Холодный тигель
COLD TIGEL

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкциям водоохлаждаемых тиглей с индукционным нагревом, основанном на методе гарнисажа, которые могут быть использованы для получения расплавов минералов, минералоподобных материалов, металлов, для отливки в форму и т.п.
Известен холодный тигель для плавки и кристаллизации неорганических соединений методом гарнисажа (Патент РФ №1433420). Указанный известный тигель выполнен в форме металлических, охлаждаемый изнутри трубок, образующих его стенки. Тигель имеет охлажденное дно из диэлектрического материала, на котором установлен электропроводный элемент, инертный к расплаву. Внутри тигля соосно с ним установлен контейнер в форме полого цилиндра с дном в виде обратного конуса, который имеет отверстие. Снаружи вокруг стенок тигля и под его дном расположены независимые индукционные катушки. Технический результат, на который направлена конструкция известного тигля, заключается в увеличении размеров монокристаллов.
Однако известный тигель характеризуется следующими недостатками:
- концы трубок известного тигля соединены в замкнутый контур с возможностью создания замкнутой электрической цепи в трубках тигля, что приведет при включенном индукторе к возникновению вторичного магнитного поля, которое противоположно электромагнитному полю индуктора, а значит, будет приводить к потере мощности индуктора, что будет резко снижать эффективность нагрева расплава;
- вся система охлаждения в известном тигле находится в зоне нагрева, что способствует повышению температуры жидкости охлаждения. Это может привести к перегреву;
- в известном тигле отсутствует газоотводная трубка, что может привести к повышению давления в зоне расплава и к нарушению герметичности гарнисажного слоя.
Из уровня техники также известен водоохлаждаемый тигель с индукционным нагревом (Патент РФ №2246805), который содержит водоохлаждаемую крышку, водоохлажаемый сливной затвор, водоохлаждаемый сливной узел, крышку водоохлаждаемого сливного узла, загрузочный узел, внутренний питатель, газоотводной патрубок, гребенку, верхний коллектор, цилиндрический корпус, нижний коллектор, плоское водоохлаждаемое днище и индуктор. Технический результат от использования известного изобретения - снижение тепловых потерь и энергозатрат, упрощение конструкции, снижение аварийноопасности, возможность регулирования производительности слива расплава, обеспечение неизменности химического состава сливаемого расплава по сравнению с химическим составом подаваемого в водоохлаждаемый тигель материала.
Однако главным недостатком указанного известного тигля является то же, что и в предыдущем аналоге, а именно возможность образования электрически замкнутой цепи в трубках тигля, что приводит при работе тигля к потере мощности индуктора, а значит - к снижению эффективности нагрева. Кроме того, известный тигель имеет сложную конструкцию и низкую ремонтопригодность.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является холодный тигель для плавления и кристаллизации неорганических соединений (Патент РФ №1384209). Этот тигель выполнен в форме металлических, охлаждаемых изнутри трубок, образующих его стенки, вокруг которых расположена индукционная катушка. Под охлаждаемым дном тигля, выполненным из диэлектрического материала, расположена дополнительная независимая индукционная катушка. Кристаллы, полученные в известном тигле, будут свободны от напряжений.
Недостатком указанного тигля является то, что концы трубок известного тигля соединены в замкнутый контур с возможностью создания замкнутой электрической цепи в трубках тигля, что приведет при включенном индукторе к возникновению вторичного магнитного поля, которое противоположно электромагнитному полю индуктора, а, значит, будет приводить к потере мощности индуктора, что будет резко снижать эффективность нагрева расплава.
Кроме того, вся система охлаждения в известном тигле находится в зоне нагрева, что способствует повышению температуры жидкости охлаждения. Это может привести к перегреву и к нарушению гарнисажного слоя.
И вместе с этим конструкция известного тигля сложна. Особую сложность представляет изготовление ламелей для него.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности нагрева расплавляемого материала и в снижении энергозатрат, за счет отведения верхнего и нижнего контура для воды от зоны расплава и от индукционных токов индуктора и за счет отсутствия в конструкции тигля замкнутого для электромагнитных волн контура, соединяющего концы трубок, который бы забирал часть мощности индуктора, при одновременной простоте конструкции.
