ИНДУКЦИОННАЯ КАНАЛЬНАЯ ПЕЧЬ Российский патент 2002 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 ИКП [1], содержащая ванну и расположенную под ней сдвоенную индукционную единицу (ИЕ), выполненную в виде каналов, охваченных индукторами с магнитопроводами. Однако данная конструкция имеет несимметрию активной мощности по каналам, достигающую 15-30% при угле сдвига фаз между питающими напряжениями ϕ, отличном от 0 и 180 эл. град, и недостаточный тепло- и массоперенос из каналов в ванну печи.

Известна ИКП [2], 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, 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.

Известна ИКП [3], принятая за прототип, 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 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 менее 90^o, в которой 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.

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

Задача изобретения состоит в создании индукционной канальной печи с более высоким тепло- и массопереносом из каналов в ванну печи путем усиления однонаправленного движения металла в каналах ИКП.

Сущность изобретения заключается в том, что ИКП содержит ванну, ограниченную огнеупорными стенками, и индукционную единицу с подовым огнеупорным блоком с горизонтальными отверстиями в нем и двумя магнитопроводами, охваченными цилиндрическими индукторами, помещенными в горизонтальные отверстия и подключенными к электросети с углом сдвига фаз между питающими напряжениями ϕ= 0-180 эл. град, при этом между горизонтальными отверстиями выполнен центральный канал с вертикальными стенками, центральный канал соединен с двумя боковыми каналами, выполненными коаксиально индукторам в нижней части и расширяющимися в верхней части индуктора, стенки боковых каналов в верхней части образуют с вертикальными стенками центрального канала треугольные выступы с углом менее 90^o, боковые каналы смещены относительно друг друга в горизонтальной плоскости, а центральный канал выполнен шириной, равной двойной ширине бокового канала, причем в треугольных выступах вдоль боковых каналов выполнены горизонтальные срезы толщиной, равной 1/5 толщины бокового канала. Стенки боковых каналов в верхней части до сопряжения с горизонтальной поверхностью среза выполнены коаксиально, а срезы в треугольных выступах выполнены с внешней стороны каждого бокового канала.

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 массопереноса возможности для повышения подводимой к печи активной мощности, а следовательно, и производительности печи.

На фиг.1 и 2 схематически изображена ИЕ двухиндукторной ИКП в разрезе и в плане; на фиг.3 - выполнение верхней части подового огнеупорного блока в виде треугольных выступов; на фиг.4 - а, б распределение токовых линий в зоне выступов со срезами, расположенными на внешних сторонах боковых каналов (разрез в плане) и эпюры электромагнитных сил при перетекании тока из одного канала ИЕ в другой; на фиг.5 - распределение токовых линий и эпюра ЭМС в зоне перехода донного канала в центральный.

ИЕ (фиг. 1 и 2) содержит два магнитопровода - 1, индукционные катушки - 2, футеровку подового камня - 3 и шахты - 4, боковой - 5 и центральный каналы - 6, треугольные выступы - 7 и обращенные к ванне вертикальные срезы - 8 на треугольных выступах - 7.

Предлагаемая ИКП работает следующим образом.

Геометрическая форма каналов ИЕ и схема электропитания печи в режиме плавления и доводки расплава до заданной температуры (слива из печи) создают движение металла по каналам и ванне 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, где происходит плавление шихты.

Верхняя часть подового огнеупорного блока, выполненная в виде вертикальных выступов каждого бокового канала, обеспечивает дополнительный излом токовых линий в горизонтальной плоскости протяженностью, равной двойной ширине бокового канала (фиг.3, фиг.4 - а, б), при угле ϕ = 0^°, а также в горизонтальной и вертикальной - при угле ϕ = 60^°. При угле ϕ = 60^° от каждого выступа со срезом образуются осевые компоненты скорости, возникающие от равнодействующих ЭМС, образующихся при искривлении токовых линий под углом 90^o - при срезах каждого бокового канала и 60-70^o - при выступе. При электропитании с углом ϕ, 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. Однако при геометрической форме выступов со срезами, расположенными на внешних боковых сторонах вертикальных выступов каждого бокового канала, обеспечивается значительный по протяженности дополнительный излом токовых линий в горизонтальной плоскости протяженностью, несколько меньшей, чем двойная ширина бокового канала, а не равная двойной ширине бокового канала, как ошибочно указано в прототипе. В этом случае на этом дополнительном изломе токовых линий возникает равнодействующая ЭМС, направленная в сторону ванны печи и в значительной мере усиливающая насосный эффект "напорного" устья центрального канала. При этом в зоне срезов, расположенных на внешних боковых сторонах вертикальных выступов каждого бокового канала, из-за скин-эффекта и искривления линий тока резко возрастает его плотность, усиливая его осевую компоненту скорости, направленную в ванну печи. Распределение токовых линий и эпюры ЭМС от токовых линий между срезами на внешних боковых сторонах вертикальных выступов каждого бокового канала показано на фиг.4-а, б.

