NO332418B1 - Rotor for tilforsel av varme til ei smelte - Google Patents

Description

Oppfinnelsens tekniske område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en rotor for tilførsel av varme til ei metallsmelte der rotoren en anbrakt i beholder med åpninger for tilførsel og fjerning av smelte og hvor det kan dannes undertrykk: Rotoren omfatter et hult sylindrisk legeme som er konfigurert for å rotere og en hul drivaksel som opptar en elektrode for tilførsel av elektrisk strøm for dannelse av en lysbue mot overflaten av metallet i smelta. Den nedre ende av elektroden er anbrakt i et hult hode med åpning nedover mot bunnen av beholderen, og det hule hodet er innrettet for å gi plass for ei overflate av metallsmelta, slik at lysbuen dannes inne i hodet og hvor den hule drivakselen er innrettet for tilførsel av gass til metallsmelta.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Det er kjent å bruke elektrisk lysbue mellom elektroder(r) og ei smelte for å tilføre varme til smelta. Det oppstår da store temperaturforskjeller og -gradienter mellom øvre og undre sjikt i smelta, og det kan lett oppstå store temperaturer i utstyret og/eller i smelta lokalt. Videre kan det oppstå store temperaturforskjeller og temperaturgradienter mellom øvre og undre sjikt i smelta eller mellom smelte nær lysbuen og den omliggende smelte. Smeltas kjemiske sammensetning vil også kunne bli påvirket på uønsket måte.

Det er derfor foreslått å tilføre varme til smelta ved hjelp av en eller flere rotorer der det i rotoren(e)s vegg er anordnet gjennomgående åpninger som bevirker at smelte suges opp gjennom et hull i bunnen av rotoren og samme med gass som eventuelt tilføres den oppvarmede smelta pumpes ut og blandes med den omliggende smelte gjennom åpningene i rotorveggen.

En slik løsning er kjent fra søkerens eget norske patent nr. 318849 som herved inntas ved referansen med hensyn til elementer som er nødvendige for å oppnå en oppvarming av smelta på en ønsket måte.

Fra WO 2009/120089 er det kjent en anordning og en fremgangsmåte for oppvarming av fluider der en lysbue strekker seg ned mot en sentralt beliggende elektrode ved et hulroms bunn, eller der en elektrode har en åpen bunn med en bubbring som snevrer inn den den nedre åpningen..

NO 318848 beskriver et anlegg for tilførsel av varme til ei metallsmelte, om-fattende en beholder med lokk og med åpninger for tilføring og bortføring av smelte og hvor det kan dannes undertrykk. Anlegget omfatter videre en rotor i form av et hult sylinderformet legeme tilknyttet en hul drivaksel som opptar en elektrode for tilførsel av elektrisk kraft. Enden på elektroden e beliggende i et hult hode ved det sylinderformede legemets nedre ende. Hodet er utstyrt med en åpning som vender nedover mot beholderbunnen for å gi plass til for en overflate av metallsmelta inne i hodet. Derved kan det dannes en lysbue mellom elektrodeenden og metalloverflata inne i hodet. I den nedre enden på rotoren er det videre anordnet flere hull i rotorveggen slik at oppvarmet smelte inne i hodet kan pumpes ut gjennom hullene og blandes med smelta utenfor rotoren.

Ved de kjente løsninger for oppvarming av smelte ved hjelp av en rotor og en lysbue inne i et rotorhode er det i tillegg til god energiutveksling også et behov for å ha så stabil spenning i lysbuen som mulig og så stabile forhold for smeltas overflate-speil inne i rotorhodet.

Oppsummering av oppfinnelsen

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en rotorløsning som bidrar til god energioverføring fra lysbuen til smelta som skal varmes opp og som samtidig skaper et så stabilt lysbuemiljø inne i rotorhodet som mulig.

Et annet formål med rotorløsningen ifølge oppfinnelsen er å bringe fram en løsning som eliminerer eller i det minste reduserer mulighetene for spenningsvariasjoner i lysbuen inne i rotoren.

Et annet formål med oppfinnelsen består i danne et stabilt smeltesjikt på rotorens innside, slik at dannelse av turbulens i den del av smelta som er beliggende inne i rotoren elimineres, eller i det minste reduseres.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en rotorløsning som eliminerer, eller i det minste reduserer mulighetene for overoppheting av smelta lokalt inne i eller rundt rotoren.

