Индукционная тигельная электропечь с замкнутым магнитопроводом Российский патент 2024 года по МПК F27B14/06 F27D11/12 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкциям индукционных тигельных электропечей, способных минимизировать рассеяние магнитного потока в радиальном и аксиальном направлении, а также минимизировать потери на нагрев магнитопровода и элементов каркаса.

Известна индукционная тигельная печь, содержащая неподвижный охлаждаемый металлический тигель, многовитковый индуктор, источник питания, средства для вакуумирования печи, загрузки исходного сырья и выгрузки готового продукта, отличающаяся тем, что тигель снабжен съемной охлаждаемой металлической крышкой, оборудованной средствами для вакуумирования рабочего объема и баллистического ввода реагентов в толщу расплава, внутренняя часть охлаждаемого тигля выполнена в виде усеченного конуса, снабженного фланцем с жидкометаллическим затвором для соединения со съемной крышкой, причем по оси днища тигля установлен шток для выталкивания слитка, вокруг тигля друг над другом размещены первый основной и второй вспомогательный индукторы, над которыми расположен третий индуктор для нагрева указанного фланца, а снаружи тигельной печи установлены механизмы для перемещения крышки, слитка и загрузочного бункера (патент RU 109281 U1, МПК F27B 14/10 (2006.01), F27B 14/12 (2006.01).

Недостатком данной индукционной тигельной печи является конструктивное отсутствие замкнутого магнитопровода, что не позволяет ограничивать рассеяние генерируемого индукторами магнитного потока в радиальном и аксиальном направлении.

Известна индукционная плавильная печь, содержащая индуктор, футерованный корпус, внутри которого установлен тигель с зазором, заполненным теплоизоляционным материалом, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД печи и увеличения срока ее службы, печь снабжена графитовым стаканом, расположенным между тиглем и теплоизоляционным материалом, причем между графитовым стаканом и тиглем выполнен зазор, заполненный теплопроводной засыпкой (патент SU 13286653 А1, МПК F27D 11/06).

Недостатком данной индукционной плавильной печи является отсутствие замкнутого магнитопровода, однако применение металлического корпуса печи позволяет снизить рассеяние генерируемого индуктором магнитного потока в аксиальном направлении вниз и в целом снизить сопротивление распространению магнитного потока.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является индукционная индукторная тигельная печь с проволочным индуктором, содержащая соединенные вместе футерованный тигель, подину, охлаждаемый индуктор с электроизолированными витками и токоподводом, охватывающий его наружный вертикальный наборный магнитопровод и каркас с верхней и нижней плитами, скрепленными стяжками, отличающаяся тем, что она снабжена цилиндрической обечайкой, размещенной между тиглем и индуктором, а упомянутый магнитопровод выполнен в виде полого цилиндра, при этом витки индуктора выполнены из изолированного одно- или многопроволочного проводника, обечайка и магнитопровод расположены между плитами с образованием замкнутой герметичной кольцевой полости для размещения индуктора и хладагента с возможностью подвода и отвода последнего (патент RU 2669030 С2, МПК F27B 14/06 (2006.01), F27D 11/22 (2006.01), F27D 27/00 (2010.01), СПК F27B 14/06 (2006.01), F27D 11/12 (2006.01), F27D 27/00 (2006.01)).

Недостатком данного устройства является совмещение функций замкнутой кольцевой полости вокруг индуктора, предназначенной для распространения магнитного потока индуктора и каркаса печи, что отрицательно сказывается на электробезопасности по причине протекания наведенных вихревых токов в элементах каркаса печи. Также недостатком является наличие замкнутых для протекания вихревых токов контуров в металлических составляющих магнитопровода и каркаса печи (обечайка, кольцевые магнитопроводы).

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании индукционной тигельной электропечи с замкнутым магнитопроводом, способной минимизировать рассеяние магнитного потока в радиальном и аксиальном направлении, минимизировать потери на нагрев магнитопровода и элементов каркаса и тем самым обеспечить повышение энергетической эффективности и безопасности персонала при ее эксплуатации.

