Спосіб плавлення алюмінію в індукційній канальній печі

1. Спосіб плавлення алюмінію в індукційній канальній печі, що включає в себе індукційне нагрівання рідкого металу в циліндричному каналі 3 явище в печах називають "заростанням" каналів, яке призводить до погіршення процесу плавлення металу. При цьому, чим більші електромагнітні сили в металі, тим сильніше (швидше) заростають канали. Тому збільшення електромагнітних сил в гирлі каналу з метою створення в ньому транзитної течії металу призводить до більш інтенсивного заростання каналу, що є суттєвим недоліком цього способу. Відомий спосіб плавлення алюмінію, взятий за прототип, включає в себе індукційне нагрівання рідкого металу в циліндричному каналі індукційної печі, плавлення шихти в ванні печі за рахунок тепла, що виділяється в каналі, та створення в ньому обертального руху рідкого металу [4]. Наявність в циліндричному каналі печі, що має круговий поперечний переріз, обертального руху приводить до появи додаткових (відцентрових або доцентрових) сил, що діють на неметалеві домішки (частинки). Оскільки ці частинки, адсорбуючи на своїй поверхні газ (водень), який зазвичай присутній в розплаві, стають легшими за розплавлений алюміній, то в обертальному потоці рідкого металу на них діє доцентрова сила, тобто сила, яка спрямована проти електромагнітної сили, створеної індуктором. Якщо така сила перевищує радіальну електромагнітну силу, то оксидні частинки, рухаючись в обертальному потоці по спіральних траєкторіях, будуть переміщатися уже не до стінки циліндричного каналу, а до його осі. Перебуваючи в такому русі, вони стикаються між собою і коагулюють, створюючи в кінцевому рахунку оксидні конгломерати, які після вимкнення печі від електричної мережі виринають на поверхню металу в ванні печі. Таким чином за такого способу плавлення алюмінію відбувається також його очищення (рафінування) від неметалевих домішок. До недоліків такого способу належить те, що через відсутність в каналі печі транзитної течії рідкого металу відбувається значне перегрівання його в каналі по відношенню до ванни печі. Як відомо, це суттєво погіршує техніко-економічні показники печі. Задачею корисної моделі є створення способу плавлення алюмінію в індукційній канальній печі, за яким в циліндричному каналі печі з обертальним рухом рідкого металу створюється транзитна течія металу, за якою розплавлений метал із ванни надходить в канал через одне гирло, а залишає його через друге, зменшуючи таким чином перегрів металу в каналі. Новий технічний результат, що досягається в цьому випадку за рахунок інтенсифікації тепломасообміну між каналом і ванною печі, полягає в підвищенні ефективності процесу плавлення металу та збільшенні ресурсу роботи печі. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що спосіб плавлення алюмінію, що пропонується, включає в себе індукційне нагрівання рідкого металу в циліндричному каналі печі, плавлення металу (шихти) в її ванні за рахунок тепла, що виділяється в каналі, створення в каналі обертального руху рідкого металу, за умови, що в одній половині каналу метал обертають з більшою швидкістю, ніж 63413 4 в другій половині. При цьому значний позитивний ефект досягається, коли в одній половині каналу печі рідкий метал обертають зі швидкістю, яка не менше, ніж на 20 % перевищує швидкість руху в другій половині. Як показують експериментальні дослідження індукційних канальних печей з обертальним рухом рідкого металу, якщо швидкість обертання розплаву в обох половинах каналу різна, то в такому каналі виникає транзитна течія, за якою метал із ванни поступає в ту половину каналу, де швидкість металу менша, а залишає його через другу половину, в якій швидкість обертання є більшою. При цьому встановлено, що чим більша різниця швидкостей обертального руху в цих половинах, тим більша швидкість транзитної течії в каналі. Суттєве підвищення інтенсивності тепломасообміну в печі (за рахунок цієї течії) досягається тоді, коли відмінність швидкостей обертання металу в каналі перевищує 20 %. В цьому випадку значно зменшується перегрів металу в каналі в порівнянні з тим випадком, коли ця течія відсутня. Зниження температури металу в каналі призводить до зменшення теплових втрат, тобто збільшення ККД печі, що дозволяє скоротити питомі витрати електроенергії при плавленні алюмінію. Окрім цього, зниження температури металу дозволяє також збільшити ресурс роботи печі за рахунок підвищення стійкості футеровки. Таким чином, сукупність суттєвих ознак, що викладені у формулі корисної моделі, є необхідною ідостатньою для досягнення нового технічного результату - підвищення ефективності процесу плавлення алюмінію та його сплавів в індукційній канальній печі, а також збільшення ресурсу її роботи. Пропонований спосіб може бути реалізований в індукційній канальній печі, схематичне зображення якої наведено на фіг. 1 та фіг. 2. На фіг. 1 представлено загальний вигляд