ТУРБОИНДУКЦИОННАЯ ТИГЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ
TURBO-INDUCTIVE CRUCIBLE FURNACE

Предлагаемое изобретение относится к металлургии, а именно к комплексному оборудованию для плавки шихты, содержащей как черные, так и цветные металлы.
Индукционные тигельные печи (ИТП) широко используются в качестве плавильных агрегатов благодаря высокому к.п.д. и высокой технологической эффективности, в которых могут проводиться процессы расплавления шихты, рафинирования, приготовления сложных сплавов, переработки металлических отходов, металлолома и оксисодержащей шихты. Наиболее широкое распространение получили ИТП с однофазным цилиндрическим индуктором, внутри которого установлен тигель из огнеупорного материала со сливным носком и термоизолирующей крышкой с механизмом перемещения. Загрузка шихты в таких печах осуществляется через горловину тигля с помощью механизмов, находящихся на загрузочной площадке, а слив металла производится путем поворота тигля вокруг основного вала вращения, размещенного под его носком, с помощью двух гидравлических цилиндров, верхние оси которых установлены на раме тигля между осью симметрии тигля и вала его вращения, а их нижние оси закреплены на корпусе печи (см. Л1. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Энергия, 1967. - рис.9-4, Приложение 1).
Известны конструкции ИТП, в которых для облегчения удаления шлака предусмотрен обратный наклон тигля, который обеспечивается путем установки дополнительно двух гидравлических цилиндров к главным наклоняющим цилиндрам печи (см. Л2. Информационные каталоги "Индукционные плавильные печи" фирмы INDUCTOTHERM, Приложение 2). В задней части горловины печи имеется люк для удаления шлака. Цилиндры обратного наклона обеспечивают наклон тигля в противоположную сторону вокруг дополнительного вала. По шлаковому желобу тяжелый шлак легко удаляется по наклону вниз. Однако установка дополнительных гидравлических цилиндров обратного наклона усложняет и удорожает конструкцию ИТП и требует установки дополнительного комплекта гидравлической аппаратуры управления. Поэтому целесообразно применение механизмов, обеспечивающих двусторонний наклон тигля печи, имеющих только одну пару гидравлических цилиндров.
При традиционном однофазном питании индуктора ИТП расплав циркулирует по двум (верхнему и нижнему) тороидальным контурам, обусловленным наличием нормального сжимающего электродинамического давления, которое вследствие неравномерности магнитного поля по высоте имеет в центре максимальное значение. Такое силовое давление на металл приводит также к образованию положительного мениска (выпуклости) на поверхности расплава. Эти процессы негативно влияют на процессы плавки, в частности, плохо смешиваемые контуры циркуляции расплава приводят к неоднородности химического состава сплава, а положительный мениск приводит к переохлаждению поверхности и к необходимости использования большого количества защитного шлака.
Для достижения полного перемешивания металла в рабочем объеме печи необходимо обеспечить одноконтурную циркуляцию металла по всему рабочему объему тигля, при которой мениск имеет почти плоскую форму. Такую форму циркуляции можно получить при помощи бегущего магнитного поля, создаваемого m-фазным индуктором при питании от многофазного источника питания (Л1, стр.213, рис.11-4, Приложение 3).
Одноконтурная циркуляция металла не в полной мере решает проблемы ведения плавки шихты, содержащей большое количество оксидов, так как для быстрого протекания реакций восстановления необходимо создавать высокие скорости циркуляции расплава. Повышение скорости движения металла достигается в индукционной тигельной печи, выполненной по патенту №JP2004108666 (публикация от 2004-04-08), взятой в качестве прототипа, в которой имеется греющий индуктор, цилиндрический тигель, электромагнитное устройство (статор), создающее вращающееся магнитное поле и установленное в нижней части тигля (Л3, Приложение 4). Такая конструкция обеспечивает интенсивное вращательное движение (турбодвижение) металла во всем объеме вокруг оси тигля. Возникающие при этом центробежные силы создают дополнительное давление металла на стенки тигля, а поверхность ванны расплава становится вогнутой (отрицательный мениск). В образовавшуюся лунку скатывается шлак и отсекается от стенок тигля, что предотвращает его разъедающее действие на стенки тигля. Интенсивное движение металла в подшлаковом слое позволяет увеличить температуру шлака и активизировать химические реакции при скольжении металла под шлаком. Кроме этого, вращательное движение обеспечивает интенсивное взаимодействие металла с загружаемой сверху мелкой шихтой или порошкообразными материалами и ускоряет протекание металлургического процесса.