Решением технической проблемы является создание индукционной тигельной электропечи с замкнутым магнитопроводом, содержащей каркас и выполненной с замкнутой кольцевой полостью для размещения индуктора, отличающейся тем, что замкнутая кольцевая полость для размещения индуктора представляет собой замкнутый магнитопровод, причем магнитопровод выполнен сборным путем шихтовки пластин из листов электротехнической стали для создания внутренней и внешней частей магнитопровода с образованием замкнутой кольцевой полости вокруг индуктора, и с отсутствием электрически замкнутых контуров в магнитной цепи, при этом магнитопровод электрически изолирован от каркаса печи, указанные пластины выполнены изолированными друг от друга, а пластины внутренней части магнитопровода имеют меньшую ширину вертикальной части, чем пластины внешней части.

Минимизация рассеяния рабочего магнитного потока, создаваемого индуктором индукционной плавильной печи может быть достигнута за счет создания вокруг индуктора замкнутой кольцевой полости, выполненной из материала с высоким электрическим и низким магнитным сопротивлением, что позволит обеспечить наличие полной (замкнутой) магнитной цепи. При этом увеличиваются величина рабочего магнитного потока и магнитная индукция в зоне расплава, что повышает энергетическую эффективность работы печи. А отсутствие замкнутых контуров в элементах магнитопровода и каркаса электропечи позволяет снизить потери на их нагрев.

Повышение уровня безопасности эксплуатации электропечи обусловлено снижением величины распространения магнитного потока за пределы магнитопровода электропечи, что приводит к снижению величины магнитного поля в рабочей зоне электропечи; а также наличием электрической изоляции каркаса печи от магнитопровода, содержащего внутри себя полость для размещения индуктора, что гарантирует отсутствие опасного для человека уровня напряжения прикосновения на доступных для прикосновения деталях каркаса печи даже в случае электрического пробоя проводников индуктора на магнитопровод. Кроме того, наличие электрической изоляции каркаса печи от магнитопровода положительно сказывается на надежности работы, так как единичное (расположенное только в одной точке) нарушение электрической изоляции между индуктором и магнитопроводом не является аварийным режимом и позволяет продолжить работу в данном режиме на время, необходимое слива металла в рабочем порядке.

Наличие электрической изоляции вкупе с отсутствием тепловой изоляции деталей каркаса от индуктора и магнитопровода позволяет эффективно рассеивать тепло, остающееся на индукторе даже при условии водяного охлаждения, на конструктивные элементы печи и снизить риск перегрева индуктора.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен разрез индукционной тигельной электропечи с замкнутым магнитопроводом, на фиг. 2 изображена форма листов электротехнической стали, составляющей магнитопровод, на фиг. 3 изображено направление магнитных линий магнитного потока в электропечи в рабочем режиме.

Индукционная тигельная электропечь с замкнутым магнитопроводом содержит ряд элементов, а именно: тигель 1, футеровка 2, индуктор 3, магнитопровод 4, слой изоляционного материала 5, каркас 6. Магнитопровод состоит из внутренней части магнитопровода 7 и внешней части магнитопровода 8 (фиг. 2).

Тигель 1 представляет собой емкость для размещения шихты и металла, в котором непосредственно происходит расплавление материалов и из которого производится розлив металла в емкости.

Футеровка 2 представляет собой слой тепловой изоляции и обеспечивает снижение тепловых потерь, связанных с передачей тепла от нагретого металла и тигля на магнитопровод и затем на индуктор.

Индуктор 3 представляет собой источник магнитного потока, выполненный в виде катушки индуктивности (полого цилиндра), намотанной из некоторого числа витков медного трубчатого проводника, внутренняя полость которого предназначена для протекания внутри него охлаждающей жидкости (вход и выход охлаждающей жидкости и точки подключения источника напряжения, подаваемого на индуктор, на чертеже не показаны).

