RU2083938C1

RU2083938C1 - Submerged-resistor induction furnace

Info

Publication number: RU2083938C1
Application number: RU94020053A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Фоченков; О.Н. Турпак; Д.Ш. Шошиашвили
Original assignee: Московская государственная академия автомобильного и тракторного машиностроения; Фоченков Борис Андреевич; Турпак Олег Николаевич; Шошиашвили Давид Шотаевич
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1997-07-10

Abstract

FIELD: electrical engineering and metallurgy. SUBSTANCE: furnace contains two induction coils and two magnetic circuits; channels are shifted by their width over horizontal axis of induction; width of central channel is equal to double width of lateral channel; on either side of furnace hearth there are triangular projections; they have shears from vertex of triangles over vertical plane perpendicular to axis of inductors to horizontal line; their thickness is equal to 1/5 thickness of channel; shears of each projection are directed towards vertical axis of central channel. EFFECT: enhanced efficiency. 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям индукционных канальных печей /ИКП/ для плавки металлов и сплавов и может быть использовано в металлургии при производстве алюминиевых, медных, цинковых сплавов, никеля, чугуна и др. The invention relates to electrical engineering, in particular to designs of induction channel furnaces / ICP / for melting metals and alloys and can be used in metallurgy in the production of aluminum, copper, zinc alloys, nickel, cast iron, etc.

Известна индукционная канальная печь, содержащая ванну и расположенную под ней сдвоенную индукционную единицу /ИЕ/, выполненную в виде каналов, охваченных индукторами с магнитопроводами (авт.св. СССР N 930757, кл.H 05 B 6/16, 1980 г. ). Однако данная конструкция имеет несимметрию активной мощности по каналам, достигающую 15-30% при угле, отличном от 0^o и 180^o, и недостаточный тепло- массоперенос из каналов в ванну печи.Known induction channel furnace containing a bath and located underneath a twin induction unit / IE /, made in the form of channels covered by inductors with magnetic circuits (ed. St. USSR N 930757, class H 05 B 6/16, 1980). However, this design has an asymmetry of active power in the channels, reaching 15-30% at an angle different from 0 ^o and 180 ^o , and insufficient heat and mass transfer from the channels to the furnace bath.

Известна индукционная канальная печь, принятая за прототип, которая содержит ванну и индукционную канальную единицу из двух магнитопроводов, охваченных цилиндрическими индукторами, предназначенными для подключения к сети с углом сдвига фаз между питающими напряжениями огнеупорной футеровкой подового камня с центральным каналом, двумя боковыми каналами, внутренняя поверхность которых ниже горизонтальной оси индуктора выполнена коаксиально индуктору и с обращенными в сторону ванны треугольными выступами, одна сторона которых совмещена с внутренней вертикальной поверхностью канала, а обращенный в сторону ванны угол равен 70-80^o (авт. св. СССР N 760492, кл. F 27 D 11/06, 1978).Known induction channel furnace, adopted for the prototype, which contains a bath and an induction channel unit of two magnetic circuits covered by cylindrical inductors designed to connect to a network with a phase angle between the supply voltage refractory lining of the hearth with a central channel, two side channels, the inner surface which below the horizontal axis of the inductor are made coaxial to the inductor and with triangular projections facing the bath, one side of which is combined it has an inner vertical surface of the channel, and the angle towards the bath is equal to 70-80 ^o (ed. St. USSR N 760492, class F 27 D 11/06, 1978).

Эта печь также не обеспечивает необходимый тепло- и массоперенос из каналов в ванну печи. This furnace also does not provide the necessary heat and mass transfer from the channels to the furnace bath.

Задача изобретения состоит в интенсификации тепло- и массопереноса из каналов в ванну печи путем усиления однонаправленного движения металла в каналах ИКП. The objective of the invention is to intensify heat and mass transfer from the channels to the furnace bath by enhancing the unidirectional movement of the metal in the channels of the ICP.