Et annet formål med oppfinnelsen består i å tilveiebringe en rotor og en fremgangsmåte for oppvarming av smelta som eliminerer, eller i det minste reduserer risikoen eller mulighetene for uønsket eksponering av smelta mot eller innføring i smelta av uønskede gasser, stoffer eller kjemiske prosesser.

Nok et formål ved oppfinnelsen består i å forbedre eksisterende oppvarmings-prosesser av en smelte.

Ovennevnte formål oppnås med en løsning som nærmere definert i de medfølgende selvstendige patentkrav, mens mulige utførelsesformer eller varianter er definer i de uselvstendige patentkrav.

Ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen er den nedre endeflate på rotoren slik konfigurert at det dannes en pumpeeffekt i den oppvarmede smelta under rotorens nedre ende for å bevege oppvarmet smelte sideveis bort fra rotoren langs rotorens nedre, utvendige endeflate. En viktig fordel med pumpeeffekten er at løste elementer som fordamper på grunn av lysbuen, ledes bort sammen med gassen som er tilsatt i rotoren.

Rotorens nedre ende kan derfor med fordel være utformet med en innad vendende innsnevring som reduserer nevnte nedre åpning i rotoren, for derigjennom å øke rotorens nedre endeflate. Denne kan videre være konfigurert for å skape en sideveis bevegelse av den oppvarmede smelta utenfor og under rotoren.

Rotorens nedre endeflate kan ifølge en utførelsesform være utstyrt med riller, korrugeringer eller lignende slik at smelta beveges sideveis bort fra området under rotoren. I tilknytning til rotorens nedre endeflate kan det videre med fordel, men ikke nødvendigvis være anordnet gjennomgående boring i materialet som danner rotorens innsnevrede åpning, hvilke åpningers akse fortrinnsvis danner en vinkel med et plan som står vinkelrett på rotorens lengdeakse.

Rotorens utvendige sideflate(r) kan videre i det minste ved rotorens nedre ende eventuelt være utformet med spor, riller eller profileringer for å forsterke pumpeeffekten under rotorens nedre endeflate. Sporene, rillene eller profileringene kan eventuelt strekke seg i rotorens lengderetning og kan være lineære eller heliske. Alternativt kan sporene, rilene eller profileringene strekker seg .i retning rundt rotoren på dennes utside.

Som det fremgår av det som er anført ovenfor bringes den oppvarmede smelta under rotoren til å beveges vekk fra området under rotoren langs rotorens utvendige nedre flate(r) ved hjelp av rotorens utvendige utforming.

Ved løsningen ifølge oppfinnelsen sikres god energiutveksling som en konsekvens av stabile forhold uten dannelse av turbulens i smeltas metalloverflaten inne i rotorhodet. Dette gir stabile smeltesjikt og god transport av oppvarmet smelte og gass vekk fra rotorens nedre med stabil og jevn og kontinuerlig tilførsel av ny smelte for oppvarming.

Kort beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til de medfølgende tegningene, der: figur 1a viser skjematisk et oppriss sett fra siden av et kjent anlegg for tilførsel av varme til ei metallsmelte ifølge kjent teknikk;

figur 1b viser skjematisk et oppriss sett fra undersiden av anlegget i figur 1a, der kun beholderen, rotor og strømningsveier for smelta er vist;

figur 2a viser skjematisk et vertikalsnitt gjennom en utførelsesform av den nedre enden av en rotor ifølge foreliggende oppfinnelsen;

figur 2b viser skjematisk et horisontalt oppriss sett nedenfra av utførelses-formen vist i figur 2a;

figur 3 viser skjematisk et vertikalsnitt gjennom en andre utførelsesform av den nedre delen av en rotor ifølge foreliggende oppfinnelse; og