Магнитопровод 4 представляет собой конструкцию из листов электротехнической стали, раскроенных особым образом (фиг. 2), обеспечивающую внутри себя замкнутую кольцевую полость для размещения индуктора 3. Магнитопровод 4 выполнен в виде двух концентрических цилиндров, причем их основания соединяются друг с другом для образования внутри замкнутой кольцевой (цилиндрической) полости). Сборка магнитопровода 4 осуществляется путем шихтовки пластин внутренней 7 и внешней 8 частей магнитопровода, выполненных из листов электротехнической стали, таким образом, чтобы было соблюдено условие создания замкнутой кольцевой полости вокруг индуктора 3 с обеспечением минимального магнитного сопротивления (за счет наличия ферромагнитного материала в магнитной цепи электропечи по всей области распространения рабочего магнитного потока) и максимального электрического сопротивления (за счет электрической изоляции пластин друг от друга, за счет исключения электрически замкнутых контуров в элементах конструкции магнитопровода, а также за счет взаимного геометрического расположения пластин и направления линий распространения магнитного потока) магнитопровода 4. Причем пластины внутренней 7 и внешней 8 частей магнитопровода различны по ширине вертикальной части - пластины внутренней 7 части магнитопровода имеют меньшую ширину. Такое различие обусловлено необходимостью ограничения максимального тока индуктора 3 в аварийном режиме работы при его включении без предварительной загрузки расплавляемого металла в тигель 1, так как в данном случае ток, протекающий в индукторе 3, максимален. Ограничение максимального тока достигается тем, что магнитный поток, создаваемый индуктором 3, будет замыкаться через магнитопровод 4, что приведет к увеличению создаваемой в индукторе 3 противо-ЭДС и снижению протекающих токов, однако сечение внутренней 7 части магнитопровода не позволяет обеспечить протекание полного магнитного потока, создаваемого индуктором 3 в рабочем режиме, в связи с чем данная часть магнитопровода будет являться быстронасыщаемым и будет способна ограничить ток ненормального режима работы индуктора 3 лишь до некоторой величины, определяемой геометрическими размерами пластин внутренней 7 части магнитопровода, однако данный эффект позволяет также обеспечить удовлетворительный коэффициент полезного действия индукционной тигельной электропечи с замкнутым магнитопроводом при работе в нормальном режиме, когда тигель 1 загружен расплавляемым металлом. Также в нижней части магнитопровода предусмотрены выводы для подключения охлаждающей жидкости и подачи электрического напряжения (на чертеже не показаны).

Слой изоляционного материала 5 представляет собой область с высоким электрическим сопротивлением (диэлектрик) и низким тепловым сопротивлением, разделяющую магнитопровод 4 и каркас 6, обеспечивающую электрическую изоляцию каркаса 6 от магнитопровода 4 и индуктора 3, а также обеспечивающую теплопередачу с магнитопровода 4 и индуктора 3 па каркас 6.

Каркас 6 представляет собой металлоконструкцию, на которой размещены элементы индукционной тигельной электропечи с замкнутым магнитопроводом. Каркас 6 является единственной доступной для прикосновения человеком частью печи с боковых сторон.

Индукционная тигельная электропечь с замкнутым магнитопроводом работает следующим образом. При подаче напряжения на индуктор 3 (источник напряжения и токопроводы на чертеже не показаны и в изобретении не рассматриваются) протекающий по нему ток создает магнитный поток индуктора, который распространяется из индуктора 3 одновременно через расплавляемый металл (большая часть), загруженный в тигель 1, и через вертикальную часть внутренней 7 части магнитопровода (меньшая часть), затем через горизонтальную часть внешней 8 части магнитопровода, после чего через вертикальную часть внешней 8 части магнитопровода и затем через горизонтальную часть внутренней 7 части магнитопровода возвращается в изначальную точку. Таким образом при помощи нагреваемого металла, внутренней 7 и внешней 8 частей магнитопровода образуется замкнутая (в магнитном отношении) цепь для протекания магнитного потока с малым магнитным сопротивлением, при этом величина магнитного потока рассеяния за пределы магнитопровода в радиальном и аксиальном направлении минимальна. Минимизация величины магнитного потока рассеяния позволяет снизить потери па нагрев элементов каркаса, а также величину магнитного поля в рабочей зоне работников, занятых расплавлением металла в электропечи такой конструкции. Принцип распространения магнитного потока в индукционной тигельной электропечи с замкнутым магнитопроводом поясняется на фиг. 3, где основной штриховой линией показано распространение рабочего магнитного потока внутри магнитной системы индукционной тигельной электропечи с замкнутым магнитопроводом, а тонкой штриховой линией показано распространение меньшей части рабочего магнитного потока через вертикальную часть внутренней 7 части магнитопровода. Магнитный поток, протекающий сквозь расплавляемый металл, помещенный в тигель 1, индуцирует в металле ЭДС самоиндукции, которая, в свою очередь, индуцирует электрический ток в замкнутом теле металла (вихревые токи), причем работа упомянутого тока расходуется исключительно на нагрев металла. Таким образом происходит его нагревание и последующее расплавление. Наличие замкнутого магнитопровода 4 позволяет достичь большей величины магнитного потока при том же уровне напряжения на индукторе 3 по сравнению с конструкциями без замкнутого магнитопровода по причине меньше магнитного сопротивления, что положительно сказывается на коэффициенте ее полезного действия и энергетической эффективности индукционной электропечи. При этом направление распространения магнитного потока через элементы магнитопровода 4 таково, что исключается индуцирование вихревых токов значительной величины в элементах магнитопровода, что дополнительно снижает потери на нагрев магнитопровода, а отсутствие в магнитной цепи индукционной тигельной электропечи электрически замкнутых контуров (за исключением частей расплавляемого металла) предупреждает дополнительные потери на нагрев.

