СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ПОТОКА И ЗАМЕДЛЕНИЯ ПОТОКА НЕФЕРРОМАГНИТНЫХ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И РАСПЛАВОВ Российский патент 2014 года по МПК C21B7/14 F27D3/15 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу и устройствам управления скоростью потока и замедления потока не обладающих ферромагнитными свойствами электропроводных жидкостей и расплавов с помощью электромагнитных полей при протекании через канал или трубчатый направляющий элемент, в частности, при выпуске из металлургических емкостей, таких как доменные печи и плавильные печи.

Уровень техники

DE 2023901 и DE 2101547 описывают электромагнитный клапан или электромагнитный насос, который окружает наклонно вверх расположенную выпускную трубу, идущий от отверстия в полу резервуара для расплава. Насос состоит из одной или нескольких многофазных электромагнитных катушек, которые создают в потоке расплава, протекающем через выпускную трубу, перемещающееся магнитное поле, направление вращения которого зависит от чередования фаз и которое воздействует на поток расплава в направлении его течения или в противоположном направлении для управления скоростью потока.

Из DE 1949982 и DE 2248052 известен электромагнитный транспортный желоб для удаления жидкого металла из плавильной печи или печи для тепловой выдержки. Этот желоб направлен наклонно вверх и имеет отверстие в нижней части печи. Под корпусом желоба расположен индуктор, образованный, например, статорной обмоткой трехфазного электродвигателя с прямолинейным полем, для создания перемещающегося электромагнитного поля, которое заставляет поток жидкого металла течь в желобе против силы тяжести.

Из уровня техники известны электромагнитные насосы для удаления расплавленного металла из металлургических емкостей по транспортировочным каналам или желобам и управления скоростью потока расплава с использованием перемещающихся электромагнитных полей, создаваемых катушками индуктивности, которые окружают закрытые, например, выполненные в виде трубы, сточные каналы или расположены под открытыми каналами для потоков расплава. Для создания таких перемещающихся электромагнитных полей необходимо сложное расположение нескольких электрических катушек на большой длине сточных каналов или транспортировочных желобов для потоков расплава.

Из DE 2333802 известно электродинамическое дозировочное устройство для расплавленного металла, предназначенное для использования на литейных заводах для выпуска небольшого количества расплава. Силы, которые создаются этим дозировочным устройством в потоке богатых, совершенно не достаточны для того, чтобы замедлить или даже остановить поток расплава канала в выпускном канале доменной печи.

DE 1949053 раскрывает электромагнитный клапан для управления скоростью и направлением потока расплава металла или металлического сплава в канале трубчатой формы. Принцип действия клапана основан на том, что поток расплава в канале проводит внешний электрический ток, и на поток расплава одновременно действует внешнее магнитное поле, таким образом, что в потоке расплава возникают силы, направление которых совпадает с направлением потока расплава или является противоположным ему. Этот электромагнитный дозировочный клапан предназначен только для индукционных каналов кольцевых печей, сточных каналов плавильных печей и заливочных ковшей. Другой недостаток этого дозировочного клапана состоит в необходимости создания электрического тока в потоке расплава с помощью электродов, которые находятся в непосредственном контакте с расплавом и, следовательно, подвержены значительному износу.

Из DE 69419598 Т2 известен способ выпуска для доменных печей, в котором используется труба, соединенная с внешней стороной выпускного отверстия. На ее внешней оболочке установлены электромагнитные катушки для создания переменного магнитного поля, воздействующего на протекающий в трубе поток расплава чугуна и шлаков. Данное устройство решает две задачи:

1. Путем создания с помощью электромагнитных катушек вращающегося поля (как в трехфазном электродвигателе) поток расплава в выпускном канале доменной печи приводится во вращательное движение, благодаря которому происходит разделение чугуна и шлаков по принципу центрифуги. Недостатком такого решения является сочетание обычной скорости потока и скорости вращения потока расплава, что приводит к увеличению износа выпускного канала, поскольку на него действуют и усилия, связанные с повышенной скоростью потока расплава, и центробежная сила. Замедление и остановка потока расплава невозможны.

2. В направлении центральной оси выпускного канала должна действовать сила для разделения чугуна и шлака. Кроме того, поток чугуна тормозится из-за сужения поперечного сечения выпускного канала, вызванного потоком шлака во внешней части сечения выпускного канала. Недостатком такого решения является, помимо низкой эффективности, то, что магнитное поле, по существу, воздействует только на наружный слой потока чугуна и шлака, а проникновение магнитного поля во внутреннюю часть потока, в частности в центральную его часть, оказывается слабым. По гидродинамическим причинам скорость и давления потока расплава и шлака выше всего в центральной области. Замедление потока осуществляется только косвенно, вследствие сужения канала для протекания расплавленного чугуна. Такое замедления не является полным. Полная остановка потока расплава невозможна.

Общим для этих двух решений является то, что они работают только с переменным магнитным полем.

DE 2110401 описывает непрерывное удаление чугуна из доменной печи с помощью магнитного насоса переменного тока, который расположен вокруг сточного канала в форме трубы, следующего по потоку за выпускным каналом. Магнитный насос создает перемещающееся магнитное поле в канале выпуска чугуна. Это поле перемещается по оси в направлении потока или в противоположном направлении. Перемещение магнитного поля оказывает эффект насоса на расплавленный чугун в сточном канале. В зависимости от обстоятельств и требований магнитный насос переменного тока может ускорять поток горячего металла, замедлять или даже останавливать его.