В зоне искривления токовых линий в донной части каналов при протекании электрического тока из канала одного индуктора в другой имеет место струйное растекание жидкого металла (так же, как и тока) от локальной точки А (см. фиг. 5) в увеличенный в два раза центральной канал с резко пониженным электромагнитным давлением, при этом возникает мощная равнодействующая ЭМС, направленная вдоль центрального канала в ванну печи.

Таким образом, можно рассматривать как бы две ступени, организующие "напорный" эффект в центральном канале ИЕ:
- зона искривления токовых линий в донной части каналов при протекании электрического тока из канала одного индуктора в другой;
- зона искривления токовых линий на срезах, расположенных с внешней стороны каждого бокового канала (максимальный эффект).

Выбор толщины срезов в треугольных выступах, расположенных с внешней стороны каждого бокового канала, равной 1/5 толщины канала, обеспечивает максимальный эффект стягивания тока одного канала в другой при электропитании со сдвигом фаз ϕ, равным как 0 эл. град, так и 60 эл. град, а от максимально возможной протяженности токовых линий при их дополнительных изломах возникает равнодействующая ЭМС, направленная в сторону ванны печи и в значительной мере усиливающая насосный эффект "напорного" устья центрального канала.

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, превышающей 1/5 толщины канала, большая часть тока пойдет через срезы расположенных на внешних боковых сторонах вертикальных выступов каждого бокового канала треугольной формы (угол 90^o), в значительной мере снижая насосный эффект "напорного" устья центрального канала от равнодействующей ЭМС, направленной в сторону ванны печи, от сокращения протяженности токовых линий при их дополнительных изломах от протекания электрического тока из канала одного индуктора в другой.

На опытных двухиндукторных печах проведены исследования по влиянию конфигурации канальной части ИЕ на интенсивность тепло- и массообмена в печи, которая оценивалась по высоте гидродинамического возмущения поверхности "зеркала" ванны. Установлено, что геометрическая форма каналов ИЕ имеет максимально возможную для данного типа ИКП скорость движения металла в каналах примерно 1,0 м/с.

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

Литература
1. Авт. свид. СССР 930757, кл. 05 В 6/16, 1980 г.

2. Авт. свид. СССР 760492, кл. F 27 D 11/06, 1978 г.

3. Патент RU 2083938 С1, кл. 6 F D 11/06, F 27 B 14/08.

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкциям индукционных канальных печей для плавки алюминиевых, медных, цинковых сплавов и др. Печь содержит ванну, ограниченную огнеупорными стенками, и индукционную единицу с подовым огнеупорным блоком с горизонтальными отверстиями и двумя магнитопроводами. Между горизонтальными отверстиями выполнен центральный канал с вертикальными стенками. Центральный канал соединен с двумя боковыми каналами, выполненными коаксиально индукторам в нижней части и расширяющимися в верхней части индуктора. Стенки боковых каналов в верхней части образуют с вертикальными стенками центрального канала треугольные выступы с углом менее 90^o. Боковые каналы смещены относительно друг друга в горизонтальной плоскости. Центральный канал выполнен шириной, равной двойной ширине бокового канала. В треугольных выступах вдоль боковых каналов выполнены горизонтальные срезы толщиной, равной 1/5 толщины бокового канала. Стенки боковых каналов в верхней части до сопряжения с горизонтальной поверхностью среза выполнены коаксиально. Срезы в треугольных выступах выполнены с внешней стороны каждого бокового канала. Создана индукционная канальная печь с высоким тепло- и массопереносом из каналов в ванну печи путем усиления однонаправленного движения металла в каналах печи. 5 ил.

Индукционная канальная печь, содержащая ванну, ограниченную огнеупорными стенками, и индукционную единицу с подовым огнеупорным блоком с горизонтальными отверстиями в нем и двумя магнитопроводами, охваченными цилиндрическими индукторами, помещенными в горизонтальные отверстия и подключенными к электросети с углом сдвига фаз между питающими напряжениями ϕ = 0-180 эл. град, при этом между горизонтальными отверстиями выполнен центральный канал с вертикальными стенками, центральный канал соединен с двумя боковыми каналами, выполненными коаксиально индукторам в нижней части и расширяющимися - в верхней части индуктора, стенки боковых каналов в верхней части образуют с вертикальными стенками центрального канала треугольные выступы с углом меньше 90^o, боковые каналы смещены относительно друг друга в горизонтальной плоскости, а центральный канал выполнен шириной, равной двойной ширине бокового канала, причем в треугольных выступах вдоль боковых каналов выполнены горизонтальные срезы толщиной, равной 1/5 толщины бокового канала, отличающаяся тем, что стенки боковых каналов в верхней части до сопряжения с горизонтальной поверхностью среза выполнены коаксиально, а срезы в треугольных выступах выполнены с внешней стороны каждого бокового канала.