Указанный технический результат достигается предлагаемым холодным тиглем, выполненным в форме металлических, охлаждаемых изнутри трубок, установленных с зазором по отношению друг к другу, образующих стенки тигля, вокруг которого расположена индукционная катушка, и имеющий дно из диэлектрического материала и элемент для фиксации трубок, при этом новым является то, что каждая металлическая трубка, образующая стенки тигля, выполнена с отогнутыми в одном направлении концами, с образованием всеми трубками  тигля в виде цилиндра с верхним и нижним раструбами на его торцах; при этом концы трубок каждого раструба соединены в замкнутый контур посредством соединительных элементов, образуя систему охлаждения с возможностью подачи охлаждаемой воды через один контур и отведения ее через другой контур; при этом одновременно указанный контур выполнен с возможностью, исключающей создание замкнутой электрической цепи в трубках тигля и образование магнитного поля; в качестве элемента для фиксации трубок тигель содержит упор, выполненный в виде листа с перфорационными отверстиями, в которых установлены указанные трубки, а дно тигля выполнено в виде огнеупорного кольца с отверстием для слива расплава и установлено над указанным упором через асбестовую прокладку.
Трубки тигля выполнены медными.
Внешние стенки трубок имеют слой герметизирующей обмазки.
Зазоры между трубками выполнены равномерными.
Трубки в поперечном сечении выполнены круглыми или эллипсоидными.
Угол отгиба верхней и нижней части металлической трубки тигля составляет по 45-90°, преимущественно 45-60°.
Углы отгиба верхней и нижней части металлических трубок тигля, образующих раструбы, являются одинаковыми или различными.
Соединительные элементы для концов трубок каждого раструба, обеспечивающие их соединение в контур, выполнены Т-образными.
Все соединительные элементы выполнены в контуре из полимерного материала.
Часть соединительных элементов выполнена в контуре из полимерного материала, а другая часть - из того же металла, из которого выполнены трубки.
Упор выполнен из силикатного или текстолитового материала.
Отверстие в дне тигля для слива расплава снабжено спускной или одноразовой проплавляемой пробкой.
Внутренняя полость тигля в зоне расплава снабжена концентратором магнитного поля.
Концентратор магнитного поля выполнен в виде углеродного контура или кольцевого элемента из тугоплавких металлов, например молибдена, платины.
Поставленный технический результат достигается благодаря следующему.
Благодаря тому что каждая металлическая трубка, например выполненная из меди, но можно и из другого диамагнитного материала, образующая стенки тигля, выполнена с отогнутыми в одном направлении концами, с образованием всеми трубками указанной формы пространственной фигуры тигля в виде цилиндра с верхним и нижним раструбами на его торцах, обеспечивается снижение энергозатрат и более эффективный нагрев расплавляемого материала, во-первых, за счет отведение контуров, которые выполнены на торцах раструбов, за пределы теплового и электромагнитного излучения, и во-вторых, за счет выведения за пределы индукционных токов, ввиду того что указанные контуры, соединяющие торцы трубок, в силу свойств материалов, из которых они выполнены (полимерные или могут включать для жесткости и металлические элементы, но присоединяемые к концам трубок через диэлектрические вставки), не образуют замкнутую для электромагнитных волн цепь или, иными словами, исключают образование вторичного магнитного поля вокруг указанного контура. А значит, и не забирают на себя мощность индуктора.
Отсутствие этого признака в известных конструкциях тиглей приводит к тому, что, во-первых, температура зоны расплава в известных тиглях способствует нагреву охлаждающей жидкости (поток жидкости циркулирует прямо над зоной расплава), что способно привести к перегреву тигля и к аварийной ситуации, а во-вторых, происходит потеря мощности индуктора примерно на 30%, т.к. концы трубок тигля в аналогах находятся в зоне влияния индукционных токов индуктора, соединены в замкнутый электромагнитный контур, способный выступать как вторичная обмотка индуктора с наведением в нем поля, противоположного полю индуктора, что и способствует потере мощности последнего.