В этом магнитном насосе обмотки катушек индуктивности расположены концентрически вокруг сточного канала. Такая система катушек обеспечивает преимущества при продвижении электропроводных сред благодаря получаемому объемному потоку. Однако она не подходит для управления потоком расплава, поскольку сила магнитного поля, а значит и результирующие силы, оказываются меньше в центре потока, где гидродинамическое давление потока расплава является наибольшим.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к способу и устройствам для управления скоростью потока и для замедления потока расплава с помощью магнитных полей, в частности, при выпуске из металлургических емкостей, таких как доменные и плавильные печи. Причем эти способ и устройства должны быть лишены вышеупомянутых недостатков известных способов и устройств для управления скоростью потока расплава и должны обеспечивать тормозящее воздействие, вызванное магнитными силами, действующее на поток расплава во всем его поперечном сечении потока и способное остановить поток расплава. Для этого должны использоваться только индуцированные вихревые токи, так чтобы работа устройства была полностью бесконтактной, без использования подверженных износу контактов.

Эта задача решается согласно настоящему изобретению: способу в соответствии с п.1, способу в соответствии с п.3, устройству в соответствии с п.12 и устройству в соответствии с п.24 формулы изобретения.

Зависимые пункты содержат признаки предпочтительных и целесообразных вариантов воплощения способа согласно пп.1 и 3 и устройства согласно пп.12 и 24 формулы изобретения.

Согласно изобретению первый способ управления скоростью потока и замедления потока неферромагнитных электропроводных жидкостей и расплавов с помощью магнитных полей при протекании в выполненном в виде канала или трубы направляющем элементе, в частности, при выпуске из металлургических емкостей, таких как доменные или плавильные печи, отличается тем, что жидкость или расплав течет по закрытому направляющему элементу и на него воздействует, по меньшей мере, одно стационарное магнитное поле с постоянной полярностью, таким образом, силовые линии магнитного поля проникают в поток расплава по всему его поперечному сечению, в магнитном поле создаются направленные под прямым углом линии напряженности, величина которых пропорциональна локальной скорости потока расплава и локальной силе магнитного поля, напряжение в поперечном сечении потока расплава создает вихревые токи разной силы, имеющие радиальное и осевое направление относительно направления потока расплава, причем в результате взаимодействия магнитного поля и вихревых токов создаются разные по величине силы, которые влияют на скорость потока расплава, а с ростом напряженности магнитного поля профиль потока расплава становится более равномерным, и поток замедляется.

Согласно изобретению второй способ управления скоростью потока и замедления потока неферромагнитных электропроводных жидкостей и расплавов с помощью магнитных полей при протекании в выполненном в виде канала или трубы направляющем элементе, в частности, при выпуске из металлургических емкостей, таких как доменные печи и плавильные печи, отличается тем, что жидкость или расплав течет по закрытому направляющему элементу и на него воздействует стационарное переменное магнитное поле или многополюсное переменное электромагнитное поле с переменной полярностью, таким образом, силовые линии магнитного поля проникают в поток расплава по всему его поперечному сечению, в потоке индуцируется напряжение, в результате чего в потоке расплава образуются направленные по оси потока расплава вихревые токи, а благодаря взаимодействию между магнитными полями и вихревыми токами возникают силы, способные увеличивать, уменьшать скорость потока расплава или останавливать его.

В первом способе в области потока расплава с наибольшей скоростью, в частности в центральной части потока расплава, создаются самые большие силы, действующие на поток расплава.

В результате взаимодействия электромагнитного поля с постоянной полярностью, переменного магнитного поля и перемещающегося электромагнитного поля с вихревыми токами создается сила, которая снижает скорость потока расплава при одновременном уменьшении турбулентности в результате повышенной магнитной вязкости расплава.

В результате взаимодействия переменного магнитного поля или переменных магнитных полей и вихревых токов в потоке расплава создается противоположно направленная потоку сила, способная уменьшить скорость потока или даже остановить его. В результате взаимодействия перемещающихся электромагнитных полей и вихревых токов поток расплава может быть остановлен и направление потока может быть изменено на противоположное.

Изменяя магнитное поле с постоянной полярностью на переменное магнитное поле и перемещающееся электромагнитное поле достигают увеличения или уменьшения действующих на поток расплава сил.

Частота переменного электромагнитного поля и перемещающегося магнитного поля, а также частота создающего данные магнитные поля электрического тока может изменяться и согласовываться в зависимости от конкретных условий.

В случае магнитного поля с постоянной полярностью и перемещающегося магнитного поля магнитный поток в замкнутом магнитном контуре в области входа потока расплава в магнитное поле и выхода потока расплава из магнитного поля противоположен направлению потока расплава и тормозит его. Таким образом, достигается дополнительное действие на поток расплава.

Замедляющее поток расплава воздействие может дополнительно увеличиваться путем последовательной установки нескольких замкнутых магнитных контуров с двойным использованием магнитного потока магнитного поля с постоянной полярностью.