Сущность изобретения заключается в том, что в индукционной канальной печи, содержащей ванну и индукционную единицу из двух магнитопроводов, охваченных цилиндрическими индукторами, предназначенными для подключения к сети с углом сдвига фаз между питающими напряжениями и огнеупорной футеровки подового камня с центральным каналом, двумя боковыми каналами, внутренняя поверхность которых, ниже горизонтальной оси индуктора, выполнена коаксиально индуктору, и с обращенными в сторону ванны треугольными выступами, одна сторона которых совмещена с внутренней вертикальной поверхностью канала, а обращенный в сторону ванны угол меньше 90^o, индукторы выполнены для подключения к питающей сети с углом сдвига фаз Φ 0 -180 эл. град. боковые каналы смещены на их ширину по горизонтальной оси индукторов, центральный канал выполнен с шириной, равной двойной ширине бокового канала, одна из боковых сторон вертикального выступа совмещена с внутренней вертикальной поверхностью центрального канала, в треугольных выступах выполнены обращенные к вертикальной оси центрального канал срезы от вершины, обращенной в сторону ванны, по вертикальной плоскости, перпендикулярной оси индукторов, до горизонтальной, сопряженной с поверхностью подового камня, концентричной катушке индуктора, с толщиной, равной 1/5 размер канала вдоль оси катушки индуктора.The essence of the invention lies in the fact that in an induction channel furnace containing a bath and an induction unit of two magnetic circuits covered by cylindrical inductors designed to be connected to a network with a phase angle between the supply voltage and the refractory lining of the hearth with a central channel, two side channels, the inner surface of which, below the horizontal axis of the inductor, is made coaxial to the inductor, and with triangular projections facing the bath, one side of which is compatible ene with the inner vertical surface of the channel and facing away bath angle of less than 90 ^o, inductors formed for connection to the mains with a phase difference Φ 0 -180 e. hail. the side channels are offset by their width along the horizontal axis of the inductors, the central channel is made with a width equal to twice the width of the side channel, one of the sides of the vertical protrusion is aligned with the inner vertical surface of the central channel, in the triangular protrusions cuts from the top facing the vertical axis of the central channel are made facing the bath, on a vertical plane perpendicular to the axis of the inductors, to a horizontal concentric coil ind Ktorov, with a thickness equal to 1/5 of the size of the channel along the axis of the inductor coil.

Отличие предлагаемой печи от известной состоит в том, что индукторы выполнены для подключения к питающей сети с углом сдвига фаз v 0 -180 эл. град. боковые каналы смещены на их ширину по горизонтальной оси индукторов, центральный канал выполнен с шириной, равной двойной ширине бокового канала, одна из боковых сторон вертикального выступа совмещена с внутренней вертикальной поверхностью центрального канала, в треугольных выступах выполнены обращенные к вертикальной оси центрального канала срезы от вершины, обращенной в сторону ванны, по вертикальной плоскости, перпендикулярной оси индукторов, до горизонтальной, сопряженной с поверхностью подового камня, концентричной катушке индуктора, с толщиной, равной 1/5 размера канала вдоль оси катушки индуктора, при этом угол треугольных выступов, обращенных в сторону ванны составляет 60-70^o.The difference between the proposed furnace and the known one is that the inductors are made to connect to the mains with a phase angle v 0 -180 el. hail. the lateral channels are offset by their width along the horizontal axis of the inductors, the central channel is made with a width equal to twice the width of the side channel, one of the sides of the vertical protrusion is aligned with the inner vertical surface of the central channel, in the triangular protrusions cuts from the top facing the vertical axis of the central channel are made facing the bath, on a vertical plane perpendicular to the axis of the inductors, to a horizontal concentric coil in uktora, with a thickness equal to 1/5 of the size of the channel along the axis of the coil of the inductor, the angle triangular projections facing said bath of 60-70 ^o.

