Индукционная печь для плавки вулканической породы Российский патент 2023 года по МПК F27B14/06 

Заявляемое техническое решение относится к печам для индукционной плавки в холодном тигле (ИПХТ), которые используются для плавки непроводящих материалов, и в первую очередь может быть использовано для изучения поведения расплава вулканической породы при извержении вулканов и выделении газоаэрозольной фракции из расплава с возникновением взрывов с выбросом бомб расплава.

Известно, что при извержении вулканов в их кратере газоаэрозольная фракция, проходящая через расплав вулканической породы, выбрасывает крупные бомбы расплава вулканической породы, вылетающие из кратера на километры [Озеров А. Ю. Ключевской вулкан: вещество, динамика, модель. – Петропавловск-Камчатский – Москва, Издательство ГЕОС, 2019. – 305 с.]. Такое поведение расплава значительно снижает безопасность окружающей среды и летательных аппаратов вокруг зоны извержения. В вулканологии дегазация расплава вулканической породы - это естественный выход газоаэрозольной фракции из её расплава. Вопросы дегазации магматических расплавов чрезвычайно важны так же для улучшения прогноза вулканических извержений и их последствий.

Расплав вулканической породы в зоне прохождения газов и аэрозолей имеет температуры от 1500 до 2500 ^оС. Известно, что для получения таких высокотемпературных расплавов наиболее эффективным является использование метода индукционной плавки в холодном тигле [Д. Б. Лопух, С. В. Бешта, А. П. Мартынов, А. В. Вавилов, И. Н. Скриган. Индукционная плавка кориума и варка стекла в холодном тигле. Свойства и моделирование». Санкт Петербург, Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2021, 202 с.], с помощью которого осуществляется долговременное удержание высокотемпературных и химически агрессивных расплавов для реализации различных уникальных технологий.

Для приближения условий выхода газов к реальным при извержении вулканов необходимо обеспечить высокую скорость движения пузырей, повышение которой достигается увеличением температуры и снижением вязкости расплава вулканической породы, и наиболее существенно с увеличением высоты расплава. Метод ИПХТ позволяет обеспечивать требуемые высокие температуры расплава вулканической породы, однако, увеличение высоты ванны расплава является затруднительным по условиям ИПХТ. Это будет показано далее при сравнении работы традиционной и предлагаемой печей.

Известна барботажная колонна установки КАМБИ, в которой используется модельная жидкость, например, растворы воды или силиконовое масло для изучения поставленных задач [Озеров А. Ю. Ключевской вулкан: вещество, динамика, модель. – Петропавловск-Камчатский – Москва, Издательство ГЕОС, 2019. – 305 с.]. Установка позволяет изучать различные режимы дегазации в модельных жидкостях. Однако свойства модельных жидкостей отличаются от высокотемпературного химически агрессивного расплава вулканической породы вулканов и, следовательно, условия тестов не соответствуют условиям извержений, что приводит к отклонениям при получении результатов.

Известно использование керамических тиглей для получения и удержания высокотемпературных и химически агрессивных расплавов [О. Н. Попов и др. Производство и применение плавленолитых огнеупоров. Москва, Металлургия, 1985] и расплавов каменного литья [Б. Х. Хан и др. Затвердевание и кристаллизация каменного литья. Ин-т Проблем материаловедения АН УССР, Наукова думка, Киев. 1969, 163 с.]. Недостатком применения керамических тиглей является их разрушение согласно эвтектическому механизму растворения керамики при её взаимодействии с расплавами оксидов, стекол и горных пород, к которым относятся магматические породы. Поэтому, в процессе работы плавильных печей с керамическими тиглями происходит растворение керамики, изменение состава расплава и его свойств, и, соответственно, изменение поведения расплава вулканической породы, в том числе при прохождении через него газоаэрозольной фракции.

Согласно экспериментальной практике при физическом моделировании и дегазации расплава вулканической породы при извержении вулканов одним из основных требований к установкам является как можно более высокая ванна жидкости, что позволяет обеспечивать повышение скорости движения газового потока с приближением к реальным условиям извержений. Так, в известных установках, например, в установке КАМБИ [Озеров А. Ю. Ключевской вулкан: вещество, динамика, модель. – Петропавловск-Камчатский – Москва, Издательство ГЕОС, 2019. – 305 с.] используется высота жидкости в колонне около 3 метров. В настоящее время при ИПХТ вулканической породы получена высота ванны расплава только 0,285 метра при диаметре 0,2 метра. То есть достигнуто отношение 0,285/0,2=1,425. Для увеличения высоты ванны расплава вулканической породы до 0,5 метра и более необходима отдельная разработка печи, которая обеспечивает такие условия.

