RU2009426C1

RU2009426C1 - Method of start heating of non-electroconductive materials in induction furnace

Info

Publication number: RU2009426C1
Authority: RU
Inventors: Д.Б. Лопух; Ю.Б. Петров; А.Ю. Печенков; О.Н. Цвешко; Ф.А. Лифанов; С.В. Стефановский
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им.В.И.Ульянова (Ленина)
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1991-06-27
Publication date: 1994-03-15

Abstract

FIELD: electrometallurgy. SUBSTANCE: method involves the steps of: introducing a non-cooled conductive loop into an initial charge, heating the loop till forming a melt around the loop, heating the loop till breaking and occurring an electric arc at the ends of the loop and maintaining the burning of arc till complete combustion or melting of the loop. EFFECT: enhanced efficiency. 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии индукционного плавления непроводящих материалов, например оксидных керамических, стекольных, петрургических шихт. Наиболее эффективно оно может быть использовано в технологии переработки радиоактивных отходов методом остекловывания в химически и механически стабильные матрицы. The invention relates to a technology for induction melting of non-conductive materials, for example, oxide ceramic, glass, peturgic mixtures. It can be most effectively used in the technology of processing radioactive waste by vitrification into chemically and mechanically stable matrices.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ стартового плавления, реализуемый с помощью устройства. The closest in technical essence and the achieved result is the method of starting melting, implemented using the device.

Сущность способа-прототипа заключается в следующем. После засыпки шихты в индукционную печь и включения источника питания, в тигель вводятся графитовые электроды, электрически и механически соединенные с концами металлического водоохлаждаемого замкнутого контура. Возникающее потокосцепление между электромагнитным полем индуктора и контуром приводит к возникновению на его концах ЭДС взаимоиндукции. Между концами электродов возбуждают электрическую дугу, соединяя электроды между собой. За счет выделения энергии в дуге шихта плавится и образует ванну расплава. По мере увеличения ванны расплава электроды разводят для еще большего увеличения ванны. О завершении стартового нагрева судят по площади, занимаемой зеркалом расплава, которая должна составлять 0,5-0,75 плавильной площади тигля. Затем разомкнутый контур с электродами выводят из тигля и ведут процесс плавления только за счет энергии электромагнитного поля индуктора, выделяющейся в расплаве. The essence of the prototype method is as follows. After filling the charge into the induction furnace and turning on the power source, graphite electrodes are introduced into the crucible, which are electrically and mechanically connected to the ends of the metal water-cooled closed loop. The resulting flux linkage between the electromagnetic field of the inductor and the circuit leads to the appearance of mutual induction at its ends. An electric arc is excited between the ends of the electrodes, connecting the electrodes to each other. Due to the release of energy in the arc, the mixture melts and forms a molten bath. As the melt pool increases, the electrodes are diluted to further increase the bath. The completion of starting heating is judged by the area occupied by the melt mirror, which should be 0.5-0.75 of the crucible melting area. Then the open circuit with the electrodes is removed from the crucible and the melting process is carried out only due to the energy of the electromagnetic field of the inductor released in the melt.

Описанный способ обладает следующими существенными недостатками. Во-первых, для формирования стартовой ванны расплава, способной самостоятельно поглощать энергию электромагнитного поля индуктора, необходимо раздвигать электроды относительно друг друга. При этом следует постоянно следить за тем, чтобы они были заглублены в расплав. В противном случае дуга может погаснуть и стартовый нагрев не состояться. Кроме того, свободному разведению электродов мешают корки и настыли, образующиеся в процессе формирования расплава. Графитовый электрод может сломаться, а следовательно, прекратиться и стартовый нагрев. Во-вторых, горение дуги поддерживают до тех пор, пока расплав не займет 0,5-0,75% плавильной площади тигля. Высокая температура расплава в местах горения электрической дуги в совокупности с длительным временем горения способствует повышенному уносу легколетучих компонентов шихты. The described method has the following significant disadvantages. Firstly, for the formation of a starting bath of the melt, capable of independently absorbing the energy of the electromagnetic field of the inductor, it is necessary to move the electrodes relative to each other. In this case, you should constantly ensure that they are buried in the melt. Otherwise, the arc may go out and start heating will not take place. In addition, crusts and crusts formed during melt formation interfere with the free dilution of the electrodes. The graphite electrode may break, and therefore the start heating will also stop. Secondly, arc burning is maintained until the melt occupies 0.5-0.75% of the melting area of the crucible. The high temperature of the melt in the places of burning of the electric arc, together with a long burning time, contributes to increased ablation of the volatile components of the charge.

Следовательно способ не обладает достаточной надежностью стартового нагрева и характеризуется повышенным уносом легколетучих компонентов шихты. Therefore, the method does not have sufficient reliability of the starting heating and is characterized by increased ablation of the volatile components of the charge.