Однако при классической форме тигля (отношение высоты к диаметру 1,5-2,0) в нижней его части создается высокое давление металла на стенки, складывающееся из гидростатического давления столба металла и давления центробежных сил вращения металла. Это приводит к ускоренному вымыванию футеровки в нижней части тигля при быстром движении металла и к снижению срока службы тигля. К тому же в цилиндрическом высоком тигле площадь зеркала металла остается небольшой, следовательно, и площадь соприкосновения металла и шлака недостаточна для интенсивного проведения химических реакций, что снижает эффективность ИТП с осевым вращением металла.
Данная конструкция печи позволяет вести плавку только в циклическом режиме, когда загружается порция шихты, а после расплавления и перегрева производится полный слив металла путем поворота тигля. В современных литейных производствах требуются адаптивные многофункциональные плавильные агрегаты, способные работать в различных режимах (циклическом, непрерывном, полупрерывном) и с различным составом и качеством шихты.
Предлагаемое изобретение - турбоиндукционная тигельная печь - позволяет повысить технико-экономическую эффективность индукционных тигельных печей с осевым вращением металла и решить задачу создания многофункционального плавильного агрегата, способного перерабатывать полиметаллическую шихту, содержащую оксиды в циклическом, непрерывном и полунепрерывном режимах работы.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что турбоиндукционная тигельная печь, содержащая корпус, тигель со сливным носком, загрузочную площадку и теплоизолирующую крышку с механизмом перемещения, m-фазный индуктор, по внешней окружности которого вертикально вдоль оси установлены магнитопроводы, механизм поворота тигля вокруг основного вала вращения, размещенного под его носком, с двумя гидравлическими цилиндрами, причем она снабжена шунтирующими магнитопроводами с обмотками, при этом тигель состоит из верхней керамической чашеобразной части и нижней цилиндрической части из огнеупорного материала, m-фазный индуктор выполнен с возможностью чередования фаз для создания тяговых усилий в ванне расплава металла, направленных вверх вдоль стенок цилиндрической части тигля, вертикальные магнитопроводы выполнены Г-образной формы в количестве, кратном трем, на которые оперта верхняя часть тигля, под чашей тигля установлены шунтирующие магнитопроводы с обмотками, включенными по трехфазной схеме электропитания и создающими электромагнитное поле, обеспечивающее осевое вращение металла в верхней чашеобразной части тигля, а загрузочная площадка и теплоизолирующая крышка с механизмом перемещения установлены на горловине чашеобразной части тигля в плоскости поворота печи или в плоскости, перпендикулярной к плоскости поворота печи. Кроме этого, она содержит дополнительное устройство управляемого слива металла с дополнительным валом вращения печи, размещенным в нижней части боковой стенки верхней чашеобразной части тигля напротив сливного носка в плоскости поворота печи, а также снабжена платформой с двумя вертикальными стойками, в торцевой части которых установлены полуцилиндрические подшипники скольжения для дополнительного вала вращения печи и полуцилиндрические защелки, причем корпус печи размещен на платформе так, что основной и дополнительный валы вращения печи расположены на одном уровне с верхними осями гидравлических цилиндров, которые установлены в плоскости, проходящей через ось симметрии тигля перпендикулярно плоскости вращения печи, причем нижние оси гидравлических цилиндров закреплены на раме платформы.
Таким образом, заявляемый технический результат - создание высокоэффективной многофункциональной турбоиндукционной тигельной печи - достигается с использованием чашеобразной части тигля с большой поверхностью металла и размещенного под ней электромагнитного вращателя, обеспечивающего осевое вращение металла в верхней части тигля, а также с применением устройства управляемого слива металла для реализации непрерывной работы печи и устройства двунаправленного поворота тигля для обеспечения циклического и полунепрерывного режима работы печи.
На фиг.1 и 2 показано конструктивное исполнение предлагаемой турбоиндукционной печи. Разрез печи в вертикальной плоскости представлен на фиг.1, на которой обозначено: 1 - подина; 2 - цилиндрическая часть тигля; 3 - m-фазный индуктор; 4 - Г-образные магнитопроводы; 5 - устройство управляемого слива металла; 6 - шиберная заслонка; 7 - чашеобразная часть тигля; 8 - теплоизолирующая крышка; 9 - механизм перемещения крышки; 10 - шлак; 11 - расплав металла; 12 - сливной носок; 13 - основной вал вращения тигля; 14 - корпус печи; 15 - гидравлические цилиндры; 16 - обмотки электромагнитного вращателя; 17 - шунтирующие магнитопроводы; 18 - загрузочная площадка; 19 - верхние оси гидравлических цилиндров; 20 - вертикальные стойки; 21 - дополнительный вал вращения печи; 22 - полуцилиндрические защелки; 23 - полуцилиндрические подшипники скольжения; 24 - положение тигля при повороте вокруг дополнительного вала; 25 - положение тигля при повороте вокруг основного вала; 26 - колесные пары; 27 - нижние оси гидравлических цилиндров; 28 - платформа.
