Электропечь для плавки и обработки металлов Советский патент 1984 года по МПК H05B6/02 B22D27/02 C21C5/56 

2. Электропечь по п.1, отличающаяся тем, что стабилизиру ющие проводники выполнены из продоль но ориентированных пластин толщиной в азимутальном направлении 0,3-1,5 глубины проникновения тока в материал пластин при частоте тока,, текущего в спиральном индукторе, причем пластины изолированы одна от/ другой и соединены электрически параллельно в зонах, расположенных выше и ниже охватывающего индуктора на расстоянии от него 0,2-2,0 радиуса последнего.

1. ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ДЛЯ ПЛАВКИ И ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ С Обжатием боковой поверхности расплава магнитным полем, содержащая опору для столба расплава, соосный с ней спиральный индуктор и систему стабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскостях, проходящих через продольную ось симметрии спирального индуктора, о т л и ч а ю 1ц а я с я тем, что, с целью повышения КПД печи за счет улучшения стабильности форьш поверхности расплава путем повышения эффективности действия системы стабилизирующих проводников, стабилизирующие i проводники в азимутальном направлении выполнены толщиной 0,5-2,0 глубины проникновения тока в материал этих проводников при частоте тока, текущего в последних в продольном направлении. 00 СП о to ГчЭ

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, в частности к электрическим печам для плавки и обработки металлов без загрязнений материалом тигля.

Известны электрические печи для плавки и обработки металлов без загрязнений, содержащие металлический разрезной водоохлаждаемый тигель 1

Однако эти печи обладают сравнительно низким КПД главным образом в силу большой поверхности контакта расплава с холодным тиглем.

Известна электрическая печь для плавки и обработки металлов, содержащая индуктор, создающий отжимающее магнитное поле, опору для расплава и источник нагрева С21 .

Недостатком данной печи является слабая стабилизация формы поверхности расплава, приводящая к проливанию удерживаемого на опоре расплава и нарушающая нормальную эксплуатацию печи.

Известна также плавильная электропечь с отжатием боковой поверхности расплава от тигля при помощи магнитного поля, содержащая индуктор и раз резной многосекционный охлаждаемый тигель, в которой соседние секции электрически попарно соединены на одном из концов тигля и подсоединены своими свободными концами к источнику переменного тока таким образом, что ток в соседних секциях течет в противоположных направлениях СЗ .

Однако в этой печи на стыках секций не создается удерживающих электромагнитных сил, что ограничивает предельную массу обжатого полем расплава.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является электропечь для плавки и обработки металлов с обжатием боковой поверхности расплава, магнитным полем, содержащая опору для столба расплава, соосный с ней спиральный индуктор и систему стабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскостях, проходящих через продольную ось симметрии спирального индуктора

Система стабилизирующих проводников разделена на группы, проводники ко.торых чередуются вдоль периметра расплава, а питание-этих групп током производится периодически, со смещением во времени 4} .

Недостатком известной печи является то, что улучшение стабильности формы поверхности расплава в результате воздействия на расплав системы токов в стабилизирующих проводниках печи существенно ослабляется из-за наводки паразитных противотоков в смежных стабилизирующих проводниках

Целью изобретения является повышение КПД печи за счет улучшения стабильности формы поверхности расплава путем повышения эффективности действия системы стабилизирующих проводников.

Поставленная цель достигается тем, что в электропечи для плавки и обработки металлов с обжатием боковой поверхности расплава магнитным полем, содержащей опору для столба расплава, соосный с ней спиральный индуктор и систему стабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскостях, проходящих чере продольную ось симметрии спиральног индуктора, стабилизирующие.проводники выполнены в азимутальном направлении толщиной 0,5-2,0 глубины проникновения тока в материал этих проводников при частоте тока, текущего в последних в продольном направлени

Кроме того, стабилизирующие проводники выполнены из продольно ориетированных пластин толщиной в азимутальном направлении 0,3-1,5 глубины проникновения тока в 1иатериал пластин при частоте тока, текущего в спиральном индукторе, причем пластины изолированы одна отдругой,и соединены электрически паралелльно в зонах, расположенных выше и ниже охватывающего индуктора на расстояний от него 0,2-2,0 радиуса последнего.

