УСТАНОВКА ДЛЯ НАГРЕВА МНОГОКОМПОНЕНТНОГО МАТЕРИАЛА, ЭЛЕКТРОПРОВОДНОГО В РАСПЛАВЛЕННОМ СОСТОЯНИИ, И СПОСОБ ПУСКА ЭТОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1997 года по МПК C21D1/46 

Изобретения относятся к электронагреву и термообработке многокомпонентного материала, электропроводного в расплавленном состоянии, в частности к установкам для нагрева многокомпонентных материалов и способа их пуска.

Установки для нагрева многокомпонентного материала (ММ), электропроводного в расплавленном состоянии, используют, как правило, электродный или индукционный нагрев. Этот способ нагрева требует наличия электропроводной составляющей. Специфика нагрева ММ, неэлектропроводных в твердом состоянии, требует для включения нагрева, например электродного или индукционного, осуществлять предварительный запуск, обеспечивающий создание электропроводной зоны. С этой целью необходимо предварительное расплавление стартовым нагревателем хотя бы части ММ, которая, становясь электропроводной при расплавлении, обеспечивает замыкание электродов и включение, тем самым, электродного нагрева.

Известна установка для нагрева в расплаве солей, представляющих собой ММ, электропроводный в расплавленном состоянии, содержащая индуктор, размещенный в нем концентрично футерованный тигель с загрузкой соли, в который погружен нагреватель, выполненный в виде цилиндрической пружины с замкнутым первым витком (АС СССР N 1254036 МПК C 21 D 1/46).

Способ пуска указанной установки заключается в предварительном расплавлении части соли, которая, как правило, представляет по своему составу ММ, электропроводный в расплавленном состоянии. Это расплавление осуществляется первым замкнутым витком, обеспечивающим стартовый разогрев расплава.

Основным недостатком названных установки для нагрева ММ и способа ее пуска является наличие графитового нагревателя в рабочей среде, который химически загрязняет ММ.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является установка для нагрева ММ, электропроводного в расплавленном состоянии, содержащая корпус, внутри которого установлена футерованная емкость с электродами и стартовый нагреватель [1]
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа для способа, является способ запуска установки для нагрева ММ (АС СССР N 709696 МПК C 21 D 1/46).

Известный способ заключается в том, что в футерованную емкость устанавливают электроды свободными концами в донную область, загружают ММ и ведут его нагрев стартовым нагревателем с образованием в донной области электропроводной зоны, которая замыканием свободных концов электродов включает электродный нагрев.

Основным недостатком, присущим указанным изобретениям, является то, что пуск основного нагрева электродами, т.е. их включение осуществляют стартовым нагревателем, расположенным в донной области, т.е. в среде ММ, подвергаемого обработке, который после перехода на электродный нагрев выключается и своим присутствием в донной области вносит искажение теплового поля, при этом не исключается вероятность существенного загрязнения М При вероятной эрозии или испарении нагревателя.

Технической задачей заявляемых изобретений является создание установки для нагрева ММ, в которой бы стартовый нагреватель не вносил загрязнения ММ, не искажал тепловое поле и позволил бы осуществлять пуск более экономичным путем и работу установки с более высоким тепловым КПД.

Указанная задача решается тем, что установка для нагрева ММ, электропроводного с расплавленном состоянии, содержащая футерованную емкость с электродами и стартовый нагреватель, снабжена расположенными над последним сеткой из тугоплавкого материала и размещенным на ней экраном из наиболее тугоплавкой компоненты ММ, а стартовый нагреватель расположен над футерованной емкостью и выполнен в виде плоского перфорированного тела.

Задача решается также тем, что стартовый нагреватель выполнен в виде плоского зигзага, расстояние между ветвями которого превышает размер ячейки сетки.

Задача решается также тем, что стартовый нагреватель, сетка и экран установлены с возможностью вертикального перемещения.

Задача решается также тем, что электроды выполнены криволинейной формы, расположены напротив друг друга вдоль боковых стенок футерованной емкости с повторением ее профиля, а их свободные концы расположены вдоль донной области.

Задача решается также тем, что электроды по своей длине имеют переменное сечение, уменьшающееся к донной области.