Таким образом, применение данной индукционной тигельной электропечи с замкнутым магнитопроводом позволит минимизировать рассеяние магнитного потока в радиальном и аксиальном направлении, минимизировать потери па нагрев магнитопровода и элементов каркаса и тем самым обеспечить повышение энергетической эффективности п безопасности ее эксплуатации.

В представляемой индукционной тигельной электропечи решены недостатки, присущие электропечи, выбранной в качестве прототипа, а именно: исключено совмещение функций магнитопровода и каркаса печи замкнутой кольцевой полостью вокруг индуктора; исключено наличие электрически замкнутых контуров в магнитной цепи индукционной тигельной электропечи, а также выполнена электрическая изоляция элементов магнитопровода от элементов каркаса, что в совокупности позволяет значительно повысить энергетическую эффективность работы электропечи за счет снижения потерь на нагрев элементов магнитопровода и каркаса печи, за счет снижения величины магнитного потока рассеяния и безопасность эксплуатации электропечи за счет снижения величины магнитного поля в рабочей зоне электропечи и выполнения электрической изоляции элементов каркаса печи от элементов магнитопровода и индуктора.

Изобретение относится к области металлургии. Индукционная тигельная электропечь с замкнутым магнитопроводом содержит каркас и выполнена с замкнутой кольцевой полостью для размещения индуктора, при этом замкнутая кольцевая полость для размещения индуктора представляет собой замкнутый магнитопровод, причем магнитопровод выполнен сборным путем шихтовки пластин из листов электротехнической стали для создания внутренней и внешней частей магнитопровода с образованием замкнутой кольцевой полости вокруг индуктора и с отсутствием электрически замкнутых контуров в магнитной цепи, при этом магнитопровод электрически изолирован от каркаса печи. Указанные пластины выполнены изолированными друг от друга, а пластины внутренней части магнитопровода имеют меньшую ширину вертикальной части, чем пластины внешней части. Технический результат заключается в повышении уровня безопасности эксплуатации электропечи и энергетической эффективности ее работы. 3 ил.

Индукционная тигельная электропечь с замкнутым магнитопроводом, содержащая каркас и выполненная с замкнутой кольцевой полостью для размещения индуктора, отличающаяся тем, что замкнутая кольцевая полость для размещения индуктора представляет собой замкнутый магнитопровод, причем магнитопровод выполнен сборным путем шихтовки пластин из листов электротехнической стали для создания внутренней и внешней частей магнитопровода с образованием замкнутой кольцевой полости вокруг индуктора и с отсутствием электрически замкнутых контуров в магнитной цепи, при этом магнитопровод электрически изолирован от каркаса печи, указанные пластины выполнены изолированными друг от друга, а пластины внутренней части магнитопровода имеют меньшую ширину вертикальной части, чем пластины внешней части.