figur 4 viser et horisontalsnitt gjennom den nedre delen av en tredje utførelsesform av rotoren, utformet med vertikal spor eller utad ragende finner.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Figur 1 viser en prinsippskisse ifølge kjent teknikk av et anlegg 10 for tilførsel av varme til ei metallsmelte. Anlegget 10 består av en sylindrisk eller rektangulær vertikal beholder 11 med et utløp inne i beholderen i form av en utløpskanal 12. Smelta som er behandlet strømmer ut gjennom åpningen 13 ved utløpskanalens 12 nedre ende. Smelta som skal behandles strømmer inn gjennom en åpning 14 ved beholderens 11 nedre ende og løftes opp på grunn av undertrykk i beholderen 11. Undertrykket skapes ved hjelp av en vakuumpumpe (ikke vist) tilkoplet en slange-stuss 15.1 beholderen 11 er det anordnet en rotor 16 som drives ved hjelp av en motor 17 via en removerf øring 18 eller lignende til en remskive 19 som er festet til en rørformet aksel 20. Rotoren 16 er hul og ved sin nedre ende er rotoren 16 utstyrt med en åpning 35 som står i fri kommunikasjon med den omliggende smelte 36. Akselen 20 er forbundet med motor 17. Motoren 17 er festet til en brakett 21. Braketten 21 kan være festet til beholderen 11 eller til et eget stativ. Tettingen mellom rotorakselen 20 og beholderen 11 er i form av en pakning 22. På braketten 21 er det et lager som styrer rotorakselen 20. Sentralt i akselen er det plassert en elektrode 23. Elektrodens 23 øvre ende er knyttet til en strømkabel tilkopling (ikke vist) en kabelsko 24.Gjennom elektroden 23 er det boret et sentralt hull for tilførsel av gass. Hullet er tilkoplet en stuss 25 som er festet i enden av elektroden 23. Gassen som tilføres gjennom elektroden 23 er fortrinnsvis argon eller nitrogen eller blandinger av disse. Men også andre gasser kan benyttes. Gassen over øvre smeltenivå 26 vil bestå av en blanding av gass som er tilsatt rotoren og gasser som eventuelt avgis fra smelta. Uttak av gasser skjer gjennom røret 15. Mellom rotorakselen 20 og elektroden 23 er det en ring 33 som virker både som tetting og elektrisk isolasjon. Ringen 33 har en gjennomføring for gass og partikler gjennom en rørstuss 27 som kan være tilknyttet en pulversender 28.1 tilknytning til utstyret er det i rennen også anordnet en sluseventil 29 og sluseventil 30.1 den nedre enden av rotoren er det flere hull (ikke vist) som går fra periferien og inn mot smeltespeilet 31. Høyden på smeltespeilet 31 bestemmes av gasstrykket inne i rotoren 16.

Ved oppstart er sluseventilen 29 stengt og sluseventilen 30 åpen. Ei renne 32 fylles opp til et visst nivå. Smelta vil da stå oppe i et indre hulrom i rotoren 16. Når vakuum påføres fra en vakuumpumpe via stussen 15 tilsettes samtidig gass gjennom elektroden 23 og/eller gjennom ringen 33 til det indre hulrommet i rotoren 16. Metallsmelt suges opp til et øvre nivå 26. Rotoren 16 settes i rotasjon og spenning fra en likeretter eller en transformator (ikke vist) settes på. Strømmen er tilkoplet ved hjelp av kabelskoen 24 til elektroden 23, og til en kontakt som er tilknyttet smelta eller via rotorakslingen 20 ved hjelp av en slepekontakt (ikke vist). En lysbue 33 dannes mellom elektroden 23 ned mot metallspeilet 31. Rotasjon av rotoren 16 bevirker at den oppvarmede smelta som befinner seg i rotoren 16 pumpes ut gjennom hullene (ikke vist) i veggen på rotoren 16 og blandes med smelta i beholderen 11. Hullene i rotorveggen kan være runde eller mangekantete og være plassert jevnt fordelt rundt rotorens 16 periferi.

Når smelta har nådd ønsket temperatur åpnes sluseventilen 29 og sluseventilen 30 lukkes. Metallet vil strømme ut av beholderen 11 for videre behandling.