Задача решается также тем, что электроды со стороны свободных концов выполнены в форме вилки с, по меньшей мере, двумя зубцами, а расстояние между этими зубцами увеличивается в сторону их концов.

Задача решается также тем, что футерованная емкость выполнена в виде полусферы или цилиндра, усеченных симметрично двумя вертикальными плоскостями, а электроды расположены вдоль сферической или цилиндрической поверхностей.

Задача решается также созданием способа запуска установки для нагрева ММ, электропроводного в расплавленном состоянии, при котором в футерованную емкость устанавливают электроды свободными концами в донную область, загружают ММ и ведут его разогрев стартовым нагревателем с образованием в донной области электропроводной зоны и включением электродного нагрева замыканием свободных концов электродов этой зоной. При этом электроды устанавливают вдоль боковых стенок футерованной емкости, а загрузку ММ осуществляют порциями, а именно, первую порцию загружают с формированием в футерованной емкости центрального колодца, сопряженного своим дном со свободными концами электродов, и ведут разогрев этой порции до оплавления стенок и дна колодца после чего осуществляют его заполнение второй порцией ММ, автономно расплавленной стартовым нагревателем.

Задача решается также тем, что вторую порцию ММ размещают над футерованной емкостью на экране из одной из компонент ММ, температура плавления которой выше усредненной температуры плавления ММ, и одновременно с разогревом первой порции ММ ведут разогрев второй порции ММ через экран, а после оплавления стенок и дна колодца осуществляют последовательное расплавление экрана и второй порции ММ и заполнение ими колодца.

Технический результат от использования изобретений заключается в исключении возможности загрязнения ММ и искажения теплового поля в зоне расположения ванны расплава ММ стартовым нагревателем, размещенным вне расплава ММ, и повышении скорости расплавления ММ и КПД установки за счет возможности работы стартового нагревателя после перехода с пускового режима на кондуктивный (электродный) режим выделения мощности в установке.

На фиг.1 изображен продольный разрез установки; на фиг. 2 стартовый нагреватель в форме зигзага (фрагмент по стрелке Б); на фиг.3 поперечный разрез установки с электродами в форме вилки.

Установка содержит корпус 1, в котором размещена футерованная емкость 2, внутри которой вдоль ее боковой поверхности установлены два электрода 3, вывода 4 которых выполнены горизонтальными и выведены в противоположные стороны. Электроды 3 выполнены переменного сечения, уменьшающегося в сторону донной области 5. Электроды 3 могут быть выполнены в форме вилки с, по меньшей мере, двумя зубцами 6 (фиг.3). Зазор 7 между зубцами 6 может быть выполнен переменного сечения, в частности с уменьшением к донной области.

Стартовый нагреватель 8 выполнен в виде плоского перфорированного тела и подвешен на вертикальных токоподводах 9. В частности, стартовый нагреватель может быть выполнен в виде плоского зигзага (фиг.2). Над стартовым нагревателем размещена сетка 10 из тугоплавкого материала, например из вольфрама, размер ячеек сетки меньше размера перфорации, например расстояния А между витками зигзага. На сетке 10 размещен плоский экран 11, выполненный из наиболее тугоплавкой компоненты ММ, на котором помещают порцию ММ, подлежащую расплавлению.

Футерованная емкость может быть выполнена в виде полусферы. Выполнение емкости в виде полусферы в наилучшей степени отвечает условиям механической термопрочности и, кроме того, позволяет максимально сократить тепловые потери за счет получения минимальной величины наружной поверхности корпуса теплового узла при заданной его емкости. В частном случае футерованная емкость 2 может быть выполнена в виде полусферы, усеченной симметрично двумя параллельными пластинами 12 из тугоплавкого материала, инертного к расплаву ММ, а электроды размещены друг напротив друга с повторением поверхности полусферы.

Запуск установки осуществляется следующим образом. В футерованную емкость вдоль ее боковых стенок устанавливают электроды 3 криволинейной формы, повторяющей профиль стенки. В донной части электроды сходятся на некотором расстоянии. Затем загружают ММ порциями. В качестве примеров ММ могут быть использованы, например, составы а и б, где
а) UO₂ 78% по массе и Z₂O₂ 22% по массе и температурой плавления 2560^oC;
б) UO₂ 81,5% по массе, Z₂O₂ 5,0% по массе и Z₂- 13,5% по массе, температура плавления 2400^oC.