Чтобы увеличивать высоту ванны расплава требуется увеличение мощности печи. Для более рационального использования мощности печи необходимо уменьшать внутренний диаметр холодного тигля, что имеет нижний предел согласно условиям индукционного нагрева. То есть степень проявления поверхностного эффекта (m₂) должна быть больше 3, что обеспечивает тепловую устойчивость плавки и долговременную выдержку расплава без его самостоятельного остывания [Индукционная плавка кориума в холодном тигле. Оборудование и применение. Д. Б. Лопух, С. В. Бешта, А. П. Мартынов, А. В. Вавилов, И. Н. Скриган. Санкт-Петербург, Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019, с. 11 и 12, 53 и 54]. Поэтому, для реализации работы устройства рекомендована максимальная частота тока для индукционного нагрева, равная 5,28 МГц с внутренним диаметром холодного тигля 0,12 м для ИПХТ вулканической породы наиболее активного Ключевского вулкана Камчатки. Авторы разработали конструкцию печи, которая обеспечивает высоту ванны около 0,5 метр с колебательной мощностью установки, равной, 60 кВт, что соответствует соотношению высоты и диаметра ванны расплава 0,5/0,12=4,17, и предполагают, что данная идея согласно формуле изобретения, позволит увеличить это соотношение при использовании установок большей мощности. Поэтому, в формуле изобретения для рассматриваемого соотношения используется термин «более 4», например, для получения высоты ванны расплава вулканической породы 1 метр и более.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является печь ИПХТ вулканической породы с целью изучения поведения взрывных процессов выброса бомб расплава вулканической породы, содержащая охватывающий индуктор и металлический водоохлаждаемый секционированный тигель [Д. Б. Лопух, А. Ю. Озеров, А. В., Вавилов, А. П. Мартынов. Исследование индукционной плавки вулканической породы с барботированием её расплава. МНТК «Наука и образование: актуальные вопросы теории и практики», 23 марта 2021, Самара-Оренбург-Нижний Новгород, с. 248-253.]. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является конструкция печи ИПХТ, которая обеспечивает соотношение высоты и диаметра ванны расплава не более 1,4. Это соотношение не позволяет обеспечить высокую ванну расплава c экономией электроэнергии для увеличения скорости выхода газовых пузырей при физическом моделировании движения газа в расплаве вулканической породы и взрывных условий выброса бомб расплава.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является приближение условий выхода газоаэрозольной фракции в условиях физического моделирования к реальным условиям извержения вулканов.

Техническим результатом изобретения является совершенствование индукционной печи с холодным тиглем для получения высокой ванны расплава вулканической породы около 0,5 метра, обеспечивающей увеличение скорости движения газовых пузырей для изучения взрывного процесса выброса бомб расплава вулканической породы и приближения к реальным условиям дегазации вулканической породы при извержении вулканов.

Указанный технический результат достигается тем, что индукционная печь для плавки вулканической породы, содержащая охватывающий индуктор и холодный тигель, состоящий из металлических водоохлаждаемых секций, образующих ванну расплава, отличающаяся тем, что отношение высоты к диаметру ванны расплава составляет более 4, причем высота индуктора в 1,5 – 2,5 раза меньше высоты ванны расплава при этом индуктор расположен в донной части холодного тигля.

Срок службы предлагаемого устройства при правильном использовании не ограничен.

Сущность заявленного изобретения поясняется на фиг. 1, где избражена 3D модель печи ИПХТ для плавки вулканической породы, где 1 - индуктор, 2 - холодный тигель; 3 - ванна расплава; 4 – планки креплений; 5 - изоляционные плиты; 6 - дно холодного тигля.

Индукционная печь для плавки вулканической породы (см. фиг. 1), содержащая охватывающий индуктор 1 и холодный тигель 2, состоящий из металлических водоохлаждаемых секций, образующих ванну расплава 3, отличающаяся тем, что отношением высоты к диаметру ванны расплава составляет более 4, причем высота индуктора в 1,5 – 2,5 раза меньше высоты ванны расплава при этом индуктор расположен в донной части холодного тигля. Для обеспечения механической прочности секций холодного тигля и обеспечения требуемых зазоров между секциями в верхней части и середине высоты холодного тигля может быть выполнено крепление секций с помощью планок 4, присоединенных к тороидальным плитам электроизоляционного материала 5, например, стеклотекстолита. Дно холодного тигля 6 может быть керамическим, или металлическим водоохлаждаемым, преимущественно выполненным из меди для обеспечения уменьшения размагничивающего влияния на донные слои ванны расплава и некоторого уменьшения высоты ванны.

