граней внутренней винтовой поверхности загрузочной камеры и формирующийся профиль скорости в соединительном канале при различном уровне жидкого металла.
На фиг. 4 представлена изометрическая проекция загрузочной камеры с вырезанным в стенке камеры сегментом.
На фиг. 5 схематично представлена плавильная печь с раздельными атмосферами основной и загрузочной камер и дополнительным нагревателем в загрузочной камере.
Осуществление изобретения
Плавильная печь включает основную 1 и загрузочную 2 камеры печи, представляющие собой футерованный металлокаркас (фиг. 1). Камеры частично заполнены твердым и/или жидким металлом 3. Нагрев и поддержание температуры металла осуществляется излучением и конвекцией от электрических или газовых нагревателей 4. Камеры соединены между собой плоским каналом 5. На внешней цилиндрической части поверхности загрузочной камеры установлена дуговая индукционная машина 6 (далее индуктор). Внутренняя поверхность загрузочной камеры, образованная вращением линии от положения 7 до положения 8 вокруг оси 9 (грани сопряжения канала и загрузочной камеры), имеет винтовую форму. В частном случае линия 8 расположена вертикально.
Для доступа в основную камеру печи используется форкамера 10.
Плавильная печь работает следующим образом. В печи за счет теплового действия нагревателей осуществляется повышение и поддержание температуры металла выше его точки плавления. При включении индуктора в многофазную сеть по обмоткам индуктора начинают протекать переменные токи, которые создают бегущее электромагнитное поле. Бегущее электромагнитное поле наводит вихревые токи в жидком металле, которые взаимодействуя с магнитным полем индуктора, приводят к возникновению электромагнитных сил. Электромагнитные силы обеспечивают вращение жидкого металла вокруг оси 9 со средней угловой скоростью ω=2⋅ψ⋅ƒ⋅s, где 2⋅ψ - двойное угловое полюсное деление индуктора, ƒ - частота питания индуктора, s - скольжение (для МГД машин характерным является значение 0.7-0.8). За счет винтовой формы внутренней поверхности загрузочной камеры вращательное движение жидкого металла переходит в винтовое по траектории 11 (фиг. 2), то есть возникает поступательная составляющая движения. В загрузочной камере поступательная составляющая винтового движения гидродинамического потока жидкого металла направлена по оси вращения 9. Далее, поток жидкого металла, встречаясь у основания с вытянутой частью стенки канала (область 5а), движется в основную камеру печи. В верхних слоях (область 5б) жидкий металл в канале движется в противоположном направлении (из основной камеры) за счет характера циркуляции жидкого металла в загрузочной камере. Таким образом, на свободной поверхности жидкого металла в загрузочной камере образуется воронка, через которую осуществляется загрузка частиц 12 различной плотности, формы и размера (фиг. 1). Загрузка крупного металлического лома 13 осуществляется через форкамеру непосредственно в основной объем печи. Слив металла осуществляется через летку 14 расположенную выше или ниже уровня металла в зависимости от типа печи (поворотная или стационарная, соответственно).
вх
Основные параметры, описывающие характеристики винтовой поверхности загрузочной камеры и возникающего винтового движения жидкого металла аналогичны основным параметрам известным из теории гребных винтов [3], а именно радиус R, шаг Δ и угол установки винта α. На фиг. 3 представлено описание винтовой поверхности загрузочной камеры плавильной печи данным набором параметров. Путем интегрирования линейной скорости вращательного движения через сечение S образованное винтовой поверхностью, получено выражение, определяющее объемную скорость (расход) жидкого металла через канал (поступательная составляющая) без учета загрузки частиц:
вх
вых
пост
загр
вх
вых
загр
мет
Так как жидкий металл при характерных для металлургического применения скоростях можно принять несжимаемым, справедливо равенство Q=Q=Q+Q, где Q, Q - объемная скорость в нижних/верхних слоях жидкого металла в канале, Q - объемная скорость загрузки частиц. При этом распределение линейной скорости движения v по высоте канала в верхних слоях жидкого металла зависит от уровня заполнения печи h. Вращательная составляющая объемной скорости циркуляции жидкого металла в загрузочной камере может быть определена из выражения:
,
винт
где Q - объемная скорость циркуляции жидкого металла в загрузочной камере.
Таким образом, выбор параметров винтовой поверхности (R, Δ и α) и параметров индуктора (ψ и ƒ) определяет массообмен основной и загрузочной камер печи и время циркуляции загружаемых частиц в загрузочной камере. Например, при создании плавильной печи ориентированной на переплавку мелких отходов алюминиевого производства, рационально выбрать большие значения угла и шага винтовой поверхности, так как стоит задача загрузки больших объемов частиц с максимальной скоростью под свободную поверхностью жидкого металла в основную камеру печи. При создании печи для приготовления алюминиевых сплавов, в составе которых присутствуют тугоплавкие компоненты, рационально выбрать небольшие значения угла и шага для увеличения времени нахождения легирующих компонентов в условиях интенсивной вынужденной конвекции в загрузочной камере до их полного растворения. Изменение схемы включения обмоток индуктора в многофазную сеть (реверс) приводит к изменению направления и характера циркуляции расплава. При этом жидкий металл движется со дна загрузочной камеры по внутренней винтовой поверхности к верхним слоям металла и далее через канал в основную камеру печи. Такой режим течений при понижении мощности индуктора способствует поднятию частиц различной плотности и введению различных добавок по зеркалу металла в основную камеру печи в ламинарном режиме.
Для проверки эффекта образования воронки под действием электромагнитного поля индуктора в жидком металле в загрузочной камере с винтовой формой внутренней поверхности и оценки массообменных процессов между камерами плавильной печи была создана математическая модель магнитогидродинамических процессов в данной системе с учетом свободной поверхности. Полученные на математической модели результаты позволили оценить эффективность способа и подтвердили достижение заявляемых в изобретении эффектов (фиг. 5а, б). Для проверки результатов получаемых на математической модели была создана физическая модель установки и проведен эксперимент. Сравнение результатов математического и физического моделирования подтвердило правильность построенной математической модели и получаемых с ее помощью результатов (фиг. 5в).
При необходимости изолировать печное пространство от внешней атмосферы форкамера и/или загрузочная камера могут иметь закрытое исполнение и быть снабжены дверью или крышкой 15 (фиг. 6). При необходимости разделить атмосферы основной и загрузочной камеры, печь переплава может включать погружную заслонку, установленную в канале, или быть выполнена с разделительной перегородкой 16, находящейся ниже рабочего уровня жидкого металла. При значительном удалении загрузочной камеры (длинном канале) для устранения застывания жидкого металла могут быть установлены дополнительные нагреватели 17.
В качестве альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения предусматривается использование, например, механического вращателя вместо индуктора 6. Способ нагрева металла может иным, например, индукционный нагрев. Способ и устройство по настоящему изобретению могут быть использованы для загрузки частиц и изделий различного происхождения и размеров. Способ и устройство по настоящему изобретению могут применяться для металлических расплавов не только на основе алюминия. Способ и устройство по настоящему изобретению также могут быть использованы в процессе рафинирования металла.
Источники информации:
1. Williams D.C., Naro R.L., Mechanism and control of build up phenomenon in channel induction and pressure pouring furnaces - part 1. - Ductile Iron News, 2007, Issue 1
2. Золотухин B.A. О некоторых причинах зарастания каналов при плавке алюминиевых сплавов в индукционных печах. - Технология легких сплавов, 1973, №4, с. 70-73
3. Басин A.M., Миниович И.Я., Теория и расчет гребных винтов. Л.: Судпромгиз, 1963, 760 с.