В потоке расплава в выпускных каналах доменных печей или других потоках расплава, в которых присутствует расплавленный металл и шлак, действие магнитного поля с неизменной полярностью, переменного магнитного поля и перемещающихся электромагнитных полей на расплавленный металл и шлак оказывается очень различным. Таким образом, указанное различное воздействие может использоваться для разделения жидкого металла и шлака.

Краткое описание графических материалов

Далее будут описаны устройства для управления скоростью потока и замедления потока расплава, действующие в соответствии с описанными выше способами и используемые, в частности, при выпуске из доменных печей, со ссылкой на схематические чертежи, где:

На Фиг.1 приведен вид в перспективе устройства управления с использованием магнитного поля постоянной полярности для управления скоростью потока и для замедления потока расплава.

На Фиг.2а изображено продольное сечение направляющей трубы устройства управления с профилем скоростью потока расплава.

На Фиг.2b изображено поперечное сечение направляющей трубы устройства управления с линиями магнитного поля, проходящими в поперечном направлении через поток расплава.

На Фиг.2с изображено поперечное сечение направляющей трубы устройства управления с индуцированным магнитным полем в потоке расплава разным напряжением.

На Фиг.2d изображено поперечное сечение направляющей трубы устройства управления с создаваемыми в потоке расплава радиальными вихревыми токами.

На Фиг.2е изображено продольное сечение направляющей трубы устройства управления с силами Лоренца, возникающими в результате радиальных вихревых токов и магнитных полей и выравнивающими профиль скорости потока расплава.

На Фиг.2f изображено поперечное сечение направляющей трубы устройства управления с линиями радиальных вихревых токов в потоке расплава и стенкой направляющей трубы.

На Фиг.3а изображено продольное сечение направляющей трубы устройства управления по линии А-А на Фиг.1 с создаваемым устройством управления магнитным полем.

На Фиг.3b изображено продольное сечение направляющей трубы устройства управления по линии А-А на Фиг.1 с индуцированным магнитным полем в потоке расплава напряжением.

На Фиг.3с изображено продольное сечение направляющей трубы устройства управления по линии А-А на Фиг.1 с создаваемыми в потоке расплава осевыми вихревыми токами.

На Фиг.3d изображено продольное сечение направляющей трубы устройства управления с линиями осевых вихревых токов в потоке расплава и стенкой направляющей трубы.

На Фиг.4 изображено поперечное сечение направляющей трубы устройства управления, оснащенной каналами охлаждения.

На Фиг.5 изображен другой вариант изготовления устройства управления с использованием магнитного поля с постоянной полярностью.

На Фиг.6 схематически изображено устройство управления с использованием двух последовательно действующих магнитных полей с постоянной полярностью.

На Фиг.7а изображено продольное сечение устройства управления по линии В-В на Фиг.6 с создаваемым осевым полем вихревых токов.

На Фиг.7b изображено устройство управления по Фиг.6 с создаваемым радиальным полем вихревых токов.

На Фиг.8 схематически изображено устройство управления с использованием переменного магнитного поля.

На Фиг.9 схематически изображен один полюс магнитного сердечника устройства управления и катушка индуктивности из сверхпроводящего материала.

На Фиг.10 и 11 показано расположение устройства для управления скоростью потока и замедления потока расплава перед выходным отверстием выпускного канала доменной печи.

На Фиг.12а и 12b изображена задвижка для закрытия выходного отверстия выпускного канала доменной печи в открытом и закрытом положении.

На Фиг.13а и 13b изображен поворотный клапан для закрытия выходного отверстия выпускного канала доменной печи в открытом и закрытом положении.

На Фиг.14 изображен образованный внешней трубой и внутренней трубой выпускной канал.

На Фиг.15 показан выпускной канал, образованный внешней и внутренней трубой, оснащенный комбинированной системой нагрева и охлаждения.

На Фиг.16 схематически изображено устройство управления с использованием перемещающегося электромагнитного поля.

На Фиг.17 изображен практический вариант осуществления устройства управления согласно Фиг.16.

На Фиг.18а и 18b показан график результирующей плотности магнитного потока перемещающегося магнитного поля для двух различных моментов времени при использовании устройства управления согласно Фиг.16 и 17 с трехфазной системой катушек индуктивности.

Осуществление изобретения

Устройство управления 1 в соответствии с Фиг.1, которое предпочтительно используется при выпуске из доменных печей для управления скоростью потока и замедления потока расплава 2 с помощью стационарного магнитного поля 3 с постоянной полярностью, имеет сердечник 4 из ферромагнитного материала, ярмо 5 с двумя полюсами 6, 7, которые образуют зазор 8, в который помещают направляющий элемент 9 в виде трубы 10 из электропроводного материала, например меди, для прохождения потока расплава 2.

Ламинарное течение расплава 2 в направляющей трубе 10 имеет изображенный на Фиг.2а профиль скорости 11.

На ярме 5 установлены две индукционных катушки 12, 13, через которые протекает постоянный ток, для создания магнитного поля 3 постоянной полярности между двумя полюсами 6, 7, которое характеризуется силовыми линиями 14, проходящими через все поперечное сечение потока расплава 2, как показано на Фиг.2b.