На фиг. 2 изображена расчетная схема предлагаемой печи ИПХТ вулканической породы высотой 0,5 метра (вокруг ванны расплава расположен двухвитковый индуктор, что связано с условиями согласования с питающим генератором) и расчетные распределения параметров в диаметральном сечении расплава вулканической породы для установившегося режима плавки, где а – распределение температуры в ванне расплава [^оС]; б – распределение объемных источников теплоты [Вт/м³].

Результаты численных расчетов на фиг.2 показывают, что предложенная конструкция двухвиткового индуктора, который имеет высоту в 1,5- 2,5 раза меньше высоты ванны расплава и его нижний торец установлен у дна холодного тигля, обеспечивает практически равномерный нагрев расплава вулканической породы по всей высоте ванны, за исключением областей донного и бокового гарнисажей. Так, по оси ванны расплава на высоте 0,5 метра температура изменяется в диапазоне 1800 – 2300 ºС, что обеспечивает достаточную вязкость расплава для естественной дегазации. Кроме того, самые горячие слои ванны расположены в её нижней части, что соответствует натурным условиям вулканической деятельности.

Расположение индуктора в нижней половине ванны расплава у дна холодного тигля позволяет использовать гравитационные силы и свободную конвекцию в расплаве для нагрева верхней половины ванны благодаря тепломассопереносу расплавом в верхнюю часть ванны, где отсутствуют витки индуктора. Это приводит к улучшению магнитной связи между индуктором и расплавом, что способствует значительному повышению коэффициента мощности индуктора, который по результатам расчетов в 1,76 раз выше, чем при ИПХТ в печи аналогичной конструкции, но, с высоким индуктором (см. фиг. 3).Высокий коэффициент мощности индуктора достигается благодаря получению высокой ванны расплава, практически полностью заполняющей высоту двухвиткового индуктора. В этом случае горячая зона ванны расплава так же поднимается вверх, но, при этом не выходит из всей зоны индуктора. Таким образом, расположение индуктора в нижней части холодного тигля у его дна обеспечивает относительно равномерное температурное поле по высоте ванны расплава 0,5 метра, достаточное для проведения исследований для дегазации расплава вулканической породы.

Охлаждение секций приводит к тому, что между ними и расплавом образуется слой закристаллизованного расплава - гарнисаж, препятствующий термохимическому взаимодействию расплава с секциями тигля.Индуктор печи запитан от транзисторного или лампового генератора с частотой колебательного контура2…30 МГц.

Благодаря предложенным конструкционным отличиям обеспечивается работа печи с высотой ванны расплава 0,5 метра, что приближает условия физического моделирования дегазации расплава вулканической породы к реальным условиям извержения вулканов и способствует более адекватному изучению вулканических процессов. Изобретение может быть использовано при реализации других технологий на основе метода ИПХТ.

Таким образом, на основе численных расчетных исследований показана возможность получения ванны расплава вулканической породы Ключевского вулкана Камчатки высотой до 0,5 метра на базе плавок песка вулканической породы и при моделировании этого процесса с использованием ИПХТ. Настоящая разработка продвигает создание установки ИПХТ вулканической породы для исследования дегазации вулканической породы, выбросов её расплава и магматических бомб при взрывном характере извержения вулканов.

Изобретение относится к печам для индукционной плавки в холодном тигле, которые используются для плавки непроводящих материалов, и может быть использовано для изучения поведения расплава вулканической породы при извержении вулканов и выделении газоаэрозольной фракции из расплава с возникновением взрывов с выбросом бомб расплава. Печь содержит охватывающий индуктор и холодный тигель, состоящий из металлических водоохлаждаемых секций, образующих ванну расплава, при этом отношение высоты к диаметру ванны расплава составляет более 4, причем высота индуктора в 1,5-2,5 раза меньше высоты ванны расплава. Индуктор расположен в донной части холодного тигля. Изобретение обеспечивает работу печи с высокой ванной расплава 0,5 м, что приближает условия выхода газоаэрозольной фракции в условиях физического моделирования к реальным условиям извержения вулканов и способствует детальному изучению вулканических процессов. 3 ил.

Индукционная печь для плавки вулканической породы, содержащая охватывающий индуктор и холодный тигель, состоящий из металлических водоохлаждаемых секций, образующих ванну расплава, отличающаяся тем, что отношение высоты к диаметру ванны расплава составляет более 4, а высота индуктора в 1,5-2,5 раза меньше высоты ванны расплава, при этом индуктор расположен в донной части холодного тигля.