печі, на фіг. 2 - її переріз по А-А. Піч містить ванну 1, в яку завантажується метал (шихта) для плавлення. Знизу до ванни стикується так звана індукційна одиниця, яка має в своєму складі індукційний канал та електромагнітну систему. Індукційний канал в даному випадку складається із трьох з'єднаних між собою секцій: двох вертикальних 2 і 3 та однієї горизонтальної 4. Вертикальні секції мають циліндричну форму круглого поперечного перерізу. Електромагнітна система печі включає в себе індуктор 5, Ш-подібний магнітопровід 6 та чотири додаткових котушки, дві з яких (7 і 8) намотані поверх індуктора, а решта дві (9 і 10) - на бокові ярма магнітопроводу, як показано на фіг. 2. Котушки 7 і 8, а також 9 і 10 між собою з'єднані зустрічно. Всі вони живляться від однієї напруги, яка забезпечує фазовий зсув між їх магнітними полями та магнітним полем індуктора в 90 ел. град. При подачі живлення на індуктор печі в індукційному каналі наводиться електричний струм, який замикається через метал, що знаходиться в ванні печі. Оскільки поперечний переріз каналу є набагато меншим від перерізу металу в ванні, то майже все тепло, що утворюється від протікання 5 такого струму, виділяється в індукційному каналі, а тому важливо ефективно передати його в ванну, де знаходиться метал (шихта), що підлягає плавленню. Як відомо, таку передачу може забезпечити транзитна течія рідкого металу, за якою метал із ванни поступає в канал через одну циліндричну секцію каналу, а залишає його через іншу. Додаткові котушки печі призначені для створення в циліндричних секціях каналу обертального руху рідкого металу. Вони забезпечують в області цих секцій магнітні поля Вк, які в просторі і за фазою зсунуті по відношенню до магнітного поля індуктора (поля розсіювання) Ві на 90 град. Це призводить до виникнення в обох секціях каналу обертального магнітного поля, яке змушує метал обертатися. Як показують дослідження, електромагнітний момент в такому випадку пропорційний ампер-виткам додаткових котушок (при постійних ампер-витках індуктора). Отже, оскільки магнітне поле додаткових котушок Вк1 в секції 2 каналу створюється котушками 7 і 8, а магнітне поле Вк2 в секції 3 - цими ж котушкам, а також котушками 9 і 10, то швидкість обертання рідкого металу в секції 3 буде більшою, ніж в секції 2. За рахунок цієї різниці в індукційному каналі виникає транзитна течія, за якою метал надходить в канал через секцію 2, а виходить в ванну через секцію 3. Загальний рух металу в печі умовно показано на фіг. 1 стрілками. Проведені дослідження показують, що усереднена швидкість транзитної течії буде достатньою для інтенсифікації тепломасообміну в печі, якщо сумарні ампер-витки котушок 7, 8, 9 і 10 будуть більшими за сумарні ампер-витків котушок 7 і 8 не менше, ніж в 1,5 рази. Оскільки обертальна (колова) швидкість рідкого металу в циліндричному каналі при заданих (постійних) ампер-витках індуктора пропорційна квадратному кореню від ампер-витків додаткових котушок, то це означає, що швидкість обертального руху в секції каналу 2 63413 6 буде перевищувати швидкість в секції 3 не менше, ніж в 1,5 рази, тобто не менше, ніж на 20%. Таким чином, наведений приклад реалізації запропонованого способу плавлення алюмінію показує, що за рахунок створення обертального руху рідкого металу в каналі індукційної канальної печі, за яким швидкість обертання металу в одній половині каналу більша за швидкість в іншій половині (особливо якщо ця різниця складає не менше 20%), то в такому каналі виникає транзитна течія металу, яка інтенсифікує тепломасообмін між індукційним каналом і ванною печі, що призводить до зниження температури металу в каналі по відношенню до ванни (зниження перегріву каналу). В свою чергу це зменшує теплові втрати, тобто підвищує ККД печі, а отже скорочує питомі витрати електроенергії при плавленні алюмінію. Окрім цього, зниження температури металу в каналі також збільшує ресурс роботи індукційної канальної печі. Література 1. Колесниченко А.Ф., Гориславец Ю.М., Бундя А.П. Создание однонаправленного движения жидкого металла в каналах индукционных плавильных печей // Магнитная гидродинамика, 1979. - №4. С. 138-140. 2. Бояревич В.В., Фрейберг Я.Ж., Шилова Е.И., Щербинин Э.В. Электровихревые течения /Под ред. Щербинина Э.В. - Рига: Зинатне, 1985. - 315 с. всего. - С. 284-289. 3. Гориславец Ю.М., Бундя А.П., Колесниченко А.Ф. Интенсивность МГД тепло-массообмена в двухфазных канальных печах в зависимости от угла сдвига фаз питающих напряжений //Интенсификация МГД тепломассообмена в индукционных канальных печах (сборник докладов). Пермь-Киев: АН СССР и АН УССР, 1981. - С. 7-10. 4. Гориславец Ю.М. Электромагнитные системы вращательного движения жидкого металла для индукционных канальных печей //Технічна електродинаміка. - 1998. - №4. - С. 12-14. 7 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 63413 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601