Предлагаемое техническое решение предназначено для электропечей с питанием спирального индуктора током более высокой частоты, чем частота тока, текущая в стабилизирующих проводниках в продольном направлении . , В известной печи магнитное поле тока, текущего в каждом стабилизирующем проводнике, наводит в соседних проводниках (оинадлежащих другой группе проводников) вторичные токи, примерно равные по величине первичным, но противоположного знака, причем в силу совместного действия поверхностного эффекта и, так называемого, эффекта близости, и первичные и вторичные токи концентрируются на гранях каждого проводника, обращенных к соседним проводникам. Благодаря экранирующему действию вторичных токов результирующее внешнее магнитное поле локализуется в непосредственной близости к проводникам и очень слабо воздействует на расплав.

Выполняют стабилизирующие проводники с размерами сечения, ограничивающими наводящиеся в них вторичные токи до степени, при которой результирующее внешнее магнитное поле существенно не деформируется. Исследования показали, что удовлетворительный результат достигается при толщине проводников в азимутальном направлении, т.е. в направлении нор Мали к шоскости, проходящей через; ось симметрии тигля и продольную ось проводника, не превышающем 2,0 глубины ( Д) проникновения тока в материал проводника (при используемой частоте тока) и улучшается при дальнейшем снижении этой толщины. Однако при толщине равной 0,5 упомянутой глубины ( д ) проникновения тока, деформация магнитного поляпрактически исчезает и дальнейшее снижение ее, не-изменяя эффект предложения, приводит лишь к неоправданному конструктивному усложнению печи.

На фиг. 1 показана предложенная электропечь, вертикальное сечение; на фиг. 2 и 3 - то же, горизон -альнее сечение (на фиг. 2 представлен вариант печи со стабилизирующими проводниками, не разделенными на параллельные пластины, а на фиг. 3разделенными)} на фиг. 4 и 5 - эпюры распределения токов, текущих в стабилизирующих проводниках вдоль осей последних (фиг. 4 относится к известной печи, а фиг. 5 - к предложенной печи).

Электропечь содержит спиральный индуктор 1 обжимающего магнитного поля, охватывающий расплав 2, удерживаемый на опоре 3. Между индуктором и расплавом, соосно с ними, расположены стабилизирующие проводинки 4. Печь может иметь дополнительный источник 5 нагрева (плазмотрон, электронная пушка и т.п.).

На фиг. 2 видны сечения стабилизирующих проводников для случая, когда они не разделены н.а запараллельные пластины. Показаны промежут-ки 6, разделяющие стабилизирующие проводники. Промежутки б могут быть заполнены электроизоляцией.

На фиг. 3 показано сечение (в пла0 не) стабилизирующих проводников, раЗ деленных на параллельные пластины. Все пластины, относящиеся к одному проводнику,показаны либо мелкой, либо крупной штриховкой и охвачены фи5 гурной скобкой. Показаны также промежутки 6, вариант заполнения изоляцией ..

На фиг. 4 представлена эпюра мгно венного распределения плотйости тока в стабилизирующих проводниках

0 известной печи. Показан момент, когда кондуктивный стабилизирующий ток течет по проводникам, отмеченным стрелками. (Направления токов соотс ветствуют направлению стрелок). Эпюра изображена применительно к сечению Б-Е фиг. 2, причем дуговая поверхность сечения условно развернута в плоскость.. Однако эпюра качественно описывает характер распределения

плотности тока не только в месте нахождения сечения Б-Б, но и по всему объему стабилизирующих проводников (по всей их высоте и при всех значениях радиальной координаты).

5 Распределение плотности кондуктивного тока показано кривыми с вертикальной штриховкой, а распределение наведенного вихревого тока кривыми с зачернением.

0 На фиг. 5 представлена эпюра мгно венного распределения плотности тоka в стабилизирующих проводниках при выполнении электропечи согласно предлагаемому изобретению. Как и на

5 Фиг. 4, эпюра фиг. 5 качественно характеризует распределение плотности тока во всем объеме стабилизирующих проводников. Это относится к предлагаемой электропечи.