Таким образом, особенностью предлагаемого холодного тигля является отсутствие по сравнению с прототипом замкнутых электромагнитах контуров, способных забирать на себя часть мощности индуктора.
Соединение концов трубок каждого раструба в контур посредством соединительных элементов, когда используются одинаковые полимерные, например поливинилхлоридные, элементы, исключает возможность создания замкнутой электрической цепи в трубках тигля и образование магнитного поля, т.к. полимерные соединительные элементы, в силу своих диэлектрических свойств, не способны проводить ток.
Выполнение того же контура из соединительных элементов разной природы (полимерных и металлических из того же металла, из которого сделаны трубки) также необходимо в случае, когда необходимо повысить жесткость тигля. Но при этом металлические соединительные элементы в местах соединения с концом трубки имеют диэлектрическую вставку, например резиновую или полимерную трубку, что позволит также выполнить электрически разомкнутый с концами трубок контур.
Соединение концов трубок каждого раструба в замкнутый контур посредством соединительных элементов, например, Т-образной формы, обеспечивает, наряду с вышеизложенным, и образование системы охлаждения трубок тигля с возможностью подачи охлаждаемой воды, например, через нижний контур и отведения ее через верхний контур. Причем замкнутый контур из соединительных элементов должен обеспечивать герметичность и выдерживать давление воды. Такое предложенное разделение подачи и слива воды, а также с учетом того, что часть системы охлаждения (через раструбы тигля) выведена от воздействия температуры расплава, позволяет более эффективно охлаждать тигель, снижая тем самым температуру его стенок, а значит - снизить тепловые потери и энергозатраты (т.к. вся энергия идет на расплав, а не на нагрев жидкости) и исключить перегрев трубок тигля, который может привести в свою очередь к разрушению гарнисажного слоя.
Также следует указать, что такого вида контур (т.е. это своего рода кольцо) обеспечивает исключение создания давления в зоне расплава, т.к. нет препятствий выходу газов из зоны расплава. Это способствует сохранению гарнисажного слоя и исключению аварийной ситуации.
Такие элементы конструкции тигля, как:
- наличие элемента для фиксации трубок в виде упора, выполненного в форме листа с перфорационными отверстиями, в которых установлены указанные трубки, причем лист может быть выполнен, например, из силикатного или текстолитового материала;
- выполнение дна тигля в виде огнеупорного кольца с отверстием для слива расплава (дно служит для размещения на нем расплавляемого материала и его удерживания в зоне индукционного электромагнитного воздействия; также отверстие в дне тигля для слива расплава может быть снабжено спускной или одноразовой проплавляемой пробкой);
- и наличие асбестовой прокладки между упором и дном тигля (для исключения теплового воздействия от дна тигля на упор), являются технологически необходимыми для реализации назначения заявляемого тигля.
Благодаря тому, что стенки тигля выполнены в виде охлаждаемых металлических трубок, установленныхс заданным зазором, например равномерным, друг по отношению к другу, обеспечивается возможность применения метода гарнисажа при расплавлении материалов. Наличие зазоров между трубками, а также благодаря тому что контур на концах трубок выполнен с возможностью, исключающей создание замкнутой электромагнитной цепи в трубках тигля и образование магнитного поля, исключается наведение в тигле кольцевых токов, обратных току индуктора и экранирующих садку тигля. Этим обеспечивается высокая эффективность нагрева расплава, т.к. не происходит потери мощности индуктора, которая была бы неизбежна при указанных кольцевых токах.
Наличие или отсутствие на внешних стенках трубок слоя герметизирующей обмазки (например, в виде жидкого стекла с тугоплавкими добавками) обусловлено видом расплавляемого материала. При расплаве металла наличие покрытия необходимо для исключения замыкания между стенками трубки расплавляемым металлом. Замыкание может привести к наведению кольцевых токов, обратных току индуктора, что резко снизит эффективность нагрева.
Выполнение трубок тигля в поперечном сечении, например, эллипсоидными обеспечивает увеличение площади их контакта с расплавом, что повышает эффективность нагрева.