Технический результат, получаемый от использования изобретения, состоит в интенсификации тепло- и массопереносе из каналов в ванну печи, что позволяет увеличить срок службы футеровки ИКП за счет устранения перегрева металла в каналах ИЕ по сравнению с ванной, создать практически неограниченные с точки зрения тепло и массообмена возможности для повышения подводимой к печи активной мощности, а следовательно, и производительности печи. The technical result obtained from the use of the invention consists in the intensification of heat and mass transfer from the channels to the furnace bath, which allows to increase the service life of the ICP lining by eliminating metal overheating in the IE channels compared to the bath, and to create heat and mass transfer practically unlimited from the point of view Opportunities for increasing the active power supplied to the furnace, and consequently, the furnace productivity.

На фиг.1- а, б схематически изображена ИЕ двухиндукторной ИКП в разрезе и в плане; на фиг.2 и 3 показаны эпюры электромагнитных сил при углах v 0 и 60^o; на фиг. 4 выполнение верхней части подового камня в виде выступа; на фиг.5 эпюра электромагнитной силы в центральном канале.Figure 1 - a, b schematically shows the IE of a two-inductor ICP in the context and in plan; figure 2 and 3 shows a plot of electromagnetic forces at angles v 0 and 60 ^o ; in FIG. 4 the implementation of the upper part of the hearth in the form of a ledge; figure 5 plot of electromagnetic force in the Central channel.

ИЕ содержит два магнитопровода 1, индукционные катушки 2, футеровку подового камня 3 и шахты 4, боковые каналы 5, центральный канал 6, треугольные выступы подового камня 7, прилегающие к катушкам 2, и обращенные к ванне (не показана) вертикальные срезы 8 на выступах 7. Канальная часть печи выполняется с помощью специального шаблона, например, из меди или чугуна при набивке ИЕ футеровочной массой. IE contains two magnetic cores 1, induction coils 2, a lining of a hearth 3 and shafts 4, side channels 5, a central channel 6, triangular ledges of a hearth 7 adjacent to coils 2, and vertical sections 8 facing the bath (not shown) on the protrusions 7. The channel part of the furnace is performed using a special template, for example, from copper or cast iron when stuffing IE with the lining mass.

Такая геометрическая форма выступов со срезами обеспечивает дополнительный излом токовых линий в горизонтальной плоскости при угле v 0^o, а также в горизонтальной и вертикальной при угле v 60^o, что образует от каждого выступа со срезом осевую компоненту скорости, возникающую от равнодействующих ЭМС, образующихся при искривлении токовых линий под углом 90^o при срезе и 60 70^o -при выступе. При электропитании с углом v, равным 0^o линии тока, замыкаясь вокруг обеих индукционных катушек /синфазное включение/ по наикратчайшей траектории, стягиваются в зоне среза выступа одного из каналов под углом 90^o к вертикали и искривляются в горизонтальной плоскости, перетекая в аналогичный срез выступа другого канала, который, как и первый срез, обращен к вертикальной оси центрального канала.This geometric shape of the protrusions with slices provides an additional kink of the current lines in the horizontal plane at an angle of v 0 ^o , as well as in horizontal and vertical at an angle of v 60 ^o , which forms from each protrusion with a slice an axial velocity component arising from the resultant EMF generated when curvature of current lines at an angle of 90 ^o when shearing and 60 70 ^o when protrusion. When the power supply with an angle v equal to 0 ^o streamlines, closing around both induction coils / common mode / along the shortest path, are pulled together in the section of the protrusion of one of the channels at an angle of 90 ^o to the vertical and are bent in the horizontal plane, flowing into a similar section of the protrusion another channel, which, like the first slice, faces the vertical axis of the central channel.

При этом в зоне среза выступов из-за скин-эффекта и искривления линий тока резко возрастает его плотность, усиливая осевую компоненту скорости, направленную в ванну печи. At the same time, in the region where the protrusions are cut off, due to the skin effect and curvature of streamlines, its density sharply increases, strengthening the axial velocity component directed into the furnace bath.