В ряде случаев надежность стабилизации поверхности расплава повьниается при увеличении шага стабилизирующих проводников. Этого можно достичь не нарушая соотношения между толщиной

. проводников (а)и глубиной С Л )проникновения тока путем увеличения глу бины ( )проникновения продольного тока в материал этих проводников за счет выбора более низкого значения

0 частоты (fnp )питания этого тока. Если при этом частота ( спмр используемая в печи для питания спирального индуктора,превышает выбранную по указанным соображениям часто65 ту (f ), то поле спирального индуктора наведет в стабилизирующих проводниках токи, замыкающиеся в -плоскостях, параллельных плоскостям витков упомянутого индуктора, что вы зовет значительные дополнительные потери энергии в стабилизирующих проводниках. С целью сокращения этих потерь в случае, если спиральный индуктор питается током более высокой частоты, чем Частота продольного тока в стабилизирующих проводниках, .предложено разделять эти проводники на ряд паргиллельных пластин с меньшей толщино (ь), выбираемой по условию ослабления- вихревых токов, наводикых полем спирального индуктора в пластинах. Исследования показали, что удовлетво рительный эффект достигается при тол щине (ь) пластин не.выше 1,5 от глубины ( 2 проникновения тока в материал пластин, имеющей место при частоте (f ), используемой для питания спирального индуктора, в то же время снижение толщины пластин менее 0,3 этой глубины проникновения не целесообразно, так как,практическ не меняя потери в пластинах, оно усложняет изготовление печи. Пластины изолируют друг от друга и соединяют в параллель только в зоне ослабленно го поля спирального индуктора (ВЕлше и ниже последнего). Исследования показали, что достаточное ослабление поля достигается на расстоянии 0,2 радиусов индуктора, а на расстоянии 2,0 радиусов от него дальнейшее ослабление поля становится не существенным. В то же время при больших расстояниях необоснованно увеличиваются размеры стабилизирующего устройства. При выполнении стабилизирукядих проводников разделенными на ряд параллельных пластин с толщиной Ь (0,3 - 1,5)2 должно соблюдаться условие, введенное ранее для общей толщины стабилизирующего проводника а (0,5 - 2,0).Л. Электропечь работает следующим образом. На опоре 3 наводят расплав 2, используя тепло,генерируемое переменным магни.тным полем индуктора J., а в необходимых случаях - также и с помощью дополнительного источника 5 нагрева. При этом магнитное поле индуктора 1 обжимает расплав, препятствуя сливанию его с опоры 3. Одновременно с включением индуктора 1 включают питание. CHCTeNaj стабилизиру ющих проводников 4. При этом смещенные вдоль периметра сечения расплава группы чередующихся проводников получают питание со сдвигом во време ни. В момент подачи питания в любую из упомянутых групп проводников, впроводниках других групп вихревые токи почти не наводятся (фиг. 5) и не гасят магнитное поле проводников, обтекаемых в данный момент током. В результате магнитное поле группы обтекаемых током стабилизирующих проводников, оказывает нужное силовое воздействие на расплав. Также воздействуют на расплав стабилизирующие проводники других групп в моменты, когда они записываются продольными токами. В силу инерционности расплава и чередующихся силовых воздействий полей групп стабилизирующих проводников поверхность .стол ба расплава приобретает относительную стабильность (в отличие от известной печи, где воздействие кондуктивных и наведенных токов в стабилизирующих проводниках взаимно гасится). Положительный эффект достигается за счет сокращения тепловых потерь благодаря более полному и стабильному -отрыву расплава от окружающих элементов конструкции. Так, при сопоставлении с базовой электропечью с холодным тиглем, имеющей диаметр основания для расплава. 250 мм, и увеличении средневзвешенной высоты отжатия с 120 мм до 220 мм, ожидаемый экономический эффект при годовом фонде времени работы оборудования 3975 ч (двухсменная работа) составит 4000 руб/год на одну печь.

A-/

фиг,. 2

Л-А