ПЕЧНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2000 года по МПК F27B3/20 F27D23/04 

Изобретение относится к печной установке для плавления металла и/или для выдерживания расплавленного металла, содержащей
по меньшей мере один резервуар печи для расплавленного и/или твердого металла,
по меньшей мере один источник тепла для нагревания находящегося в резервуаре расплавленного или твердого металла посредством излучения и конвекции и
электромагнитное устройство для перемешивания расплавленного металла, находящегося в резервуаре.

Изобретение преимущественно относится к печной установке для плавления и/или выдерживания алюминия, содержащей
камеру печи по меньшей мере с одним резервуаром печи для расплавленного и/или твердого алюминия, имеющую стенку, днище и по меньшей мере один свод, расположенный над резервуаром,
по меньшей мере один источник тепла, установленный в своде печи или вблизи него, для нагревания алюминия, находящегося в резервуаре, посредством излучения и конвекции и
электромагнитное устройство для перемешивания расплавленного металла, находящегося в резервуаре печи.

Предшествующий уровень техники
При плавлении и/или выдерживании алюминия в печи используются устройства для электромагнитного перемешивания расплавленного металла, находящегося в резервуаре печи, с целью снижения градиентов температуры и концентрации в расплавленном металле и тем самым повышения производительности печной установки. Эти устройства (электромагнитные мешалки) устанавливаются под резервуаром печи. Особенно желательно снизить путем перемешивания чрезмерно высокие температуры у поверхности расплавленного металла. Под чрезмерно высокой температурой здесь понимается разность между максимальной температурой, до которой может нагреться какая-либо часть расплавленного металла в процессе плавления или выдерживания в печи, и температурой плавления этого металла. Чрезмерно высокая температура часто приводит к потерям массы металла вследствие окисления и образования окалины и шлака и к уменьшению коэффициента использования энергии, подводимой для осуществления процесса плавления. Проблемы, связанные с потерями массы металла и низким коэффициентом использования энергии, возникают в так называемых отражательных печах, в которых нагревание металла осуществляется масляными или газовыми горелками посредством излучения и конвекции.

При размешивании расплавленного металла происходит выравнивание градиентов температуры и концентрации и, соответственно, снижение чрезмерно высоких температур и повышение коэффициента использования энергии. Это подтверждается тем, что при электромагнитном перемешивании эффективный коэффициент теплопередачи в расплавленном металле повышается более чем в 10 раз по сравнению с коэффициентом теплопередачи в неперемешанном расплавленном металле. Под эффективным коэффициентом теплопередачи здесь понимается коэффициент теплопередачи, характеризующий перенос тепла в ванне расплавленного металла с учетом как теплового потока, обусловленного теплопроводностью металла и/или твердого металла, так и дополнительного теплового потока, обусловленного конвекцией в расплавленном металле вследствие перемешивания.

Известны печные установки, в которых электромагнитные мешалки расположены под печью для перемешивания металла в нижней части печи (US 4294435). Обычно в таких установках достигается повышение эффективного коэффициента теплопередачи в 25-35 раз. Однако в некоторых случаях установка мешалок под печами или вблизи их пода связана с экономическими и конструктивными трудностями. Это особенно касается тех случаев, когда предполагается оснастить мешалками уже действующие печные установки с целью повышения их коэффициента использования энергии и производительности и снижения градиентов температуры и концентрации в расплавленном металле. Кроме того, такое оснащение существующей печной установки подовыми мешалками часто оказывается затруднительными ввиду того, что печь стоит на полу и для установки под ней мешалки необходимо выполнить большие работы по перестройке помещения, где находится печь. Известно также, что устройства для электромагнитного перемешивания могут быть установлены в стенках, который разделяют разные ванны расплава в плавильной печи, или вблизи этих стенок, для перемешивания расплавленного металла путем его перекачивания между этими ваннами. Подобным же образом можно обеспечить перемешивание, если устройства для электромагнитного перемешивания действуют на канал, выполненный в стенках резервуара печи или вблизи этих стенок и сообщающийся на обоих концах с находящимся в резервуаре расплавленным металлом. Далее в US 4294435 указано, что в печной установке для плавления и выдерживания алюминия было бы желательно установить устройства для электромагнитного перемешивания, так называемые боковые электромагнитные мешалки, вблизи устройств для электромагнитного перемешивания, установленных в стенках печи. Магнитное поле, создаваемое боковыми мешалками, приложено через стенку резервуара к находящемуся в нем расплавленному металлу и вызывает боковое перемешивание. Однако при этом не сказано, как должны быть выполнены и расположены боковые мешалки, чтобы получить эффективное перемешивание расплавленного металла в резервуаре, имеющем большую поверхность ванны по сравнению с ее глубиной.