Таким образом имеют место как бы три ступени, организующие "напорный" эффект в центральном канале ИЕ:
зона искривления токовых линий в данной части каналов при протекании электрического тока из канала первого индуктора во второй;
зона искривления токовых линий на срезах выступов треугольной формы /максимальный эффект при v 60 эл. град./;
зона искривления токовых линий при обтекании выступов треугольной формы, обращенных в ванне печи /максимальный эффект при v 60 эл. град./.Thus, there are, as it were, three steps that organize the “pressure” effect in the central channel of IE:
a curvature zone of current lines in this part of the channels when an electric current flows from the channel of the first inductor to the second;
zone of curvature of current lines on sections of triangular protrusions / maximum effect at v 60 el. hail./;
zone of curvature of current lines when flowing over triangular protrusions facing the furnace bath / maximum effect at v 60 el. hail./.

Выбор толщины среза выступа треугольной формы, равный 1/5 толщины канала, обеспечивает максимальный эффект стягивания и искривления токовых линий и перетекания тока из одного канала в другой при электропитании со сдвигом фаз v, равным, как 0 эл. град. так и 60 эл. град. The choice of the slice thickness of the protrusion of a triangular shape, equal to 1/5 of the channel thickness, provides the maximum effect of contraction and curvature of the current lines and the flow of current from one channel to another during power supply with a phase shift v equal to 0 el. hail. and 60 email. hail.

При толщине среза выступа, меньшей 1/5 толщины канала, часть тока может перетекать через вершины выступов треугольной формы, обращенных к ванне /их угол 60 70^o/, ослабляя тем самым эффект появления осевой компоненты скорости при обтекании током среза этого выступа треугольной формы /его угол 90^o/.When the thickness of the protrusion cut is less than 1/5 of the thickness of the channel, part of the current can flow through the vertices of the protrusions of a triangular shape facing the bath / their angle is 60 70 ^o /, thereby weakening the effect of the appearance of the axial velocity component when the current flows around the shear of this protrusion of a triangular shape / its angle is 90 ^o /.

При толщине среза выступа, большей 1/5 толщины канала, большая часть тока пойдет через срез выступа треугольной формы /угол 90^o/, практически исключая из "напорного" эффекта третью его ступень осевую компоненту скорости, образованную при обтекании током вершин выступов треугольной формы, обращенных к ванне печи. Приведенное объяснение механизма возникновения ОДМ в каналах ИЕ наиболее полно соответствует схеме электропитания ИКП с углом v 0 или 60 эл. град.When the thickness of the protrusion cut is greater than 1/5 of the thickness of the channel, most of the current will go through the protrusion of the protrusion of a triangular shape / angle of 90 ^o /, practically eliminating the axial velocity component formed by the current flowing around the vertices of the protrusions of the triangular shape from the “pressure” effect, facing the furnace bath. The above explanation of the mechanism of the occurrence of ODM in IE channels most fully corresponds to the power supply circuit of the ICP with an angle of v 0 or 60 el. hail.

Поскольку срезы от каждого выступа вертикальными плоскостями поверхности в виде прямоугольного треугольника обращены к вертикальной оси центрального канала, который имеет ширину, равную двойной ширине бокового канала, то имеет место стройное растекание жидкого металла /также, как и тока/ от локальной точки А /см. фиг.6/ в увеличенный в два раза центрального канала с резко пониженным электромагнитным давлением /при работе первой ступени процесса/. Аналогичным образом действует на процесс "вторая ступень" сумма эффект от срезов выступов первого и второго каналов. Since the slices from each protrusion by the vertical planes of the surface in the form of a rectangular triangle face the vertical axis of the central channel, which has a width equal to twice the width of the side channel, there is a slender spreading of the liquid metal / as well as the current / from the local point A / cm. 6 / doubled in the Central channel with a sharply reduced electromagnetic pressure / during operation of the first stage of the process /. In a similar way, the effect of the “sections of the protrusions of the first and second channels” acts on the “second stage” process.

