EA006623B1 - Способ и устройство для плавки металлов - Google Patents

Abstract

В способе и устройстве для плавки металлов в качестве основного источника тепла используется СВЧ энергия. Металл или смесь металлов помещают в керамический тигель (10), который взаимодействует, по меньшей мере частично, с используемыми микроволнами. Тигель заключают в керамический контейнер (14) для изоляции и помещают в микроволновую камеру (1). Атмосферу из камеры (1) можно откачать или заменить в целях удаления кислорода. После плавки металла тигель (10) можно извлечь для разливки или же металл можно разливать в камере (1) путем стекания капель в нагретую литейную форму, находящуюся в камере. Явное взаимодействие микроволн с размягченным или расплавленным металлом обеспечивает высокие температуры с большой экономией энергии.

Description

Настоящее изобретение относится к области металлургии и более конкретно к плавке металлов.

Обычно металлы плавят в больших печах с использованием больших загрузок. Современные известные печи для плавки металла включают в себя электродуговые печи, вагранки, доменные печи, индукционные печи и тигельные или горшковые печи.

Электродуговые печи футерованы огнеупорными материалами, чтобы удерживать в них расплавленный металл. Огнеупорные материалы медленно растворяются и удаляются вместе со шлаком, который плавает на поверхности расплавленного металла. Чтобы облегчить образование шлака, подлежащий плавке металл загружается в печь вместе с добавками. Тепло обеспечивается электрическими дугами от трех углеродных или графитовых электродов. Такие печи обычно используются в сталелитейном производстве, в основном для расплавления металлического скрапа, поэтому их можно использовать на децентрализованных минизаводах для производства продукции малыми сериями, которые выпускают детали для местного рынка, вместо более крупных централизованных заводов.

Вагранки - это самый старый вид печей, используемых в литейном производстве. В печь сверху поочередно загружаются слои металла и железосодержащих сплавов, кокса и известняка. Известняк добавляется с тем, чтобы он вступал в реакцию с примесями в металле и в процессе плавки находился сверху расплава для защиты металла от окисления. Вагранки обычно используются для плавки чушкового или серого литейного чугуна.

Доменные печи представляют собой чрезвычайно большие цилиндры, футерованные огнеупорным кирпичом. Железную руду, кокс и известняк загружают в доменную печь сверху, а нагретый воздух вдувают снизу. В результате протекающей химической реакции из руды извлекается железо. После запуска доменная печь работает непрерывно от 4 до 10 лет с короткими перерывами на запланированный ремонт.

Отражательные или подовые печи используются для периодической плавки цветных металлов. Отражательная печь представляет собой особый вид подовой печи, в которой обрабатываемый металл нагревается косвенным образом с помощью излучения, направленного вниз от свода. Подовые печи используются для получения небольших количеств металла, обычно сплавов специального назначения.

Индукционные печи бывают либо печами без сердечника, либо канальными печами. В плавильных печах без сердечника используется огнеупорная оболочка для удержания в ней металла. Оболочка окружена медной катушкой, по которой течет переменный ток. Печь работает по тому же принципу, что и трансформатор, при этом металлическая шихта в печи выполняет функцию одного вторичного выхода, в результате чего поток вихревого тока вырабатывает тепло, когда на многовитковую медную первичную катушку подается мощность. Когда металл плавится, электромагнитные силы обеспечивают также перемешивающее действие. В индукционной канальной печи в огнеупоре образован канал, окруженный катушкой, и этот канал создает непрерывный контур с металлом в главной части печи. Горячий металл из канала попадает в основную массу металла в кожухе печи и замещается более холодным металлом. В отличие от индукционной печи без сердечника для запуска канальной печи необходим источник основного расплавленного металла.

Тигельная или горшковая печь представляет собой плавильную печь, в которой используется керамический тигель для удержания в нем расплавленного металла. Тигель нагревается резистивными нагревательными элементами или пламенем природного газа. Для сохранения тепла тигель окружен изоляцией. Обычно устройство можно полностью опорожнять при разливке расплавленного металла в литейную форму.