Целью изобретения является увеличение надежности стартового нагрева и снижение уноса легколетучих компонентов шихты. The aim of the invention is to increase the reliability of starting heating and reduce the entrainment of volatile components of the charge.

Изобретение позволяет избавиться от операции перемещения электродов и контроля за их заглублением в расплав. Повышается надежность стартового нагрева. Поскольку проводящий контур находится под слоем шихты и не извлекается из тигля в течение всего процесса плавки, снижается унос легколетучих компонентов шихты, включая радионуклеиды при плавлении радиоактивных отходов. Это обусловлено также тем, что происходит фильтрация отходящих газов и паров слоем шихты. Легколетучие компоненты остаются в шихте, расплавляются и включаются в структуру плавленого оксидного материала. The invention allows to get rid of the operation of moving the electrodes and control over their penetration into the melt. The reliability of starting heating is increased. Since the conductive circuit is located under the charge layer and is not removed from the crucible during the entire melting process, the ablation of the volatile components of the charge, including radionuclides during melting of radioactive waste, is reduced. This is also due to the fact that the exhaust gases and vapors are filtered by a layer of the charge. Volatile components remain in the charge, are melted and incorporated into the structure of the fused oxide material.

На фиг. 1 изображен первый этап стартового нагрева шихты; на фиг. 2 - второй этап; на фиг. 3 - третий этап. In FIG. 1 shows the first stage of the starting heating of the mixture; in FIG. 2 - the second stage; in FIG. 3 - the third stage.

Водоохлаждаемый тигель индукционной печи состоит из набора изолированных друг от друга металлических секций 1. Тигель окружен металлическим водоохлаждаемым индуктором 2, к которому подводится ток высокой частоты. Полость тигля заполнена шихтой 3, подлежащей плавлению. Там же располагается короткозамкнутый электропроводный контур 4, который нагревается токами высокой частоты до возникновения первичного расплава 5. The water-cooled crucible of the induction furnace consists of a set of metal sections isolated from each other 1. The crucible is surrounded by a metal water-cooled inductor 2, to which a high-frequency current is supplied. The crucible cavity is filled with a charge 3 to be melted. There is located a short-circuited conductive circuit 4, which is heated by high-frequency currents until the primary melt 5.

Второй этап стартового нагрева шихты включает период, когда контур 4 перегорел в каком-либо одном месте с возникновением его на концах электрической дуги 6, замыкающейся через первичный расплав 5. The second stage of the starting heating of the charge includes the period when the circuit 4 burned out in any one place with the appearance of it at the ends of the electric arc 6, which closes through the primary melt 5.

Третий завершающий этап стартового нагрева включает период, когда контур 4 полностью сгорел, образовав стартовый объем расплава в виде тора. Образованный стартовый объем расплава способен самостоятельно поглощать энергию электромагнитного поля индуктора 2 и позволяет сформировать ванну расплава во всем объеме тигля. The third final stage of starting heating includes the period when the circuit 4 is completely burned, forming the starting volume of the melt in the form of a torus. The formed starting volume of the melt is able to independently absorb the energy of the electromagnetic field of the inductor 2 and allows you to form a bath of melt in the entire volume of the crucible.

Способ стартового нагрева реализуется следующим образом. В тигель 1, окруженный индуктором 2, помещают шихту переплавляемого материала. На шихте или под слоем шихты размещают электропроводный замкнутый контур 4 таким образом, чтобы он располагался в регулярной зоне индуктора 2. Включают источник питания индукционной печи и подают высокое напряжение высокой частоты на индуктор 2. Возникающее при этом переменное электромагнитное поле индуцирует в электропроводном контуре 4 вихревые токи, которые нагревают контур 4. Регулировкой подводимого к индуктору 2 напряжения поддерживают температуру контура 4 выше температуры ликвидус одного из компонентов шихты. Вокруг контура 4 образуется первичный расплав 5. Увеличением напряжения на индукторе добиваются перегорания или расплавления контура 4 с образованием на его концах электрической дуги 6. Поддерживают устойчивое горение дуги до полного сгорания или расплавления контура с образованием тора 7 из оксидного расплава. The starting heating method is implemented as follows. In a crucible 1, surrounded by an inductor 2, a charge of remelted material is placed. An electrically conductive closed circuit 4 is placed on the charge or under the charge layer so that it is located in the regular zone of inductor 2. Turn on the power source of the induction furnace and apply a high voltage of high frequency to the inductor 2. The resulting electromagnetic field induces vortex in the electrically conductive circuit 4 currents that heat the circuit 4. By adjusting the voltage supplied to the inductor 2, the temperature of the circuit 4 is maintained above the liquidus temperature of one of the charge components. A primary melt 5 is formed around circuit 4. By increasing the voltage on the inductor, burnout or melting of circuit 4 is achieved with the formation of an electric arc 6 at its ends. Stable arc burning is maintained until complete combustion or melting of the circuit with formation of a torus 7 from an oxide melt.