Предлагаемая турбоиндукционная печь может работать в циклическом непрерывном и полунепрерывном режимах. В циклическом режиме печь работает аналогично ИТП классического исполнения. Вначале через горловину печи при открытой крышке (8) производится завал шихты. После этого подается питание на m-фазный индуктор (3) и шихта расплавляется. По мере наплавления жидкого металла в цилиндрической части тигля (2) создается одноконтурное движение металла, так как при многофазном питании индуктора создаются тяговые усилия, направленные вверх вдоль стенок тигля. Когда металл наполняет чашеобразную часть тигля, включается электромагнитное вращающее устройство, образованное Г-образными магнитопроводами (4) и шунтирующими магнитопроводами (17) с обмотками (16). При этом верхние слои ванны расплава начинают вращаться в чаше тигля большого диаметра и поверхность расплава приобретает вогнутую форму (отрицательный мениск). В образовавшуюся лунку скатывается шлак и загружается мелкая шихта, а также подаются мелкая шихта и легирующие добавки. За счет вращательного движения в верхней части ванны расплава создаются высокие скорости движения металла в чаше тигля при относительно низком гидростатическом давлении на его стенки, что позволяет уменьшить размывание футеровки и увеличить срок ее службы. Высокая скорость движения металла под шлаком на большой поверхности в тигля способствует ускорению химических реакций и активизации металлургического процесса. Под действием центростремительных сил жидкий металл втягивается в цилиндрическую часть тигля и попадает в циркулирующий там поток металла. Таким образом, создается общая циркуляция металла в paбочем объеме тигля: в чашеобразной части - вращающийся поток; в центре цилиндрической части - ниспадающий поток; вдоль стенок цилиндрической части - восходящий поток. При этом скорость движения металла вдоль стенок в части тигля оказывается невысокой, следовательно, и размывание футеровки становится значительно меньше. Интенсивная циркуляция металла по объему тигля обеспечивает высокую равномерность распределения температуры и химического состава. В конце плавки производится полный поворот печи вокруг основного вала (26) под действием гидравлических цилиндров (15) при открытых полуцилиндрических защелках (22) и металл сливается в промежуточный ковш.
Предлагаемая турбоиндукционная печь обеспечивает работу в режиме непрерывной плавки шихты, когда в ее конструкции установлено устройство управляемого слива металла (5). В этом случае при вращении металла создается давление на боковую стенку чаши тигля под действием центробежных сил. Жидкий металл по каналу в боковой стенке тигля поступает в устройство управляемого слива (5) и через шиберную заслонку (6) дозированно сливается в промежуточный ковш или непосредственно в систему литья в формы.
При непрерывном сливе металла периодически производится дозагрузка шихты через горловину печи с загрузочной площадки (18) при открытой теплоизолирующей крышке (8), которые размещены в плоскости, перпендикулярной плоскости поворота печи (см. фиг.1). Одновременно подаются гранулированные или порошковые материалы, необходимые для приготовления сплава требуемого химического состава. При интенсивном движении металла происходит быстрое расплавление металлической и оксидосодержащей шихты, а в подшлаковом слое ускоренно протекают восстановительные реакции, что позволяет эффективно контролировать химический состав получаемого сплава. Избыточное количество образующегося шлака удаляют путем частичного поворота печи вокруг основного вала (13) и слива шлака через сливной носок (12). Металлургический процесс непрерывного приготовления металла может выполняться с постоянной производительностью в необходимом временном интервале. При завершении работы печи металл, находящийся в тигле, удаляют путем полного поворота печи вокруг основного вала (13) под действием гидравлических цилиндров (15). Металл сливается через сливной носок (12) в промежуточный ковш. При этом печь находится в положении (25) (см. фиг.2).
Для обеспечения возможности работы печи в полунепрерывном режиме, когда требуется непрерывная подача металла в течение ограниченного интервала времени, а затем наступает технологический перерыв, механизм поворота выполнен с возможностью двустороннего поворота тигля, в котором используются только два гидравлических цилиндра (см. фиг.2). В этом случае на этапе непрерывной подачи металла печь работает аналогично описанному выше. На этапе технологической паузы производится дозированный слив остатка в тигле через устройство управляемого слива (5). При этом тигель поворачивается вокруг дополнительного вала (21) при замкнутых полуцилиндрических защелках (22) под действием гидравлических цилиндров (15), и печь становится в положение (24). Остаток металла сливается в систему литья в формы, после чего печь становится в исходное состояние и выключается. После перерыва работа печи может быть возобновлена. На время обслуживания печь может выкатываться из зоны непрерывной разливки металла с помощью платформы (28), на которой она установлена, и колесных пар (26), перекатывающихся по рельсам.