Раструбы тигля в его верхнем и нижнем торцах образованы за счет отгиба верхней и нижней части металлической трубки тигля от его продольной оси. Причем угол отгиба, когда обеспечивается наибольшее удаление концов трубок контура от зоны расплава и от действия магнитной индукции, при этом, не создавая ограничений для потока охлаждающей воды, составляет 45-90°. При угле отгиба менее 45° влияние температуры зоны расплава будет достаточно велико, а при угле отгиба более 90° будут технологические сложности при фиксации трубок хомутами, т.к. последние могут расплавляться. Преимущественным углом отгиба является диапазон 45-60°.
Причем углы отгиба верхнего и нижнего раструба могут быть как одинаковыми, так и могут отличаться.
Для увеличения эффекта индукционного нагрева немагнитных материалов внутренняя полость тигля в зоне расплава может быть снабжена концентратором магнитного поля, выполненным, например, в виде углеродного контура или кольцевого элемента из тугоплавких металлов, например молибдена, платины. Наиболее интенсивный нагрев и образование первых капель расплава происходит в этом случае вблизи концентратора. Концентратор позволяет снизить энергетические затраты при плавке. Он замыкает через себя магнитные силовые линии, концентрируя их внутри тигля, увеличивая интенсивность воздействия энергии индуктора на расплавляемый материал. Для предотвращения загрязнения расплава концентратор может извлекаться после получения зеркала расплава.
Таким образом, благодаря совокупности конструктивных признаков предлагаемого тигля будет обеспечено повышение эффективности нагрева расплавляемых материалов за счет исключения потерь мощности магнитной индукции. Испытания показали, что заявляемый тигель позволяет при невысокой частоте генератора 400-450 кГц и низкой мощности до 80 кВт индуктора обеспечить за небольшой промежуток времени приемлемую температуру нагрева до +2000°С, при одновременной простоте конструкции.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид предлагаемого тигля в продольном разрезе; на фиг. 2 - схема тигля - вид сверху.
Предлагаемый холодный тигель состоит из полых металлических, преимущественно, медных, охлаждаемых изнутри трубок 1, установленных с зазором 2 (преимущественно, выполнены равномерными) по отношению друг к другу, образующих стенки тигля. В поперечном сечении металлическая трубка 1 может быть круглой или эллипсоидной. На внешних стенках трубок 1 при расплаве металлов может быть нанесен слой герметизирующей обмазки (на чертеже не показан), например жидкое стекло с тугоплавкими добавками. Каждая металлическая трубка 1, образующая стенки тигля, выполнена с отогнутыми от продольной оси трубки 1 в одном направлении, преимущественно, на угол α=45-60° верхними и нижними концами, с образованием всеми трубками указанной формы пространственной фигуры тигля в виде цилиндра 3 (это рабочая часть тигля) с верхним 4 и нижним 5 раструбами на его торцах. Причем угол отгиба верхней части трубки 1 может отличаться от угла отгиба нижнего конца трубки 1. При этом концы трубок 1 каждого раструба 4 и 5 соединены в замкнутый контур 6 и 7 соответственно, посредством соединительных элементов, например, Т-образной формы, в качестве которых можно использовать, например, элементы, все выполненные из полимерного материала (например, из поливинилхлорида), или для создания контура, часть элементов которого будет состоять из поливинилхлоридных элементов, а часть - металлических из того же металла, что и трубки 1, но имеющих, например, соединитель из диэлектрического материала для подсоединения к трубке 1. Целью разведения трубок является отведение контуров, по которым протекает охлаждающая жидкость, от теплового излучения расплава и индукционных токов, чтобы исключить наведение в тигле кольцевых токов, обратных току индуктора. Указанные контуры 6 и 7 совместно с трубками 1 образуют систему охлаждения с возможностью подачи охлаждаемой воды, например, через нижний контур 7 через трубки 1 и отведения ее через верхний контур 6 через патрубки 8 и 9 соответственно.
Для фиксации трубок используется упор 10, например, силикатный или текстолитовый лист, с перфорационными отверстиями 11 по диаметру трубок 1, в которых они и установлены.