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende beskrives nærmere ved hjelp av utførelseseksempler, vist i figurene 2-4. Generelt kan et anlegg der oppfinnelsen er anvendt i prinsippet tilsvare det som er vist beskrevet i tilknytning til figurene 1a og 1 b, der den eneste vesentlige forskjell kan bestå i utformingen av rotoren 16 og dennes nedre ende. For beskrivelse av oppfinnelsen vises det derfor generelt til figurene 1a og 1b, idet de samme henvisningstall anvendes der dette er relevant. Figur 2a viser skjematisk et vertikalsnitt gjennom en utførelsesform av den nedre enden av en rotor 16 ifølge foreliggende oppfinnelsen, mens figur 2b viser skjematisk et horisontalt oppriss sett nedenfra av utførelsesformen vist i figur 2a. Figurene viser ikke deler av anlegget 10 som tilsvarer det kjente anlegget, vist i figur 1 a og 1 b.

En rotor 16 er plassert under smelteflaten 26 i en beholder 11 som, der annet ikke er uttrykt eksplisitt eller implisitt tilsvarer beholderen 11 i anlegget 10 vist i figurene 1a og 1b. I rotor 16 er det anordnet en sentralt plassert strømførende elektrode 23 som danner en lysbue 34 mot metallspeilet 31 ved rotorens 16 nedre del, eksempelvis beliggende noe over åpningen 35 ved rotorens 16 nedre ende. Gass kan tilføres rotoren gjennom en sentralt beliggende åpning 37 i elektroden 23 og/eller gjennom den rø rf ormede aksling 20. Gassen ledes ut til smelta gjennom åpningen 35 ved rotorens 16 nedre ende. Rotoren 16 er ved denne enden utstyrt med en avslutning eller avgrensning 38 som rager inn i den sentrale åpningen 35, slik at rotoren 16 ved den nedre enden er utformet med en nedre avgrensning som danner en indre bunnflate i rotorhodet og en utvendig bunnflate med en mindre åpning enn det indre tverrsnitt av rotoren 16. Det skal videre anføres at den indre overflate på denne avgrensningen 38 kan ha en konkav eller buet form som går kontinuerlig over i den vertikale, sylindriske formen til rotoren 16.

Elektroden 11 kan reguleres opp og ned vertikalt. Strømmen, som kan være like- eller vekselstrøm tilkobles elektroden 11 og den rørformede akslingen 20 eller til metallsmelta som er elektrisk, tilsvarende som beskrevet i tilknytning til figur 1a og 1b. Ved oppstart av rotasjonen av rotoren vil det stå smelte opp i det sylindriske hulrommet inne i rotoren 16. Når beholderens 11 indre utsettes for et vakuum og når trykk tilføres rotorens 16 indre hulrom, samtidig med at rotoren 16 begynner å rotere, så vil smelta gradvis presses ut av det indre hulrommet i rotoren 16. Når elektrodens 23 nedre, frie end kommer klar av det indre metallspeilet 31 ved rotorens 16 nedre ende, settes strøm på og lysbuen 34 etableres for oppvarming av smelta. Som en konsekvens av rotasjonen og det delvis også det påførte overtrykk inne i rotorens 16 hulrom vil det dannes en innvendig, kontinuerlig rotasjonsparaboloide med et buet nedre metallspeil 31 som strekker seg videre langs den buede overflaten på den bedre avgrensning 38 og videre opp langs i det minste den nedre del av den innven-dige vertikale vegg i rotoren 16. Av denne grunn og i og med fraværet av vertikale åpninger gjennom rotorens 16 vertikale sidevegg, etableres det derved et stabilt smeltesjikt på rotorens innside uten tendens til dannelse av innvendig turbulens i rotoren 16. Derved oppnås det god energiutveksling og redusert risiko for store, uheldige spenningsvariasjoner over lysbuen 34.

Ifølge denne løsningen vil den oppvarmede smelte automatisk bli transportert fra sentrum ved rotorens 16 underside, radielt utover på grunn av rotasjonen og rotasjonens økende periferihastighet. Oppvarmet smelte beliggende under åpningen 35 vil således trekkes opp, varmes opp av effekten fra lysbuen 34 og bringes til å bevege sideveis bort under rotoren, For å bidra til denne pumpeeffekten og -beveg eisen til smelta, kan den nedre, utvendige bunnflaten på den nedre avgrensning 38 være utstyrt med radielle spor 39 for å øke transporten av den oppvarmede smelte. Sporene 39 vil også øke turbulensen i smelta under rotoren, men ikke i nevneverdig grad forholdene innvendig i rotorhodet 16.