С точки зрения конструктивных и экономических аспектов рассматриваемой проблемы предпочтительно использовать электромагнитные мешалки, действующие через боковые стенки печи, т.е. боковые мешалки, создающие боковое перемешивание. Однако считалось, что боковые мешалки, установленные в стенках резервуара печи или вблизи них, не обеспечивают эффективного перемешивания, особенно в резервуарах, имеющих большую поверхность ванны по сравнению с ее глубиной.

Одной из целей настоящего изобретения является создание печной установки, содержащей по меньшей мере двухфазную или многофазную электромагнитную мешалку, конструкция и расположение которой обеспечивают эффективное боковое перемешивание металла в резервуаре печи, имеющем большую поверхность ванны по сравнению с ее глубиной, и позволяют в результате этого повысить эффективный коэффициент передачи расплавленного металла в 10 раз или более, что приводит к снижению градиентов температуры и концентрации и повышению производительности печной установки и коэффициента использования энергии.

Сущность изобретения
Эффективное боковое перемешивание достигается в печной установке для плавления и/или выдерживания расплавленного металла, содержащей
по меньшей мере один резервуар печи для расплавленного и твердого металла, имеющий боковые стенки и днище, предпочтительно резервуар с большей поверхностью ванны по сравнению с ее глубиной,
по меньшей мере один нагреватель для нагревания находящегося в резервуаре расплавленного и/или твердого металла посредством излучения и конвекции,
по меньшей мере одну боковую двухфазную или многофазную электромагнитную мешалку, установленную в стенке резервуара или вблизи нее, для приложения через указанную стенку бегущего переменного магнитного поля к находящемуся в резервуаре расплавленному металлу для его перемешивания.

Боковая мешалка содержит по меньшей мере две фазные обмотки, расположенные вблизи железного сердечника. Согласно изобретению железный сердечник имеет вертикальную протяженность, по существу перекрывающую массу расплавленного металла, т. е. зону от днища до верхней поверхности расплавленного металла, при максимальной глубине ванны в резервуаре печи. Кроме того, железный сердечник имеет полюсный шаг τ, превышающий в два раза расстояние от железного сердечника до расплавленного металла, т.е. τ>2d_w.

Под максимальной глубиной ванны понимается такая максимальная глубина, которая используется в печной установке в нормальном рабочем режиме. Обычно максимальная глубина ванны в печах известных типов для плавления и/или выдерживания алюминия не превышает 1 м. Наиболее часто для таких печей максимальная глубина ванны лежит в пределах от 0,3 до 0,9 м.

Электрические токи, протекающие в боковой мешалке, создают в расплавленном металле электромагнитное поле, которое стремится создать в расплавленном металле электрические токи, направленные вертикально. Эти токи отклоняются у верхней поверхности расплавленного металла и у днища резервуара. Для достижения эффективного перемешивания железный сердечник боковой мешалки расположен так, что его вертикальная протяженность превышает расстояние от него до расплавленного металла, которое в печах для плавления и/или выдерживания алюминия обычно составляет 0,5-1 м. В одном из вариантов осуществления изобретения железный сердечник имеет протяженность по вертикали, равную указанному расстоянию, умноженному на коэффициент, лежащий в пределах от 1 до 3, предпочтительно от 1,5 до 3. Расстояние между железным сердечником и расплавленным металлом определяется толщиной облицовки печи и, таким образом, зависит от параметров, не относящихся к настоящему изобретению, таких как свойства расплавленного металла и облицовочного материала.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, боковая мешалка, входящая в состав печной установки, имеет полюсный шаг, равный расстоянию между железным сердечником и расплавленным металлом, умноженному на коэффициент, лежащий в пределах от 2,5 до 5.