На Фиг.2с показано, что на основе профиля скорости 11 потока расплава 2 в сочетании со стационарным магнитным полем 3 постоянной полярности в зависимости от локальной скорости потока расплава 2 индуцируются различные по величине напряжения 15 под прямым углом к силовым линиям 14 магнитного поля 3 в потоке расплава 2, которые уменьшаются в стационарном граничном слое потока расплава до нуля.

Для компенсации разности потенциалов вихревые токи 16, 17 радиально протекают в потоке расплава 2, как показано на Фиг.2d. Кроме того, протекают осевые по направлению потока расплава 2 вихревые токи, как описано ниже.

В результате взаимодействия магнитного поля 3 и радиальных вихревых токов 16, 17 в потоке расплава 2 возникают так называемые силы Лоренца 18, которые противоположны направлению а потока расплава 2. Вследствие этого профиль скорости 11 потока расплава 2 выравнивается с полным подавлением турбулентности и замедляется, как показано на Фиг.2е.

Согласно Фиг.2f сила радиальных вихревых токов 16, 17 значительно увеличивается за счет использования электропроводного материала, например меди, для изготовления направляющей трубы 10 устройства управления 1, поскольку в этом случае вихревые токи протекают не только через поток расплава 2, но и стенки направляющей трубы 10. Таким образом, замедляющее воздействие на поток расплава 2 усиливается.

На продольном сечении направляющей трубы 10 устройства управления 1 согласно Фиг.3а по линии А-А на Фиг.1 показаны силовые линии 14 магнитного поля 3, проходящие поперек потока расплава 2 и в направлении а потока расплава, и магнитное поле простирается в направлении а потока расплава 2 и в поперечном направлении.

Как показано на Фиг.3а, поток расплава 2 входит в магнитное поле 3 в области 19 и выходит из него в области 20. При вхождении в магнитное поле 3 в потоке расплава 2 в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля 14, индуцируемый показанное на Фиг.3b напряжение 21, которое по закону Ленца создает вихревые токи 22 (Фиг.3с), уравновешивающие разность потенциалов в потоке расплава 2. Вихревые токи 22 протекают аксиально по направлению а потока расплава 2 вне пределов магнитного поля 3.

В результате взаимодействия магнитного поля 3 и вихревых токов 22 в потоке расплава 2 возникают силы Лоренца 23, которые противоположны направлению а потока расплава 2 и, таким образом, замедляют течение расплава 2, уменьшая скорость потока.

В области выхода 20 из магнитного поля 3 в потоке расплава 2 образуются вихревые токи 24, которые в результате взаимодействия с магнитным полем 3 также создают силы Лоренца 5, направление которых также противоположно направлению а потока расплава 2 и которые оказывают дополнительное замедляющее воздействие на поток, дополняющее действие сил Лоренца 23 в области входа 19 потока расплава в магнитное поле 3.

В результате взаимодействия радиальных вихревых токов 16, 17 и аксиальных вихревых токов 22, 24 с магнитным полем 3 возникают силы Лоренца 18, 23, 25, которые оказывают большее замедляющее действие на поток расплава 2.

Согласно Фиг.3d сила аксиальных вихревых токов 22, 24 значительно увеличивается за счет использования электропроводного материала, например меди, для изготовления направляющей трубы 10 устройства управления 1, поскольку в этом случае вихревые токи протекают не только через поток расплава 2, но и стенки направляющей трубы 10. Таким образом, замедляющее воздействие на поток расплава 2 усиливается.

На Фиг.4 изображена направляющая труба 10 устройства управления 1, выполненная из электропроводного материала, такого как медь, с охлаждающими каналами 26, по которым протекает хладагент для защиты направляющей трубы от воздействия потока жидкого расплава 2.

В результате охлаждения на внутренней стене 10а направляющей трубы 10 образуется слой затвердевшего расплава 27 из расплава 2, который выполняет функцию защитного слоя, предотвращающего износ направляющей трубы 10. Если в процессе работы этот слой расплава уменьшается по толщине, можно усилить охлаждающее воздействие на расплав с целью его затвердевания и восстановления защитного слоя в этой области. Таким образом, предотвращается износ внутренней стены 10а направляющей трубы 10 под действием потока расплава 2.

Благодаря способу и устройству для управления скоростью потока и замедления потока расплава можно продлевать процесс выпуска в доменных печах и уменьшать скорость потока расплава таким образом, чтобы обеспечить возможность постоянного выпуска, в результате чего можно будет полностью отказаться от операций закупоривания и последующего открытия выпускного канала.

Поскольку тормозящее воздействие силы Лоренца пропорционально скорости потока расплава, турбулентность, вызывающая локальное увеличение скорости, уменьшается в выходящем потоке расплава.

Для усиления влияния магнитных полей на поток расплава и оптимизации эффективности устройства управления геометрические размеры компонентов системы управления должны удовлетворять следующим требованиям:

Зазор между направляющей трубой 10 для потока расплава 2 и краями полюсов 6, 7 должен быть как можно меньшим. Толщина стенки трубы 10 должна отвечать требованиям безопасности, применяемым в отношении потока горячего расплава 2. Если новый способ для управления скоростью потока и замедлением потока расплава с помощью магнитных полей при выпуске из доменных печей используется в сочетании с обычными способами управления выпуском из доменной печи, расстояние между краями полюсов 6, 7 и диаметр направляющей трубы 10 должны выбираться таким образом, чтобы между полюсами 6, 7 магнитного сердечника или ярма 5 в находящуюся в зазоре 8 направляющую трубу могли поместиться инструменты укупоривающей машины, а также сверло и штанга для открытия выпускного канала.

