ИНДУКЦИОННАЯ КАНАЛЬНАЯ ПЕЧЬ Российский патент 1997 года по МПК F27D11/06 F27B14/08 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям индукционных канальных печей /ИКП/ для плавки металлов и сплавов и может быть использовано в металлургии при производстве алюминиевых, медных, цинковых сплавов, никеля, чугуна и др.

Известна индукционная канальная печь, содержащая ванну и расположенную под ней сдвоенную индукционную единицу /ИЕ/, выполненную в виде каналов, охваченных индукторами с магнитопроводами (авт.св. СССР N 930757, кл.H 05 B 6/16, 1980 г. ). Однако данная конструкция имеет несимметрию активной мощности по каналам, достигающую 15-30% при угле, отличном от 0^o и 180^o, и недостаточный тепло- массоперенос из каналов в ванну печи.

Известна индукционная канальная печь, принятая за прототип, которая содержит ванну и индукционную канальную единицу из двух магнитопроводов, охваченных цилиндрическими индукторами, предназначенными для подключения к сети с углом сдвига фаз между питающими напряжениями огнеупорной футеровкой подового камня с центральным каналом, двумя боковыми каналами, внутренняя поверхность которых ниже горизонтальной оси индуктора выполнена коаксиально индуктору и с обращенными в сторону ванны треугольными выступами, одна сторона которых совмещена с внутренней вертикальной поверхностью канала, а обращенный в сторону ванны угол равен 70-80^o (авт. св. СССР N 760492, кл. F 27 D 11/06, 1978).

Эта печь также не обеспечивает необходимый тепло- и массоперенос из каналов в ванну печи.

Задача изобретения состоит в интенсификации тепло- и массопереноса из каналов в ванну печи путем усиления однонаправленного движения металла в каналах ИКП.

Сущность изобретения заключается в том, что в индукционной канальной печи, содержащей ванну и индукционную единицу из двух магнитопроводов, охваченных цилиндрическими индукторами, предназначенными для подключения к сети с углом сдвига фаз между питающими напряжениями и огнеупорной футеровки подового камня с центральным каналом, двумя боковыми каналами, внутренняя поверхность которых, ниже горизонтальной оси индуктора, выполнена коаксиально индуктору, и с обращенными в сторону ванны треугольными выступами, одна сторона которых совмещена с внутренней вертикальной поверхностью канала, а обращенный в сторону ванны угол меньше 90^o, индукторы выполнены для подключения к питающей сети с углом сдвига фаз Φ 0 -180 эл. град. боковые каналы смещены на их ширину по горизонтальной оси индукторов, центральный канал выполнен с шириной, равной двойной ширине бокового канала, одна из боковых сторон вертикального выступа совмещена с внутренней вертикальной поверхностью центрального канала, в треугольных выступах выполнены обращенные к вертикальной оси центрального канал срезы от вершины, обращенной в сторону ванны, по вертикальной плоскости, перпендикулярной оси индукторов, до горизонтальной, сопряженной с поверхностью подового камня, концентричной катушке индуктора, с толщиной, равной 1/5 размер канала вдоль оси катушки индуктора.

Отличие предлагаемой печи от известной состоит в том, что индукторы выполнены для подключения к питающей сети с углом сдвига фаз v 0 -180 эл. град. боковые каналы смещены на их ширину по горизонтальной оси индукторов, центральный канал выполнен с шириной, равной двойной ширине бокового канала, одна из боковых сторон вертикального выступа совмещена с внутренней вертикальной поверхностью центрального канала, в треугольных выступах выполнены обращенные к вертикальной оси центрального канала срезы от вершины, обращенной в сторону ванны, по вертикальной плоскости, перпендикулярной оси индукторов, до горизонтальной, сопряженной с поверхностью подового камня, концентричной катушке индуктора, с толщиной, равной 1/5 размера канала вдоль оси катушки индуктора, при этом угол треугольных выступов, обращенных в сторону ванны составляет 60-70^o.