Для дальнейшего улучшения перемешивания в некоторых вариантах осуществления изобретения боковая мешалка выполнена с возможностью приложения к расплавленному металлу магнитного поля с частотой от 0,2 до 2,0 Гц, предпочтительно от 0,4 до 1,6 Гц.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, боковая мешалка, входящая в состав печной установки, выполнена с возможностью приложения к расплавленному металлу поля с периодически изменяющимся направлением. Поскольку поток расплавленного металла является относительно инерционным, периодическое изменение направления поля приводит к дополнительному улучшению перемешивания. Наилучшее перемешивание получается в случае, когда боковая мешалка выполнена с возможностью изменения интенсивности и направления создаваемого ею поля так, что направление перемешивания изменяется по истечении периода времени, необходимого для достижения максимальной скорости вращения расплавленного металла в одном направлении. Длительность такого периода между моментами изменения направления может быть определена заранее по параметрам, известным для каждой печной установки, таким как геометрия резервуара печи, масса расплавленного металла и характеристики магнитного поля.

Для эффективного воздействия на расплавленный металл магнитного поля, создаваемого боковыми мешалками, стенка резервуара печи вблизи боковых мешалок выполнена таким образом, что по меньшей мере те составляющие напряженности магнитного поля в созданном мешалками поле, которые обусловливают желательное перемешивание расплавленного металла, могут проходить через стенку с малыми потерями и малым затуханием. В одном из вариантов осуществления изобретения это достигается благодаря тому, что стенка резервуара вблизи боковых мешалок выполнена из немагнитного материала. В предпочтительном варианте осуществления изобретения в металлической оболочке резервуара печи, вблизи одной из боковых мешалок, выполнено окно из нержавеющей стали. Согласно другому варианту осуществления изобретения, когда желательно избежать большой переделки стенок резервуара печи, эти стенки могут иметь слой магнитного материала. В этом варианте те составляющие напряженности магнитного поля в создаваемом боковыми мешалками поле, приложенном к расплавленному металлу, которые вызывают его перемешивание, могут проходить через стенку с малыми потерями и малым затуханием благодаря использованию по меньшей мере одной катушки, питаемой постоянным током, или по меньшей мере одного постоянного магнита. Эта катушка или этот постоянный магнит создает постоянное магнитное поле, действующее на слой магнитного материала в стенке резервуара. В результате на участке указанной стенки создается анизотропное магнитное насыщение в направлении (направлении насыщения), ориентированном по существу в плоскости стенки параллельно желательному направлению перемешивания. Создаваемое мешалками низкочастотное магнитное поле, содержащее составляющие напряженности магнитного поля, ориентированные в плоскости, параллельной указанному направлению насыщения и перпендикулярной к плоскости стенки, может, таким образом, проходить через насыщенный участок стенки с малыми потерями и малым затуханием и создавать в расплавленном алюминии переменное магнитное поле с составляющими, направленными по существу параллельно направлению насыщения и перпендикулярно к нему.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение описано более подробно на примере предпочтительного варианта его осуществления с печами различной конфигурации. Описание сопровождается чертежами, на которых фиг. 1 изображает вертикальное сечение печи для пояснения основного принципа изобретения, фиг. 2a, 2b и 2c изображают горизонтальные сечения печей согласно изобретению с круглыми резервуарами и фиг. 3a и 3b - горизонтальные сечения печей согласно изобретению с прямоугольными резервуарами.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1 показана камера 1 печной установки согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, содержащая резервуар 2 печи с боковыми стенками 21 и днищем 22, предназначенный для расплавленного металла 25 и/или твердого металла 26. Над расплавленным металлом расположен свод 3 печи, в котором или вблизи которого установлены горелки 31 для нагревания расплавленного металла 25 и/или твердого металла 26, находящегося в резервуаре, посредством излучения или конвекции. Выбор источника тепла не имеет значения для настоящего изобретения, так что могут быть использованы другие источники тепла, например на базе электрических резистивных элементов, при условии, что они имеют достаточную мощность для нагревания. Вблизи стенки 21 резервуара расположена по меньшей мере одна двухфазная или многофазная электромагнитная мешалка 4, создающая магнитное поле, приложенное через стенку 21 к расплавленному металлу. Боковая мешалка 4 содержит по меньшей мере две фазные обмотки (не показаны), расположенные вблизи железного сердечника (не показан). Железный сердечник имеет вертикальный размер H (высоту), который по существу перекрывает высоту массы расплавленного металла, т.е. зону от днища 22 до верхней поверхности расплавленного металла, при максимальной глубине D_max в резервуаре печи. Под максимальной глубиной D_max ванны понимается такая максимальная глубина ванны, которая используется в печной установке при работе в нормальном режиме. Обычно в печи для плавления и выдерживания алюминия максимальная глубина ванны составляет менее 1 м, наиболее часто в этих печах максимальная глубина D_max лежит в пределах 0,3-0,9 м.