Все существующие печи потребляют для плавки металла больше энергии, чем это желательно. Кроме того, известные устройства подвержены ряду рисков. Среди других недостатков следует отметить попадание в расплав загрязнений из материалов плавильной камеры, ограничения по температурам расплава и потребность в крупногабаритном оборудовании, требующем значительных капитальных затрат.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания нового способа и устройства для плавки металла.

Еще одной задачей изобретения является создание способа и устройства, в которых бы использовалось значительно меньше энергии, чем в известных способах и устройствах.

Следующей, более конкретной задачей изобретения является создание такого способа и устройства, которые бы позволили получать небольшие партии расплавленных металлов с минимальным загрязнением из огнеупоров или вообще без загрязнений.

Эти и другие задачи можно решить с помощью способа, согласно которому металл плавят в тигле с использованием микроволновой энергии. Устройство содержит микроволновую камеру для установки такого тигля и волноводы для направления микроволновой энергии в тигель. Тепло плавит металл в тигле, а изоляционный контейнер, окружающий тигель, защищает окружающую микроволновую камеру от тепла тигля.

Далее изобретение поясняется на чертежах и при помощи подробного описания.

Фиг. 1 изображает поперечное сечение устройства согласно изобретению,

- 1 006623 фиг. 2 изображает схематичный вид и поперечное сечение альтернативного варианта устройства для выполнения предложенного способа.

Было обнаружено, что металлы можно рационально и эффективно плавить с помощью микроволновой энергии.

Использование микроволн позволяет плавить небольшие партии металла, использовать малые количества энергии и тигельные материалы, не загрязняющие плавящиеся металлы. Этот вывод весьма неожиданный и противоречит существующей общей уверенности в том, что, как отмечалось в патенте США И8 5941297, металлы разрушат микроволновые генераторы, вызывая полный отказ механизмов. Настоящее изобретение позволяет решить данную проблему с помощью предложенных способа и устройства. Преимущества и существенные признаки изобретения станут понятными из следующего описания со ссылкой на чертежи.

Изобретение, по существу, заключается в том, что металл или металлы, предназначенные для плавки, помещают в тигель, тигель помещают в микроволновую камеру и направляют микроволны на тигель. Микроволны вызывают нагревание тигля и металла. Когда металл и тигель нагреваются, они становятся более восприимчивыми к микроволновой энергии, и металл начинает нагреваться с большей скоростью по мере увеличения времени и температуры нагрева. Для повышения эффективности использования микроволн и сокращения времени цикла можно применять средство подогрева, как будет описано ниже, чтобы нагреть тигель и связанный с ним металл до температуры, при которой они становятся более восприимчивыми к микроволновому нагреву, до подачи на них микроволн.

На фиг. 1 изображена микроволновая камера 1, на которую направляет микроволны генератор 2 по волноводам 3 и/или 4. Для откачки атмосферы из камеры 1 можно использовать вакуумный насос 6, и при этом в камеру можно подавать контролируемую атмосферу, такую как аргон, по трубопроводу 5.

Металл или металлы, предназначенные для плавки, помещают в тигель 10, который вместе с необязательной литейной формой 11 и связанным с ним керамическим контейнером 14 можно помещать в камеру 1 и извлекать из нее на подвижном столе 7 при открытии и закрытии герметичной дверцы 15. Керамический контейнер 14 аккумулирует тепло вокруг тигля 10 и литейной формы 11. Изоляционная плита 8 под тиглем 10 и литейной формой 11 препятствует передаче тепла в подвижный стол и стенки камеры и через них. Пространство 31 между тиглем 10 и литейной формой 11 и контейнером 14 служит в качестве изолятора и является свободным объемом.

На фиг. 2 показан альтернативный вариант устройства, открытого сверху и имеющего цоколь 16 для повышения изоляции по сравнению с плитой 8 в первом варианте.

После помещения тигля 10 в камеру 1 и герметизации камеры в нее направляют микроволновую энергию по волноводам 3 и/или 4. Геометрия этой камеры и волновода такова, что микроволновая энергия фокусируется на тигле 10 и равномерно нагревает его. Температуру тигля 10 можно контролировать с помощью пирометра, например оптического пирометра, с визированием через смотровое окно 13 в камере. Когда температура тигля достигает температуры плавления металла, часть микроволновой энергии взаимодействует с самим металлом, увеличивая тем самым скорость повышения температуры. Когда температура тигля достигнет точки плавления металла в тигле 10, подачу микроволновой энергии отключают. В этот момент дверцу камеры можно открыть для извлечения и разливки расплавленного металла.