В этих случаях экран изготавливают из диоксида урана. Первую порцию загружают с формированием центрального колодца, поперечный размер дна которого менее расстояния между свободными концами электродов, а глубина колодца обеспечивает выход концов электродов в объем его полости. Вторая порция ММ помещается на экране 11. После этого стартовый нагреватель 8, сетку 10 и экран 11 устанавливают на определенную высоту и включают стартовый нагреватель.

Стартовый нагреватель своим излучением, т.е. радиационным путем, прогревает ММ и, в том числе, стенки и дно колодца. Одновременно с этим прогревается через метку и экран, и вторая порция ММ, размещенная на экране. Этот погрев ведется до момента оплавления стенок и дна колодца. Контроль оплавления ведется, например, пирометром (на чертеже не показано). После получения сигнала о начале оплавления дна колодца резко увеличивают мощность стартового нагревателя и осуществляют последовательное расплавление экрана и порции ММ, на нем расположенной. Оплавляясь экран и ММ стекают сквозь перфорацию сетки и стартового нагревателя на дно колодца. На дне колодца образуется жидкая ванна из расплавленного ММ, которая обладает электропроводностью и замыканием свободных концов электродов включает электродный нагрев. При этом стартовый нагреватель оставляют включенным до полного расплавления экрана и второй порции ММ, на нем расположенной. После полного стекания расплава сетки стартовый нагреватель может работать на пониженной мощности или может быть отключен, в зависимости от требуемого теплового режима. Возможность дополнительного включения стартового нагревателя во время электродного нагрева позволит управлять тепловыми потоками в двух взаимно перпендикулярных направлениях и, тем самым, создавать требуемое тепловое после внутри футерованной емкости и оптимизировать процесс нагрева и расплавления ММ.

Форма электродов, их поперечное сечение позволяет обеспечить достаточно равномерное энерговыделение по всему объему при нагреве и, тем самым, повысить качество обработки ММ.

Наличие расходуемого экрана из наиболее тугоплавкой компоненты М Обеспечивает возможность задержать расплавление второй порции ММ на период времени, соответствующий началу расплавления стенок и дна колодца первой порции. Его толщина выбирается из условия начала расплавления второй порции ММ в момент оплавления дна колодца. В этом случае заполнение колодца этой порцией ММ осуществляется на уже прогретое дно, тем самым исключается нежелательное капельное его застывание. Выполнение экрана из одной из компонент ММ исключает его загрязнение.

Таким образом, заявленные установка для нагрева ММ и способ ее пуска обеспечивают условия получения расплава высокочистого ММ. Пуск осуществляется благодаря постепенному заполнению колодца расплавленным ММ, который, контактируя с его оплавленными стенками и дном, позволяет наиболее эффективно перейти на электродный нагрев, не исключая возможность дополнительного энерговыделения от стартового нагревателя, сто существенно сокращает тепловые потери и увеличивает тепловой КПД установки.