Figur 3 viser skjematisk et vertikalsnitt gjennom en andre utførelsesform av den nedre delen av en rotor 16 ifølge foreliggende oppfinnelse. For ytterligere å øke den utvendige, utad rettede bevegelse av smelta under rotorens nedre flate kan en i tillegg til, eller i stedet for, de radielle spor 39 utforme radielle åpninger 40 i godset i den nedre avgrensningen 38. Åpningene 40 kan fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis være sylindriske og strekke seg radialt utover og oppover til rotorens 16 utvendige periferi.

Om en ytterligere ønsker å øke denne pumpeeffekten av smelte under rotoren 16, kan rotorens 16 vertikale flater være utformet med vertikale, rette eller heliske spor. En slik utførelsesform er vist i figur 4 som viser et horisontalsnitt gjennom den nedre delen av en tredje utførelsesform av rotoren, sett langs linjen 4-4 i figur 3. Figur 4 viser en utførelsesform med vertikal spor 41. Alternativt, eller i tillegg, kan det være anordnet utad ragende finner eller lignende på rotorens sylindriske overflate.

Elektroden 23 kan reguleres opp og ned vertikalt. Strømmen, som kan være like- eller vekselstrøm tilkobles elektroden 23 og akselen 20 eller til metallsmelta som er elektrisk. Ifølge oppfinnelsen vil den oppvarmede smelte automatisk trans-porteres fra bunnens sentrum radielt utover på grunn av økende periferihastighet.

Claims (6)

1. Anordning for tilførsel av varme til ei elektrisk ledende metallsmelte, hvor det i en lukket beholder (11) med åpninger (13,14) for tilførsel og fjerning av smelte og hvor det kan dannes undertrykk, er anordnet en rotor (16) i form av et hult rotasjonslegeme og en hul drivaksel (20) som opptar en elektrode (23) for tilførsel av elektrisk strøm for dannelse av en lysbue (34) mot en overflate (31) av metallet i smelta, idet den nedre ende av elektroden (23) er utformet med et hult hode med åpning (35) nedover mot bunnen av beholderen (11), og der det hule hodet er innrettet for å gi plass for overflaten (31) av metallsmelta, slik at lysbuen (34) dannes inne i hodet og hvor den hule drivakselen (20) eventuelt er innrettet for tilførsel av gass til metallsmelta, og der den nedre utvendige endeflate på rotoren (16) er utformet med en innad vendende innsnevring (38) som reduserer nevnte nedre åpning (35) i rotoren (16), karakterisert vedat rotorens (16) nedre utvendige endeflate er konfigurert slik at arealet på denne endeoverflate økes ved å utforme denne flate med radiale spor, riller eller, korrugeringer beliggende på endeflatens underside og/eller ved å anordne gjennomgående radiale boringer (40) i innsnevringen (38), slik at det dannes en pumpeeffekt i den oppvarmede smelta under rotorens (16) nedre ende for å bevege oppvarmet smelte sideveis bort fra rotoren (16) langs rotorens (16) nedre, utvendige endeflate.

2. Anordning ifølge krav 1, der nevnte radiale spor riller eller korrugeringer beliggende på endeflatens underside, strekker seg radialt utover og oppover.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, der aksen til de gjennomgående boringer (40) i materialet som danner rotorens (16) innsnevrede åpning (35) danner en vinkel med et plan som står vinkelrett på rotorens (16) lengdeakse, idet aksen strekker seg radialt utover og oppover fra rotorens senter.

4. Anordning ifølge et av kravene 1-3, der rotorens (16) utvendige sylindriske flate i det minste ved rotorens (16) nedre ende er utformet med spor (41), riller eller profileringer for å forsterke pumpeeffekten under rotorens (16) nedre endeflate.

5. Anordning ifølge krav 4, der sporene (41), rillene eller profileringene strekker seg i rotorens (16) lengderetning og kan være lineære eller heliske.

6. Anordning ifølge krav 5, der sporene (41), rillene eller profileringene strekker seg i retning rundt rotoren på dennes utside.