Литейную форму 11 можно разместить в камере под тиглем 10. При такой компоновке предпочтительно иметь второй волновод 4 для направления микроволновой энергии к литейной форме 11. Можно добавить дополнительные волноводы для лучшего управления тепловым профилем тигля 10 и литейной формы 11. Использование нескольких резонансных волноводов уменьшает или вообще исключает необходимость в использовании перемешивающего двигателя в камере в целях гомогенизации микроволновой энергии в камере 1. Температура литейной формы 11 контролируется, например, термопарой 9. Температуры можно регулировать посредством избирательного направления микроволновой энергии через волноводы 3 и 4. Предпочтительно, чтобы литейная форма 11 достигала температуры плавления металла, подлежащего плавке, одновременно или несколько раньше, чем этой температуры достигнет тигель 10. После того как металл в тигле начнет плавиться, можно использовать любую из двух компоновок для введения расплавленного металла в литейную форму 11 при дополнительном облучении расплавленного металла СВЧ излучением.

Состав тигля и литейной формы предпочтительно включает в себя такие материалы, как углерод, графит или карбид кремния, воспринимающие микроволновую энергию. В некоторых вариантах тигель выполнен из материала, проницаемого по меньшей мере к части микроволн.

Простое выпускное отверстие или слив между тиглем 10 и литейной формой 11 позволяет расплавленному металлу по мере его плавления вытекать в форму 11.

Альтернативно, можно использовать разливочный стержень 12 для закрывания пропускного отверстия между тиглем 10 и формой 11 до тех пор, пока не надо будет переместить какое-то количество расплавленного металла в литейную форму 11. В случае необходимости такого перемещения разливочный стержень 12 поднимают, и расплавленный металл течет из тигля 10 в литейную форму 11. Разливка в данном случае более однородная, и этот процесс более пригоден для формовки сплавов.

- 2 006623

В многочисленных экспериментах было обнаружено, что плавки, проводившиеся в плавильных микроволновых печах, не вызывали растрескивания тиглей. Это объясняется более равномерным нагревом тигля, чем в обычных тигельных печах с использованием более концентрированных источников тепла и больших разностей температур между источником тепла и тиглем. В процессе микроволновой плавки тигель нагревается за счет прямого взаимодействия с микроволнами. При этом не возникает теплового удара, связанного с индукционным нагревом, при котором металл нагревается вихревыми токами.

Кроме того, в различных экспериментах использовалось множество керамических материалов для тиглей и литейных форм, которые обладают явными преимуществами по сравнению с такими материалами как графит, обычно используемый при индукционном нагреве. Графит, или углерод, имеет склонность химически загрязнять расплавы металла, особенно при многократном использовании.

Было обнаружено, что время циклов плавки и разливки сопоставимо со временем циклов плавки и разливки в индукционных процессах, но для СВЧ процессов требуется значительно меньшая мощность. При использовании предложенного СВЧ процесса можно достигать высоких температур порядка приблизительно 2300°С с относительно невысоким потреблением мощности (2-6 кВт). Для сравнения, для достижения умеренных температур 1400-1800°С при индукционном нагреве требуется 10-150 кВт.

Альтернативные варианты изобретения включают в себя использование вспомогательных источников тепла, например резистивного нагревателя (не показан), располагаемого в изоляционном пространстве 31, для подогрева тигля 10 и находящейся в нем шихты.

Использование микроволновой камеры обеспечивает и другие преимущества. Металл плавится в контролируемой атмосфере, которая может быть по существу свободной от кислорода. Камера образует защитный барьер между операторами и очень горячим расплавленным металлом. Этот процесс может быть полуавтоматическим, если поместить несколько литейных форм в камеру и выполнять разгрузку тигля с помощью робота.

Разливочный стержень может иметь дополнительные применения. Вращение стержня может вызывать перемешивание, особенно полезное при легировании. Микропористый стержень (полностью или частично) можно использовать для ввода газа в камеру и/или барботирования расплава.