Технический результат, получаемый от использования изобретения, состоит в интенсификации тепло- и массопереносе из каналов в ванну печи, что позволяет увеличить срок службы футеровки ИКП за счет устранения перегрева металла в каналах ИЕ по сравнению с ванной, создать практически неограниченные с точки зрения тепло и массообмена возможности для повышения подводимой к печи активной мощности, а следовательно, и производительности печи.

На фиг.1- а, б схематически изображена ИЕ двухиндукторной ИКП в разрезе и в плане; на фиг.2 и 3 показаны эпюры электромагнитных сил при углах v 0 и 60^o; на фиг. 4 выполнение верхней части подового камня в виде выступа; на фиг.5 эпюра электромагнитной силы в центральном канале.

ИЕ содержит два магнитопровода 1, индукционные катушки 2, футеровку подового камня 3 и шахты 4, боковые каналы 5, центральный канал 6, треугольные выступы подового камня 7, прилегающие к катушкам 2, и обращенные к ванне (не показана) вертикальные срезы 8 на выступах 7. Канальная часть печи выполняется с помощью специального шаблона, например, из меди или чугуна при набивке ИЕ футеровочной массой.

Такая геометрическая форма выступов со срезами обеспечивает дополнительный излом токовых линий в горизонтальной плоскости при угле v 0^o, а также в горизонтальной и вертикальной при угле v 60^o, что образует от каждого выступа со срезом осевую компоненту скорости, возникающую от равнодействующих ЭМС, образующихся при искривлении токовых линий под углом 90^o при срезе и 60 70^o -при выступе. При электропитании с углом v, равным 0^o линии тока, замыкаясь вокруг обеих индукционных катушек /синфазное включение/ по наикратчайшей траектории, стягиваются в зоне среза выступа одного из каналов под углом 90^o к вертикали и искривляются в горизонтальной плоскости, перетекая в аналогичный срез выступа другого канала, который, как и первый срез, обращен к вертикальной оси центрального канала.

При этом в зоне среза выступов из-за скин-эффекта и искривления линий тока резко возрастает его плотность, усиливая осевую компоненту скорости, направленную в ванну печи.

Таким образом имеют место как бы три ступени, организующие "напорный" эффект в центральном канале ИЕ:
зона искривления токовых линий в данной части каналов при протекании электрического тока из канала первого индуктора во второй;
зона искривления токовых линий на срезах выступов треугольной формы /максимальный эффект при v 60 эл. град./;
зона искривления токовых линий при обтекании выступов треугольной формы, обращенных в ванне печи /максимальный эффект при v 60 эл. град./.

Выбор толщины среза выступа треугольной формы, равный 1/5 толщины канала, обеспечивает максимальный эффект стягивания и искривления токовых линий и перетекания тока из одного канала в другой при электропитании со сдвигом фаз v, равным, как 0 эл. град. так и 60 эл. град.

При толщине среза выступа, меньшей 1/5 толщины канала, часть тока может перетекать через вершины выступов треугольной формы, обращенных к ванне /их угол 60 70^o/, ослабляя тем самым эффект появления осевой компоненты скорости при обтекании током среза этого выступа треугольной формы /его угол 90^o/.

При толщине среза выступа, большей 1/5 толщины канала, большая часть тока пойдет через срез выступа треугольной формы /угол 90^o/, практически исключая из "напорного" эффекта третью его ступень осевую компоненту скорости, образованную при обтекании током вершин выступов треугольной формы, обращенных к ванне печи. Приведенное объяснение механизма возникновения ОДМ в каналах ИЕ наиболее полно соответствует схеме электропитания ИКП с углом v 0 или 60 эл. град.

Поскольку срезы от каждого выступа вертикальными плоскостями поверхности в виде прямоугольного треугольника обращены к вертикальной оси центрального канала, который имеет ширину, равную двойной ширине бокового канала, то имеет место стройное растекание жидкого металла /также, как и тока/ от локальной точки А /см. фиг.6/ в увеличенный в два раза центрального канала с резко пониженным электромагнитным давлением /при работе первой ступени процесса/. Аналогичным образом действует на процесс "вторая ступень" сумма эффект от срезов выступов первого и второго каналов.