Использование: изобретение относится к электронагреву и термообработке многокомпонентного материала, электропроводного в расплавленном состоянии, в частности к установкам для нагрева многокомпонентных материалов и способам их пуска. Сущность: установка для нагрева ММ, содержащая футерованную емкость с электродами и стартовый нагреватель, снабжена расположенными над последним сеткой из тугоплавкого материала и размещенным на ней экраном из наиболее тугоплавкой компоненты ММ, а стартовый нагреватель расположен над футерованной емкостью и выполнен в виде плоского перфорированного тела, при этом стартовый нагреватель выполнен в виде плоского зигзага, расстояние между ветвями которого превышает размер ячейки сетки, при этом стартовый нагреватель, стека и экран установлены с возможностью вертикального перемещения, электроды выполнены криволинейной формы, расположены напротив друг друга вдоль боковых стенок футерованной емкости с повторением ее профиля, а их свободные концы расположены вдоль донной области и имеют переменное сечение, уменьшающееся в донной области, электроды со стороны свободных концов выполнены в форме вилки по меньшей мере с двумя зубцами, расстояние между этими зубцами увеличивается в сторону их концов, а футерованная емкость выполнена в виде полусферы или цилиндра, усеченных симметрично двумя вертикальными пластинами из тугоплавкого материала, инертного к расплаву ММ, электроды расположены вдоль сферической или цилиндрической поверхностей. В способе запуска установки в футерованную емкость устанавливают электроды свободными концами в донную область, загружают ММ и ведут его разогрев стартовым нагревателем с образование в донной области электропроводной зоны и включением электродного нагрева замыканием свободных концов электродов этой зоной. При этом электроды устанавливают вдоль боковых стенок футерованной емкости, загрузку ММ осуществляют порциями: первую порцию загружают с формированием в футерованной емкости центрального колодца, сопряженного своим дном со свободными концами электродов, и ведут разогрев этой порции до оплавления стенок и дна колодца, после чего осуществляют его заполнение второй порцией ММ, автономно расплавленной стартовым нагревателем. Вторую порцию ММ размещают над футерованной емкостью на экране из одной из компонент ММ, температура плавления которой выше усредненной температуры плавления ММ, и одновременно с разогревом первой порции ММ ведут разогрев второй порции ММ через экран, а после оплавления стенок и дна колодца осуществляют последовательное расплавление экрана и второй порции ММ и заполнение ими колодца. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Установка для нагрева многокомпонентного материала, электропроводного в расплавленном состоянии, содержащая футерованную емкость с электродами и стартовый нагреватель, отличающаяся тем, что она снабжена расположенными над стартовым нагревателем сеткой из тугоплавкого материала и размещенным на ней экраном из наиболее тугоплавкой компоненты многокомпонентного материала, а стартовый нагреватель расположен над футерованной емкостью и выполнен в виде плоского перфорированного тела. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что стартовый нагреватель выполнен в виде плоского зигзага, расстояние между ветвями которого превышает размер ячейки сетки. 3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что стартовый нагреватель, сетка и экран установлены с возможностью вертикального перемещения. 4. Установка по любому из пп.1 3, отличающаяся тем, что электроды выполнены криволинейными и расположены напротив друг друга вдоль боковых стенок футерованной емкости с повторением ее профиля, а их свободные концы расположены вдоль донной области. 5. Установка по любому из пп.1 4, отличающаяся тем, что электроды по своей длине имеют переменное сечение, уменьшающееся к донной области. 6. Установка по любому из пп.1 5, отличающаяся тем, что электроды выполнены в форме вилки с по меньшей мере двумя зубцами. 7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что расстояние между зубцами вилки выполнено увеличивающимся в сторону их концов. 8. Установка по любому из пп.1 7, отличающаяся тем, что футерованная емкость выполнена в виде полусферы или цилиндра, усеченных симметрично двумя вертикальными пластинами из тугоплавкого материала, химически инертного к расплаву многокомпонентного материала, а электроды расположены вдоль сферической или цилиндрической поверхностей. 9. Способ пуска установки для нагрева многокомпонентного материала, электропроводного в расплавленном состоянии, включающий помещение в футерованную емкость электродов свободными концами в донной области, загрузку многокомпонентного материала и его разогрев стартовым нагревателем с образованием в донной области электропроводной зоны и включение электродного нагрева замыканием этой зоной свободных концов электродов, отличающийся тем, что электроды устанавливают вдоль боковых стенок футерованной емкости, а загрузку многокомпонентного материала осуществляют порциями, при этом первую порцию загружают в футерованную емкость с формированием центрального колодца, сопряженного своим дном со свободными концами электродов, и ведут разогрев этой порции до оплавления стенок и дна колодца, после чего осуществляют его заполнение второй порцией многокомпонентного материала, автономно расплавленной стартовым нагревателем. 10. Способ по п.8, отличающийся тем, что вторую порцию многокомпонентного материала размещают над футерованной емкостью на экране из одной из компонент многокомпонентного материала, температура плавления которой выше усредненной температуры плавления которой выше усредненной температуры плавления многокомпонентного материала, и одновременно с разогревом первой порции ведут разогрев второй порции через экран, а после оплавления стенок и дна колодца осуществляют последовательное расплавление экрана и второй порции и заполнение ими колодца.