Два СВЧ генератора марки СОВКА™ с частотой 2,45 ГГц, работающих от двух источников питания по 6 кВт, с использованием стандартных медных волноводов, настроенных на 2,45 ГГц, позволили достичь температуры тигля выше 1650°С и плавить медь, нержавеющую сталь и алюминий. Применение микроволновой энергии в течение более длительного времени позволило достичь температуры 1800°С и плавить золото и платину. Кроме того, плавили бор при >2000°С.

Предложенные способ и устройство обеспечивают новый метод плавки металлических материалов. Способ и устройство согласно изобретению также позволяют использовать целый ряд материалов для тиглей, а также небольшие загрузки при значительно сниженных требованиях по мощности и пространству.

Поскольку приведенное выше описание имеет общий характер, все изменения подпадают под объем притязаний изобретения, если они охарактеризованы прилагаемой формулой изобретения.

Claims (21)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ плавки металла в печи, заключающийся в том, что помещают металл в тигель, выполненный из материала, имеющего состав, тугоплавкий по отношению к расплавленному металлу и содержащий восприимчивые к микроволнам элементы, причем материал тигля способен частично поглощать и частично передавать микроволновую энергию, термически изолируют тигель материалом, который, по существу, не взаимодействует с микроволновой энергией, устанавливают изолированный тигель с металлом в микроволновую камеру, генерируют микроволновую энергию в микроволновой камере посредством по меньшей мере одного резонансного микроволнового генератора, подвергают изолированный тигель в камере воздействию микроволновой энергии для генерации тепла в составе материала тигля за счет поглощения микроволновой энергии тиглем, по меньшей мере, до тех пор, пока температура тигля не достигнет температуры плавления металла, при этом за счет передачи тепла из тигля металл нагревается, при этом вследствие передачи микроволн через тигель часть микроволновой энергии взаимодействует с металлом, когда металл достигает своей температуры плавления.
2. 2. Способ по п.1, в котором дополнительно подогревают тигель с помощью нагревательного средства, отличного от микроволновой энергии, перед воздействием микроволновой энергией на изолированный тигель.
3. 3. Способ по п.1, в котором дополнительно откачивают окружающую атмосферу из микроволновой камеры перед тем, как металл расплавится в тигле.
4. 4. Способ по п.1, в котором дополнительно создают контролируемую атмосферу в микроволновой камере перед тем, как металл расплавится в тигле.