На Фиг.5 показан другой вариант 28 устройства управления для создания электромагнитных полей с постоянной полярностью, в котором сердечник 4 служит для усиления магнитного поля 3, имеет двойное ярмо 29 с ярмом 5 и ярмом 5а, на которых расположены четыре индукционные катушки 12, 13, 30, 31.

На Фиг.6 изображено устройство управления 32 с последовательным расположением двух электромагнитных полей 3, 3а постоянной полярности. На Фиг.7а изображен продольный разрез вдоль линии В-В на Фиг.6 и осевые поля вихревого тока 33 со значительно большей силой тока, которая дополняется изображенными на Фиг.7b радиальными полями вихревого тока 34, 35. Таким образом, достигается значительное увеличение общей эффективности устройства для замедления потока расплава.

На Фиг.8 изображено устройство 36 для управления скоростью потока, замедления и остановки потока расплава 2, а также для изменения направления потока расплава 2, в котором между двумя полюсами 6а, 7а действует переменное электромагнитное поле 3b, которое образуется в результате действия расположенных на полюсах 6а, 7а катушек индуктивности (не показаны), по которым протекает переменный ток. В области воздействия переменного магнитного поля 3b на поток расплава 2 индуцируются вихревые токи 37, 38, которые в результате взаимодействия с переменным магнитным полем 3b приводят к появлению противоположно направленных сил Лоренца 39, 40.

Конструкция устройства управления 36 с использованием переменного магнитного поля 3b на Фиг.8 соответствует конструкции устройства управления 1 с использованием магнитного поля постоянной полярности 3 в соответствии с Фиг.1.

Под действием переменных магнитных полей на поток расплава можно получать различные вихревые токи и силы Лоренца путем изменения частоты этих полей и силы тока, адаптируя конструкцию к различным условиям.

Индукционные катушки могут быть выполнены из сверхпроводящего материала. Преимущество сверхпроводника состоит в том, что он проводит электричество без потерь. Это дает возможность использования очень высокой плотности тока в ограниченном пространстве, так что очень сильные магнитные поля могут быть получены при низком потреблении энергии, низкой стоимости и рациональном использовании пространства.

На Фиг.9 изображена катушка индуктивности 41, выполненная из сверхпроводника и предназначенная для создания магнитных полей в устройстве управления 1. Индукционная катушка 41 установлена на полюсе 7 пары полюсов 6, 7, из которого выходят линии магнитного поля 14 и который изготовлен, предпочтительно, из высокотемпературного сверхпроводящего материала, который проявляет свои сверхпроводящие свойства в более или менее охлажденном состоянии. Индукционная катушка 41 устанавливается в камере 42, состоящей из одного или нескольких слоев обладающего сильными теплоизоляционными свойствами материала 43. Индукционная катушка 41 находится в центре камеры 42 в охлаждающей ванне 44 из сжиженного газа, предпочтительно азота, который охлаждает катушку 41 в результате испарительного охлаждения при температуре кипения, которая должна быть ниже критической температуры сверхпроводящего материала. Из-за потерь на испарение время от времени, в зависимости от расхода в камеру нужно будет добавлять сжиженный газ. С помощью электрических средств коммутации сверхпроводящую катушку при необходимости можно отключать.

На Фиг.10 показано расположение устройства управления 28 для воздействия на поток расплава в выпускном канале 45 доменной печи 46, которое оказывает замедляющее влияние с помощью электромагнитных полей постоянной полярности и находится перед выходным отверстием 47 выпускного канала 45 с выводом выпускного канала в направляющую трубу 10 устройства управления 28. На платформе 48 у внешней стены 49 доменной печи 46 находится выполненный с возможностью перемещения стол 50, на котором располагается устройство управления 28 в закрытом корпусе 51, как показано на Фиг.11. С помощью средств выравнивания 52 корпус 51 устройства управления 28 может быть установлен в положение, при котором ось выпускного канала 45 будет совпадать с осью направляющей трубы 10 устройства управления 28 для прохождения через него потока расплава 2.

При использовании устройства управления 28 вместе с традиционными технологиями для выпускных каналов доменных печей выходное отверстие 47 выпускного канала 45 и входное отверстие 53 направляющей трубы 10 устройства управления 28 для замедления потока расплава 2 герметично соединены между собой, а затем в выпускной канал 45 в стене 54 доменной печи 46 вводят обычные средства бурения через направляющую трубу 10 устройства управления 28.

На Фиг.10 и 11 изображено устройство управления 28, показанное на Фиг.5, в котором для повышения общей эффективности используется двойное ярмо 29 (см. Фиг.5), проводящее магнитный поток, создаваемый четырьмя катушками индуктивности 12, 13, 30, 31, причем оно выполнено в виде корпуса 51, который охватывает все элементы устройства управления. На схематическом чертеже Фиг.11 передняя сторона корпуса 51 удалена.