На индукционных двух индукторных печах типа ИДК-1,2 проводились исследования /на опытных печах/ по влиянию конфигурации канальной части ИЕ на интенсивность тепло- и массообмена в печи, которая оценивалась по степени гидродинамического возмущения поверхности ванны.

Установлено, что геометрическая форма каналов ИЕ имеет максимально возможную для данного типа ИКП скорость движения металла в каналах, равную 0,9 -0,92 м/с.

Предлагаемая ИКП монтируется и работает следующим образом.

Шаблон металлический или деревянный устанавливается в корпусе ИЕ и производится набивка ее футеровочной массой с предварительно размеренным водоохлаждаемым кессоном. Производится монтаж индукторов и магнитопроводов. Затем ИЕ пристыковывается к шахте печи и производится футеровка шахты. Подготовленная печь устанавливается на рабочей эстакаде, где к печи подводят воду и электропитание. После этого осуществляется режим разогрева и пуска печи в эксплуатацию, по завершении которого печь переводят на рабочий режим. Геометрическая форма каналов ИЕ и схема электропитания печи, как в режиме плавления, так и подогреве создает движение металла по каналам по следующей схеме: металл затекает из ванны в боковые устья каналов, по ним -в центральный канал, а по нему через "напорное" центральное устье в ванну печи.

Таким образом использование предлагаемой индукционной канальной печи для плавки металлов и сплавов обеспечивает увеличение службы футеровки печи, повышение подводимой активной мощности и производительности. Одновременно в этой печи обеспечивается интенсивное перемешивание плавильной ванны, а следовательно, гомогенизация приготовляемого расплава по температуре и химсоставу.

Использование: в электротехнике и металлургии, в частности в конструкциях индукционных канальных печей (ИКП) для плавки металлов и сплавов. Сущность: в индукционной канальной печи, содержащей две индукционные катушки и два магнитопровода, каналы смещены на их ширину по горизонтальной оси индуктора, а центральный канал выполнен шириной, равной двойной ширине бокового канала, при этом на поду печи с каждой из сторон выполнены выступы в виде треугольника, а в них срезы от вершины треугольников по вертикальной плоскости, перпендикулярной оси индукторов до горизонтали толщиной, равной 1/5 толщины канала, при этом срезы от каждого выступа обращены к вертикальной оси центрального канала. 5 ил.

Индукционная канальная печь, содержащая ванну и индукционную единицу из двух магнитопроводов, охваченных цилиндрическими индукторами, предназначенными для подключения к сети с углом сдвига фаз между питающими напряжениями, и огнеупорной футеровки подового камня с центральным каналом, двумя боковыми каналами, внутренняя поверхность которых, ниже горизонтальной оси индуктора, выполнена коаксиально индуктору, и с обращенными в сторону ванны треугольными выступами, одна сторона которых совмещена с внутренней вертикальной поверхностью канала, а обращенный в сторону ванны угол меньше 90^o, отличающаяся тем, что индукторы выполнены для подключения к питающей сети с углом сдвига фаз Φ = 0 - 180 эл.град., боковые каналы смещены на их ширину по горизонтальной оси индукторов, центральный канал выполнен с шириной, равной двойной ширине бокового канала, одна из боковых сторон вертикального выступа совмещена с внутренней вертикальной поверхностью центрального канала, в треугольных выступах выполнены обращенные к вертикальной оси центрального канала срезы от вершины, обращенной в сторону ванны, по вертикальной плоскости, перпендикулярной оси индукторов, до горизонтальной, сопряженной с поверхностью подового камня, концентричной катушке индуктора, толщиной, равной 1/5 размера канала вдоль оси катушки индуктора, при этом угол треугольных выступов, обращенных в сторону ванны, составляет 60 70^o.