П р и м е р. Стартовый нагрев шихты боросиликатного стекла состава, мас. % : 15 N₂О; 20 Аl₂О₃; 7В₂О₃; 39,4 SiО₂; 17,4 СаО; 1,2 Fе₂О₃. Стартовый нагрев осуществляют в индукционной печи с металлическим водоохлаждением тиглем
внутренний диаметр тигля, мм 300
внешний диаметр тигля, мм 330
внутренний диаметр индуктора, мм 400 высота индуктора, мм 200
число витков индуктора 5
Источник питания индукционной печи - высокочастотный ламповый генератор ВЧГ-60-60/0,44 с колебательной мощностью 60 кВт и частотой тока 0,44 МГц.PRI me R. Starting heating of the mixture of borosilicate glass composition, wt. %: 15 N ₂ O; 20 Al ₂ O ₃ ; 7B ₂ O ₃ ; 39.4 SiO ₂ ; 17.4 CaO; 1.2 Fe ₂ O ₃ . Starting heating is carried out in an induction furnace with a metal water cooling crucible
crucible inner diameter, mm 300
outer diameter of the crucible, mm 330
inductor inner diameter, mm 400 inductor height, mm 200
the number of turns of the inductor 5
The power source of the induction furnace is a high-frequency tube generator VChG-60-60 / 0.44 with an oscillating power of 60 kW and a current frequency of 0.44 MHz.

Для проведения стартового нагрева в тигель помещают 10 кг шихты. Под слоем шихты в 10 мм в регулярной зоне индуктора размещают металлическое замкнутое кольцо диаметром 250 мм. Кольцо изготовлено из трех миллиметровой стальной проволоки. Включают источник питания и подают на индуктор высокочастотное напряжение. Нагревают кольцо до 900^оС, что на 200^о превышает температуру размягчения боросиликатного стекла указанного состава. Формируют под кольцом первичный расплав. Затем увеличивают напряжение на индукторе и перегревают кольцо до перегорания с возникновением на его концах электрической дуги, замыкающейся через расплав в месте разрыва. По мере сгорания кольца происходит его замещение расплавом образующейся стекломассы. После сгорания кольца в тигле находится тор из стекломассы, способный самостоятельно греться, поглощая энергию электромагнитного поля индуктора. На этом этап стартового нагрева заканчивается и начинается этап формирования ванны расплава.For starting heating, 10 kg of charge are placed in the crucible. Under a 10 mm charge layer, a closed metal ring with a diameter of 250 mm is placed in the regular zone of the inductor. The ring is made of three millimeter steel wire. The power source is turned on and a high-frequency voltage is supplied to the inductor. The ring is heated to 900 ^about C, which is 200 ^about higher than the softening temperature of borosilicate glass of the specified composition. A primary melt is formed under the ring. Then, the voltage at the inductor is increased and the ring is overheated until it burns out with the appearance of an electric arc at its ends that closes through the melt at the point of rupture. As the ring burns, it is replaced by a molten glass melt. After the ring is burned, a crucible of molten glass is located in the crucible, which is able to heat itself, absorbing the energy of the electromagnetic field of the inductor. At this stage, the starting heating ends and begins the stage of formation of the molten bath.

Электрические режимы работы источника питания, отражающие этапы стартового нагрева приведены в таблице. Electrical modes of operation of the power source, reflecting the stages of starting heating, are given in the table.

Данные таблицы свидетельствуют о том, что с начала стартового нагрева и до его завершения происходит постепенное устойчивое увеличение электромагнитной связи расплава стекломассы с индуктором, что свидетельствует о надежности предложенного способа стартового нагрева. The data in the table indicate that from the beginning of starting heating to its completion there is a gradual steady increase in the electromagnetic coupling of the molten glass with the inductor, which indicates the reliability of the proposed method of starting heating.

Достигают снижение времени стартового нагрева в 1,5-3 раза, в 4 раза уменьшается унос радионуклеидов. (56) Авторское свидетельство СССР N 1329308, кл. F 27 D 11/06, 1987. Achieve a reduction in starting heating time of 1.5-3 times, 4 times reduced ablation of radionuclides. (56) Copyright certificate of the USSR N 1329308, cl. F 27 D 11/06, 1987.

Claims

METHOD FOR STARTING HEATING OF NON-ELECTRIC WIRING MATERIALS IN AN INDUCTION FURNACE, including the introduction of an electrically conductive circuit into the crucible, the excitation of an electric arc, the formation of the starting volume of the melt, characterized in that the circuit is heated above the liquidus temperature of one of the charge components and kept until melt around the circuit continues to heat up to break circuit with the occurrence at its ends of an electric arc, maintain stable burning of the arc until complete combustion or melting of the circuit.