Свободное пространство 55 между индукционными катушками 12, 13, 30, 31 и направляющей трубкой 10 в корпусе 51 заполняют мелкозернистым текучим материалом, предпочтительно песком, чтобы предотвратить повреждение ярма 5 и ярма 5а двойного ярма 29 и индукционных катушек 12, 13, 30, 31 в случае, если в процессе производства в направляющей трубе 10 появится трещина, и расплав чугуна и шлака попадет в корпус 51.

Песок собирает разлившийся расплав, и он затвердевает. Песок можно высыпать через выпускное отверстие 56 в дне 57 корпуса 51.

На Фиг.12а и 12b изображена механическая задвижка 58, которая согласно Фиг.10 устанавливается между выходным отверстием 47 выпускного канала 45 доменной печи 46 и входным отверстием 53 направляющей трубы 10 устройства 28 для управления скоростью потока и замедление потока расплава 2 в выпускном канале 45. Задвижка 58 выполнена из огнеупорного материала и покрыта с внутренней стороны огнеупорной керамикой, установлена в боковых направляющих 59, 60 и перемещается до упора 61, когда задвижку 58 переводят в закрытое положение. Когда поток расплава 2 в направляющей трубке 10 замедляется под действием магнитного поля или практически замедляется, задвижку 58 закрывают. Таким образом, выходящий под действием внутреннего давления доменной печи 46 из выпускного канала 45 поток расплава 2 после торможения магнитными полями устройства управления 28 может прерываться на длительное время. В случае затвердевания расплава в выпускном канале для возобновления выпуска его можно расплавить с помощью устройств нагревания, показанных на Фиг.14.

На Фиг.13а и 13b изображено закрывающее устройство для прерывания потока расплава 2 в виде поворотного клапана 62, установленного на выпускном канале 45 и покрытого огнеупорным материалом с внутренней стороны. Поворотный клапан 62 в закрытом положении располагается перед выпускным каналом 45 в упорах 63.

Задвижка 58 согласно Фиг.12а, 12b и поворотный клапан 62 согласно Фиг.13а и 13b могут устанавливаться как между выходным отверстием 47 выпускного канала 45 и входным отверстием 53 направляющей трубы 10 устройства управления 28 для управления скоростью потока и замедления потока расплава 2 в выпускном канале 45, так и перед выходным отверстием 64 направляющей трубы 10 устройства управления 28.

На Фиг.14 изображен выпускной канал 45 доменной печи 46, образованный внешней трубой 65 и выполненной с возможностью осевого перемещения внутренней трубой 66, причем внешняя труба 65 прочно соединена с огнеупорной футеровкой 67 доменной печи 46. Обе трубы 65, 66 выполнены из высокопрочных, предпочтительно керамических материалов, а материал внутренней трубы 66 обладает стойкостью к износу, вызываемому потоком чугуна.

Внутренняя труба 66 состоит из трубных секций 68, которые с течением времени и по мере их износа могут заменяться новыми секциями 68а, причем новые секции трубы 68а вдвигаются через выходное отверстие 47 выпускного канала 45 против направления а потока расплава 2 во внешнюю трубу 65, при этом изношенные секции трубы 68b через входное отверстие 69 выпускного канала 45 попадают из внешней трубы 65 в доменную печь 46. Внутренняя секция трубы 68b, через которую поток расплава 2 входит в выпускной канал 45 из доменной печи 46, выступает в определенной степени для защиты внешней трубы 65 и внешней облицовки 67 доменной печи 46 от абразивного износа внутри доменной печи. Такая секция внутренней трубы 68b играет роль так называемого гриба на внутренней стороне футеровки доменной печи при обычном способе выпуска. Временной интервал между вдвиганием новых секций труб 68а выбирается таким образом, чтобы избежать разрушения внутренних участков трубы 68 и, тем самым, исключить контакт расплава или шлака с внешней трубой 65.

Между внешней трубой 65 и секциями внутренней трубы 68 находится слой смазки 70 на минеральной основе, которая не слипается при высоких температурах потока расплава железа и шлаков.

Изображенный на Фиг.15 выпускной канал 45, состоящий из внешней трубы 65 и внутренней трубы 66, оснащен комбинированной системой нагрева и охлаждения, состоящей из, по меньшей мере, одного установленного на внешней трубе 65 полого змеевика 71 из электропроводного материала, предпочтительно меди, причем по змеевику 71 протекает хладагент, вызывающий затвердение расплава в выпускном канале 45 после торможения потока расплава магнитными полями устройства управления 28 для замедления потока расплава, а для возобновления процесса выпуска на змеевик 71 подается высокочастотный переменный ток с высокой силой тока, в результате чего в затвердевшем расплаве возникают сильные вихревые токи, приводящие к его разжижению.

Такая конструкция выпускного канала позволяет использовать ранее считавшийся отрицательным эффект затвердевания расправа и прекращения его потока в выпускном канале для закупоривания выпускного канала, а для возобновления выпуска - использовать сильные вихревые токи, в основном во внешней области затвердевшей пробки из расплава, для расплавления пробки и возобновления процесса выпуска. Плавление начинается на внешней окружности затвердевшей в выпускном канале пробки, и под действием внутреннего давления доменной печи пробка выталкивается из выпускного канала.