Электрические токи, текущие в боковой мешалке 4, генерируют в расплавленном металле 25 электромагнитное поле, которое стремится создать в металле направленные вертикально электрические токи, отклоняющиеся у верхней поверхности расплавленного металла и у днища резервуара. Для достижения эффективного перемешивания, иллюстрируемого показанными на фиг. 2a, 2b, 2c, 3a и 3b циркуляционными потоками 250, 251, 252, 253, 350, 351, 352, железные сердечники в боковых мешалках 4, 24, 24a, 24b, 24c, 34, 34a и 34b расположены так, что их вертикальная протяженность H превышает расстояние d_w от железного сердечника до расплавленного металла. В одном варианте осуществления изобретения величина H находится в пределах от d_w до 3d_w, предпочтительно от 1,5d_w до 3d_w. Расстояние d_w между железным сердечником и расплавленным металлом определяется, не говоря о других факторах, толщиной облицовки и, таким образом, зависит от параметров, не имеющих отношения к настоящему изобретению, например от свойств расплавленного металла и от выбора облицовочного материала. Для обеспечения более эффективного перемешивания расплавленного металла, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, боковые мешалки 4, 24, 24а, 24b, 24c, 34, 34a и 34b установлены прямо, под углом или изогнуты, и могут быть выполнены в соответствии с наружной формой резервуара печи, обеспечивая, помимо прочего, минимальное расстояние d_w между железным сердечником и расплавленным металлом.

В некоторых вариантах осуществления изобретения для улучшения перемешивания боковые мешалки 4, 24, 24а, 24b, 24c, 34, 34a и 34b выполнены с возможностью приложения к расплавленному металлу магнитного поля с частотой от 0,2 до 2,0 Гц, в предпочтительном варианте - с частотой от 0,4 до 1,6 Гц.

Поскольку поток в расплавленном металле 25 является инерционным, дополнительное повышение эффективности перемешивания достигается тем, что боковые мешалки 4, 24, 24а, 24b, 24c, 34, 34a и 34b выполнены с возможностью периодического изменения направления создаваемого ими поля на обратное и соответственно направления перемешивания, показанного стрелками 250, 251, 252, 253, 350, 351, 352. Наивысшая эффективность перемешивания достигается, когда боковые мешалки 4, 24, 24а, 24b, 24c, 34, 34a и 34b выполнены с возможностью изменения интенсивности и направления создаваемого ими поля так, что направление поля изменяется на обратное по существу в тот момент времени, когда расплавленный металл имеет максимальную скорость вращения в одном направлении. На практике направление перемешивания изменяется по истечении периода времени, необходимого для достижения расплавленным металлом 25 максимальной скорости вращения в одном направлении. Длительность этого периода времени между моментами изменения направления можно определить предварительно по известным параметрам печной установки, таким как геометрия резервуара печи, масса расплавленного металла и характеристики магнитного поля.

Для лучшего воздействия магнитного поля на расплавленный металл 25 стенка 21 резервуара печи вблизи боковой мешалки 4, 24, 24а, 24b, 24c, 34, 34a и 34b выполнена так, что по меньшей мере те составляющие напряженности магнитного поля в создаваемом мешалкой поле, благодаря которым происходит желательное перемешивание расплавленного металла 25, могут проходить через стенку 21 с малыми потерями и малым затуханием. В одном из вариантов осуществления изобретения это достигается путем выполнения стенки 21 резервуара, расположенной вблизи боковой мешалки 4, 24, 24а, 24b, 24c, 34, 34a и 34b, из немагнитного материала 210. Соответственно, в печной установке, показанной на фиг. 1, в металлической оболочке резервуара вблизи боковой мешалки 4, 24, 24а, 24b, 24c, 34, 34a и 34b предусмотрено окно 210 из немагнитной нержавеющей стали.