   - 3 006623
5. 5. Способ разливки металла, заключающийся в том, что помещают металл в тигель, выполненный из материала, имеющего состав, тугоплавкий по отношению к расплавленного металлу и содержащий восприимчивые к микроволнам элементы, причем материал тигля способен частично поглощать и частично передавать микроволновую энергию, термически изолируют тигель материалом, по существу не взаимодействующим с микроволновой энергией, устанавливают изолированный тигель с металлом в микроволновую камеру, генерируют микроволновую энергию в микроволновой камере посредством по меньшей мере одного резонансного микроволнового генератора, подвергают изолированный тигель в камере воздействию микроволновой энергии для генерации тепла в составе материала тигля за счет поглощения микроволновой энергии тиглем, по меньшей мере, до тех пор, пока температура тигля не достигнет температуры плавления металла, при этом за счет передачи тепла из тигля металл нагревается, при этом вследствие передачи микроволн через тигель часть микроволновой энергии взаимодействует с металлом, когда металл достигает своей температуры плавления, выпускают расплавленный металл через выпускное отверстие в дне тигля в литейную форму, расположенную под изолированным тиглем, и охлаждают расплавленный металл до тех пор, пока он не затвердеет.
6. 6. Способ по п.5, в котором выпускаемый расплавленный металл дополнительно подвергают воздействию микроволновой энергии.
7. 7. Способ по п.5, в котором литейную форму дополнительно нагревают перед выпуском расплавленного металла со дна тигля в литейную форму.
8. 8. Способ по п.7, в котором дополнительно нагревают литейную форму после выпуска расплавленного металла со дна тигля в литейную форму и перед охлаждением расплавленного металла.
9. 9. Способ по п.5, в котором дополнительно нагревают литейную форму после выпуска расплавленного металла со дна тигля в литейную форму и перед охлаждением расплавленного металла.
10. 10. Способ по п.5, в котором дополнительно барботируют расплавленный металл перед его выпуском со дна тигля в литейную форму.
11. 11. Печь для плавки металла, содержащая микроволновую камеру, по меньшей мере один резонансный микроволновый генератор для генерации микроволновой энергии в микроволновой камере, тигель, расположенный в микроволновой камере и выполненный из материала, имеющего состав, тугоплавкий по отношению к расплавленному металлу и содержащий элементы, восприимчивые к микроволнам, причем материал тигля способен частично поглощать и частично передавать микроволновую энергию, при этом в тигле расположен металл, который поглощает тепло из тигля, когда металл находится в твердом состоянии и не взаимодействует с микроволновой энергией, и который поглощает тепло из тигля и энергию из микроволн для выработки тепла, когда металл нагрет тиглем до температуры, при которой металл взаимодействует с микроволновой энергией, теплоизолирующий контейнер, заключающий в себе тигель, причем контейнер выполнен из материала, по существу не взаимодействующего с микроволновой энергией, при этом тигель имеет состав и конструкцию, позволяющие поглощать микроволны, вырабатывать тепло в результате поглощения микроволн и передавать тепло металлу, по меньшей мере, до тех пор, пока температура тигля не достигнет температуры плавления металла, и состав тигля способен передавать микроволны через тигель таким образом, чтобы часть микроволновой энергии взаимодействовала с металлом, когда металл достигает своей температуры плавления, и повышала скорость роста температуры металла, обеспечивая тем самым плавку металла в тигле.
12. 12. Устройство по п.11, дополнительно содержащее средство, отличное от микроволнового генератора, для нагрева тигля.
13. 13. Устройство по п.12, в котором средство для нагрева тигля представляет собой резистивный нагреватель.
14. 14. Устройство по п.11, дополнительно содержащее средство для откачки атмосферы из микроволновой камеры.
15. 15. Устройство по п.11, дополнительно содержащее средство для создания контролируемой температуры в микроволновой камере.
16. 16. Устройство для разливки металла, содержащее микроволновую камеру, по меньшей мере один резонансный микроволновый генератор для генерации микроволновой энергии в микроволновой камере, тигель, расположенный в микроволновой камере и выполненный из материала, имеющего состав, тугоплавкий по отношению к расплавленному металлу и содержащий элементы, восприимчивые к микроволнам, причем материал тигля способен частично поглощать и частично передавать микроволновую энергию, при этом в тигле расположен металл, который поглощает тепло из тигля, когда металл находится в твердом состоянии и не взаимодействует с микроволновой энергией, и который поглощает тепло из

    - 4 006623 тигля и энергию из микроволн для выработки тепла, когда металл нагрет тиглем до температуры, при которой металл взаимодействует с микроволновой энергией, теплоизолирующий контейнер, заключающий в себе тигель, причем контейнер выполнен из материала, по существу не взаимодействующего с микроволновой энергией, при этом тигель имеет состав и конструкцию, позволяющие поглощать микроволны, вырабатывать тепло в результате поглощения микроволн и передавать тепло металлу, по меньшей мере, до тех пор, пока температура тигля не достигнет температуры плавления металла, и состав тигля также способен передавать микроволны через тигель таким образом, чтобы часть микроволновой энергии взаимодействовала с металлом, когда металл достигает своей температуры плавления, и повышала скорость роста температуры металла, обеспечивая тем самым плавку металла в тигле, и тигель имеет выпускное отверстие на дне, и литейную форму, расположенную под тиглем, для приема расплавленного металла из выпускного отверстия.
17. 17. Устройство по п.16, дополнительно содержащее средство, отличное от микроволнового генератора, для нагрева литейной формы.
18. 18. Устройство по п.17, в котором средство для нагрева литейной формы представляет собой резистивный нагреватель.
19. 19. Устройство по п.16, дополнительно содержащее разливочный стержень, вставленный с возможностью извлечения в выпускное отверстие в тигле.
20. 20. Устройство по п.19, в котором разливочный стержень выполнен микропористым, по меньшей мере частично, и содержит средство для ввода газа в микроволновую камеру.
21. 21. Устройство по п.19, в котором стержень выполнен микропористым, по меньшей мере частично, и содержит средство для введения газа для барботирования расплава.