Устройство 72 согласно Фиг.16 для управления скоростью потока и для замедления потока неферромагнитного расплава 2 до остановки характеризуется наличием сердечника 73 из ферромагнитного, подавляющего вихревые токи материала, предпочтительно из листовой трансформаторной стали, с несколькими расположенными в ряд парами полюсов 74, которые образуют зазор 75 для установки направляющей трубы 10 для потока расплава 2, тем, что на полюсных наконечниках 76, 77 полюсов 78, 79 пар полюсов 74 расположены индукционные катушки 80, 81 с протекающим трехфазным током L1, L2, L3 для создания биполярного перемещающегося электромагнитного поля с максимальной и минимальной напряженностью при однократном использовании тока каждой фазы.

Недостатком устройства управления согласно фиг.16 является уменьшение амплитуды поля при перемещении от одной пары полюсов к следующей в промежуточных положениях. Для ослабления эффекта уменьшения амплитуды на практике устройство управления 72 (как показано на Фиг.17) имеет увеличенное число пар полюсов 74 при многократном использовании каждой фазы L1, L2, L3 трехфазного тока для создания многополюсного перемещающегося магнитного поля с изображенной на Фиг.18а и 18b плотностью магнитного потока. При этом может использоваться проиллюстрированный на Фиг.6 способ усиления вихревых токов при двойном использовании магнитного потока.

Изобретение относится к способу управления скоростью течения и торможением потока неферромагнитных расплавов с помощью магнитных полей при выпуске из металлургических емкостей, таких как плавильные печи. Способ характеризуется тем, что поток расплава направляют по закрытому направляющему элементу, используя по меньшей мере одно стационарное магнитное поле с постоянной полярностью, по меньшей мере одно стационарное магнитное поле с переменной полярностью или многополюсное перемещающееся магнитное поле. При этом силовые линии магнитного поля в поперечном направлении по всему его сечению создают в магнитном поле напряжения в потоке расплава, в результате чего в потоке расплава образуются вихревые токи, расположенные радиально и аксиально в случае использования стационарного магнитного поля постоянной полярности и аксиально в случае использования стационарного переменного магнитного поля или перемещающегося электромагнитного поля, при этом благодаря взаимодействию между магнитными полями и вихревыми токами возникают силы, которые снижают скорость потока расплава при одновременном уменьшении турбулентности. 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 30 ил.

1. Способ управления скоростью течения и торможением потока неферромагнитных электропроводных расплавов с помощью магнитных полей при выпуске из металлургических емкостей, таких как плавильные печи, отличающийся тем, что поток расплава направляют по выполненному в виде канала или трубы закрытому направляющему элементу через воздействующее на него по меньшей мере одно стационарное магнитное поле с постоянной полярностью с обеспечением проникновения силовых линий магнитного поля в поток расплава в поперечном направлении по всему его сечению, создают в магнитном поле направленные под прямым углом к его линиям напряжения, величина которых пропорциональна локальной скорости течения потока расплава и локальной силе магнитного поля, обеспечивающие создание в сечении потока расплава вихревых токов разной локальной силы, имеющих радиальное и осевое направление относительно направления течения потока расплава, причем благодаря взаимодействию магнитного поля и вихревых токов создают локально разные по величине силы, влияющие на скорость течения потока расплава, при этом с ростом напряженности магнитного поля обеспечивают выравнивание профиля течения и торможение потока расплава, причем поток расплава направляют через направляющий элемент, выполненный из электропроводного материала, обеспечивающего уменьшение электрического сопротивления и обусловленное им усиление вихревых токов и тормозящих сил.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что направляющий элемент охлаждают для образования слоя затвердевшего расплава, защищающего внутреннюю стенку от износа.

3. Способ управления скоростью течения и торможением потока неферромагнитных электропроводных расплавов с помощью магнитных полей при выпуске из металлургических емкостей, таких как плавильные печи, отличающийся тем, что поток расплава направляют по выполненному в виде канала или трубы закрытому направляющему элементу через воздействующее на него стационарное переменное магнитное поле или многополюсное перемещающееся магнитное поле с обеспечением проникновения силовых линий магнитного поля в поток расплава в поперечном направлении по всему его сечению, создают в потоке расплава напряжение, обеспечивающее образование в потоке расплава направленных по оси потока расплава вихревых токов, причем благодаря взаимодействию магнитного поля и вихревых токов создают силы, способные увеличивать и уменьшать скорость течения потока расплава или останавливать его, при этом частоту переменного магнитного поля и перемещающегося магнитного поля, а также частоту электрического тока, создающего переменное магнитное поле и перемещающееся магнитное поле, изменяют в зависимости от конкретных условий.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в области потока расплава с наибольшей скоростью, в частности в центральной части потока расплава, создают самые большие силы, действующие на поток расплава.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что путем изменения частоты трехфазного тока, протекающего в индукционных катушках для создания перемещающегося магнитного поля и обусловленного изменением частоты трехфазного тока, изменения скорости перемещения магнитного поля влияют на создаваемые в потоке расплава вихревые токи и действующие на поток расплава силы.

6. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в результате взаимодействия магнитного поля или, соответственно, магнитных полей с постоянной полярностью с вихревыми токами создают силу, направленную противоположно направлению течения потока расплава, посредством которой уменьшают скорость течения потока расплава при одновременном уменьшении турбулентности.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что в результате взаимодействия переменного магнитного поля или соответственно переменных магнитных полей, а также перемещающегося магнитного поля или соответственно перемещающихся магнитных полей и вихревых токов создают силу, направленную противоположно направлению течения потока расплава, способную уменьшить скорость потока расплава, остановить поток расплава или изменить направление его течения на противоположное.

8. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что посредством изменения магнитного поля или соответственно магнитных полей обеспечивают увеличение или уменьшение действующих на поток расплава сил.

9. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что магнитный поток магнитного поля в замкнутом магнитном контуре в области входа потока расплава в магнитное поле и выхода потока расплава из магнитного поля противоположен направлению течения потока расплава и тормозит его.

10. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что последовательно располагают по меньшей мере два замкнутых магнитных контура магнитных полей с постоянной полярностью при двойном использовании магнитного потока магнитных полей и двойном использовании вихревых токов для повышения тормозящего воздействия на поток расплава.

11. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что используют различие в воздействии магнитного поля на чугун и шлак для разделения этих составляющих в потоке расплава.

12. Устройство для управления скоростью течения и торможением потока неферромагнитных электропроводных расплавов с помощью магнитных полей при выпуске из металлургических емкостей, таких как плавильные печи, отличающееся тем, что оно содержит сердечник (4) из ферромагнитного материала, который имеет два полюса (6, 7), образующих зазор (8), в который помещен выполненный в виде канала или трубы направляющий элемент (9) для потока расплава (2),а также расположенные на сердечнике (4) катушки индуктивности для создания стационарного магнитного поля (3) с постоянной полярностью, действующего на поток расплава (2) в расположенном между полюсами (6, 7) направляющем элементе (9), с обеспечением проникновения силовых линий магнитного поля в поток расплава в поперечном направлении по всему его сечению, причем направляющий элемент (9) для потока расплава (2) выполнен из электропроводного материала.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что сердечник (4) выполнен как ярмо (5), на котором установлены две катушки индуктивности (12, 13).

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что сердечник (4) выполнен как двойное ярмо (29) с ярмом (5) и ярмом (5а), на которых установлены четыре катушки индуктивности (12, 13, 30, 31).

15. Устройство по п.12, отличающееся тем, что направляющий элемент (9) для потока расплава (2) выполнен из меди.

16. Устройство по п.12, отличающееся тем, что направляющий элемент (9) для потока расплава (2) в виде направляющей трубы (10) оснащен охлаждающими каналами (26) для протекания по ним хладагента.

17. Устройство по п.12, отличающееся тем, что размеры полюсов (6, 7) сердечника (4) и зазора (8) выбраны в соответствии с размерами направляющего элемента (9) для потока расплава (2).

18. Устройство по п.12, отличающееся тем, что размер зазора (8) между полюсами (6, 7) сердечника (4) и диаметр направляющей трубы (10) выбирают с возможностью ввода в направляющую трубу (10) в зазоре (8) сверла и штанги сверлильного станка для открытия выпускного канала (45) из плавильной печи (46) или инструмента закупоривающей машины.

19. Устройство по п.12, отличающееся тем, что предназначенные для создания магнитного поля с постоянной полярностью катушки индуктивности выполнены из сверхпроводящего материала, в частности высокотемпературного сверхпроводника.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что каждая катушка индуктивности установлена в теплоизолированную камеру (42), заполненную сжиженным газом (44) для охлаждения катушки.

21. Устройство по п.13, отличающееся тем, что ярмо (5) выполнено в виде закрытого корпуса (51), окружающего индукционные катушки (12, 13), для направления прохождения магнитного потока (14), обеспечивающего наибольшую магнитную эффективность.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что свободное пространство (55) между индукционными катушками (12, 13, 30, 31) в корпусе (51) заполнено мелкозернистым текучим материалом, предпочтительно песком.

23. Устройство по п.12, отличающееся тем, что оно расположено в виде насадки перед выходным отверстием (47) выпускного канала (45) плавильной печи, в частности доменной печи (46), с выводом выпускного канала (45) в направляющую трубу (10).

24. Устройство для управления скоростью течения и торможением потока неферромагнитных электропроводных расплавов с помощью магнитных полей при выпуске из металлургических емкостей, таких как плавильные печи, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере один сердечник (73) из ферромагнитного материала с несколькими расположенными в ряд парами полюсов (74), образующими зазор (75), в котором расположен выполненный в виде канала или трубы направляющий элемент (9) для потока расплава (2), а также расположенные на полюсных наконечниках (76, 77) полюсов (78, 79) пар полюсов (74) индукционные катушки (80, 81), по которым протекает трехфазный ток при однократном использовании фаз L1, L2, L3 для создания двухполюсного перемещающегося магнитного поля или трехфазный ток при многократном использовании фаз L1, L2, L3 для создания многополюсного перемещающегося магнитного поля, воздействующего на поток расплава (2) в расположенном между полюсами (78, 79) пар полюсов (74) направляющем элементе (9), с обеспечением проникновения силовых линий магнитного поля в поток расплава в поперечном направлении по всему его сечению

25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что сердечник (73) выполнен из подавляющего вихревые токи материала.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что сердечник (73) изготовлен из листов трансформаторной стали.