В качестве неохлаждаемого дна тигель содержит огнеупорное кольцо 12, например керамическое кольцо, с отверстием 13 для слива расплава, которое может быть снабжено спускной или одноразовой проплавляемой пробкой (на чертеже не показана). Указанное кольцо 12 установлено на текстолитовый или силикатный упор 10 через асбестовую прокладку 14, имеющую отверстие по центру, равное по диаметру сливному отверстию 13 огнеупорного кольца 12.
Тигель помещен в полость кольцевой индукционной катушки 15 (мощностью, например, до 80 кВт), служащей для расплавления материала и которая присоединена к генератору высокой частоты (на чертеже не показан), рабочая частота которого, преимущественно, 400-450 кГц. Индуктор закреплен от перемещения в вертикальном направлении, например, посредством шипа медного.
Для лучшей эффективности при расплавлении немагнитного материала, например базальтовой шихты, внутренняя полость тигля в зоне расплава 3 может быть снабжена концентратором 16 магнитного поля, который, например, будет изготовлен в виде углеродного контура или кольцевого элемента из тугоплавких металлов, например молибдена, платины и т.п.
Работа заявляемого холодного тигля для плавки материалов происходит следующим образом.
Перед началом плавления осуществляется сборка дна 12 тигля. Для этого на текстолитовый (или силикатный) упор 10 устанавливается асбестовая прокладка 14, далее - керамическое дно 12, отверстие 13 которого закрывается спускной пробкой или одноразовой проплавляемой пробкой. В рабочую зону 3 тигля помещается расплавляемый материал (если в качестве расплавляемого материала используют не металл, то в зону 3 может быть установлен концентратор 16, однако можно обойтись и без него). Включается индуктор 15. Через нижний 7 и верхний 6 контуры осуществляется подача охлаждающей воды и ее отвод, причем подвод осуществляется через нижний 7 контур, а отвод через противоположный край верхнего контура 6, тем самым обеспечивая максимальное заполнение трубок 1 тигля водой. Вода, протекая по трубкам 1 тигля, охлаждает их и за счет теплопередачи от расплава образует спекшийся гарнисажный слой (толщиной этого слоя можно управлять, например, путем изменения режимов индуктора 15 и скоростью потока охлаждающей жидкости) в расплавляемом материале, препятствующий разрушению тигля. После расплавления всего материала происходит проплавление одноразовой пробки и спуск расплава в заранее подготовленную форму (на чертеже не показана) или в следующий элемент технологической цепочки, например во вторичный тигель или в фильеру. При необходимости расплавления немагнитного материала, например силикатов, оксидных материалов, в полость тигля устанавливается концентратор 16 магнитного поля. В этом случае он замыкает через себя магнитные силовые линии, нагревая и передавая тепловую энергию в шихту. Для предотвращения загрязнения расплава, а также для долговечности для последующего использования указанный концентратор 16 рекомендуется извлекать после получения зеркала расплава.
Предлагаемый тигель был опробован при получении расплава базальта. В качестве тигля использовали тигель, выполненный из полых медных трубок, с двумя раструбами на концах. Диаметр в зоне расплава 180 мм, в которую был помещен концентратор из углерода диаметром 150 мм. Угол отгиба трубок верхнего и нижнего раструба был одинаков и составлял 45°. Концы трубок верхнего и нижнего раструбов были соединены в замкнутый контур поливинилхлоридными Т-образными соединительными элементами. Диаметр индуктивной катушки составлял 200 мм и режим ее работы: мощность 36 кВт, частота генератора 440 кГц. При массе шихты 5 кг, выход на жидкую фазу в количестве 2 кг с температурой расплава +1700°С произошел с трехстадийным подходом увеличения мощности индуктора за 20-30 мин. При 40-50 минутах заданной работы индуктора происходит нагрев зоны расплава предлагаемого тигля до +2000°С.
Таким образом, особенностью настоящего холодного тигля является отсутствие по сравнению с прототипом замкнутых электромагнитных контуров, исключающих потери полезной мощности индуктора. При этом наблюдается снижение энергозатрат и более эффективный нагрев расплавляемого материала. Конструкция заявляемого тигля является простой, не сложной в изготовлении. Кроме того, предлагаемый тигель имеет высокий потенциал модернизации и усовершенствования, в зависимости от поставленных технологических задач.