Изобретение относится к печным установкам для расплавления и выдерживания расплава металла, в частности Al. Печная установка содержит по меньшей мере один резервуар печи с боковыми стенками и днищем и по меньшей мере один источник тепла для нагревания находящегося в резервуаре расплавленного металла и/или твердого металла посредством излучения и конвекции. В стенке резервуара или около нее установлена по меньшей мере одна боковая двухфазная или многофазная электромагнитная мешалка для приложения поля через эту стенку к расплавленному металлу. Боковая мешалка содержит по меньшей мере две фазные обмотки, расположенные вокруг железного сердечника, вертикальная протяженность Н которого по существу перекрывает зону D_max между днищем и верхней поверхностью расплавленного металла при максимальной глубине ванны, используемой в резервуаре печи. Боковая мешалка выполнена с полюсным шагом τ, превышающим в два раза расстояние от железного сердечника до расплавленного металла, т.е. τ>2d_w. Установка позволяет снизить потери металла и повысить коэффициент использования энергии и производительность печной установки. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Печная установка, содержащая по меньшей мере один резервуар (2) печи для помещения в него расплавленного и твердого металла, имеющий боковые стенки (21) и днище (22), по меньшей мере один нагреватель (31) для нагревания расплавленного металла и/или твердого металла, находящегося в резервуаре печи, посредством излучения и конвекции и по меньшей мере одну двухфазную или многофазную электромагнитную боковую мешалку (4, 24, 24a, 24b, 24c, 34, 34a, 34b), установленную в стенке (21) резервуара печи или вблизи этой стенки, для приложения через эту стенку поля к находящемуся в резервуаре печи расплавленному металлу, отличающаяся тем, что электромагнитная боковая мешалка содержит по меньшей мере две фазные обмотки, расположенные вокруг железного сердечника, имеющего вертикальную протяженность H, по существу перекрывающую зону D_max между днищем и верхней поверхностью расплавленного металла при максимальной глубине ванны, используемой в резервуаре печи, при этом боковая мешалка выполнена с полюсным шагом τ, превышающим в два раза расстояние от железного сердечника до расплавленного металла, т.е. τ > 2d_W. 2. Печная установка по п.1, отличающаяся тем, что железный сердечник имеет вертикальную протяженность H, равную расстоянию от него до расплавленного металла, умноженному на коэффициент, лежащий в пределах от 1 до 3, т.е. d_W < H < 3d_W. 3. Печная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что боковые мешалки (4, 24, 24a, 24b, 24c, 34, 34a, 34b) выполнены с полюсным шагом τ, равным расстоянию от железного сердечника до расплавленного металла, умноженному на коэффициент, лежащий в пределах от 2,5 до 5, т.е. 2,5d_W < τ < 5d_W. 4. Печная установка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что боковые мешалки (4, 24, 24a, 24b, 24c, 34, 34a, 34b) выполнены с возможностью приложения к расплавленному металлу переменного магнитного поля с частотой от 0,25 до 2,0 Гц. 5. Печная установка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что боковые мешалки (4, 24, 24a, 24b, 24c, 34, 34a, 34b) выполнены с возможностью приложения к расплавленному металлу магнитного поля с периодически изменяющимся направлением. 6. Печная установка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что стенки (21) резервуара печи вблизи боковых мешалок (4, 24, 24a, 24b, 24c, 34, 34a, 34b) выполнены так, что по меньшей мере те составляющие напряженности магнитного поля в создаваемом мешалками поле, приложенном к расплавленному металлу, которые вызывают желательную циркуляцию расплавленного металла, проходят через стенку с малыми потерями и малым затуханием. 7. Печная установка по п.6, отличающаяся тем, что стенки резервуара печи вблизи боковых мешалок (4, 24, 24a, 24b, 24c, 34, 34a, 34b) выполнены из немагнитного материала (210). 8. Печная установка по п.6, отличающаяся тем, что стенки (21) резервуара печи имеют слой магнитного материала, а по меньшей мере одна катушка, питаемая постоянным током, или по меньшей мере один постоянный магнит выполнены с возможностью воздействия на магнитный материал в стенке постоянным магнитным полем с достижением на участке указанной стенки анизотропного магнитного насыщения в направлении насыщения, ориентированном по существу в плоскости стенки параллельно желательному направлению перемешивания, в результате чего низкочастотное бегущее магнитное поле, имеющее составляющие напряженности магнитного поля, ориентированные в плоскости, параллельной указанному направлению насыщения и перпендикулярной к плоскости стенки, проходит через насыщенный участок стенки с малыми потерями и малым затуханием и генерирует в алюминиевом расплаве переменное магнитное поле, составляющие которого направлены по существу параллельно направлению насыщения и перпендикулярно к нему.