На индукционных двух индукторных печах типа ИДК-1,2 проводились исследования /на опытных печах/ по влиянию конфигурации канальной части ИЕ на интенсивность тепло- и массообмена в печи, которая оценивалась по степени гидродинамического возмущения поверхности ванны. On induction two induction furnaces of the IDK-1,2 type, studies were conducted (on experimental furnaces) on the influence of the configuration of the channel part of IE on the intensity of heat and mass transfer in the furnace, which was estimated by the degree of hydrodynamic disturbance of the bath surface.

Установлено, что геометрическая форма каналов ИЕ имеет максимально возможную для данного типа ИКП скорость движения металла в каналах, равную 0,9 -0,92 м/с. It was established that the geometric shape of the IE channels has the maximum possible velocity of metal movement in the channels for this type of ICP, equal to 0.9-0.92 m / s.

Предлагаемая ИКП монтируется и работает следующим образом. The proposed ICP is mounted and operates as follows.

Шаблон металлический или деревянный устанавливается в корпусе ИЕ и производится набивка ее футеровочной массой с предварительно размеренным водоохлаждаемым кессоном. Производится монтаж индукторов и магнитопроводов. Затем ИЕ пристыковывается к шахте печи и производится футеровка шахты. Подготовленная печь устанавливается на рабочей эстакаде, где к печи подводят воду и электропитание. После этого осуществляется режим разогрева и пуска печи в эксплуатацию, по завершении которого печь переводят на рабочий режим. Геометрическая форма каналов ИЕ и схема электропитания печи, как в режиме плавления, так и подогреве создает движение металла по каналам по следующей схеме: металл затекает из ванны в боковые устья каналов, по ним -в центральный канал, а по нему через "напорное" центральное устье в ванну печи. A metal or wooden template is installed in the IE housing and is filled with its lining mass with a pre-measured water-cooled caisson. The installation of inductors and magnetic circuits. Then IE is docked to the furnace shaft and the shaft is lined. The prepared furnace is installed on the work rack, where water and power supply are supplied to the furnace. After that, the heating and commissioning of the furnace is carried out, at the end of which the furnace is transferred to the operating mode. The geometric shape of the IE channels and the power supply circuit of the furnace, both in melting and heating mode, creates metal movement through the channels according to the following scheme: metal flows from the bath to the side mouths of the channels, through them to the central channel, and through it through the “pressure” central channel mouth into the bathtub of the furnace.

Таким образом использование предлагаемой индукционной канальной печи для плавки металлов и сплавов обеспечивает увеличение службы футеровки печи, повышение подводимой активной мощности и производительности. Одновременно в этой печи обеспечивается интенсивное перемешивание плавильной ванны, а следовательно, гомогенизация приготовляемого расплава по температуре и химсоставу. Thus, the use of the proposed induction channel furnace for melting metals and alloys provides an increase in the service life of the lining of the furnace, increasing the input active power and productivity. At the same time, intensive mixing of the melting bath and, consequently, homogenization of the prepared melt by temperature and chemical composition is ensured in this furnace.

Claims

An induction channel furnace containing a bath and an induction unit of two magnetic circuits enclosed by cylindrical inductors designed to be connected to a network with a phase angle between the supply voltages, and a refractory lining of the hearth with a central channel, two side channels, the inner surface of which is lower than the horizontal axis inductor, made coaxial to the inductor, and with the triangular projections facing the bath, one side of which is aligned with the inner vertical surface anal and facing away bath angle smaller than 90 ^o, characterized in that the inductors are made to connect to the mains with a phase shift angle Φ = 0 - 180 el.grad, side channels are offset by the width of the horizontal inductor axes, a center channel. made with a width equal to double the width of the side channel, one of the sides of the vertical protrusion is aligned with the inner vertical surface of the central channel, in the triangular protrusions there are sections facing the vertical axis of the central channel from the apex facing a hundred the bath’s radius, along a vertical plane perpendicular to the axis of the inductors, to a horizontal concentric inductor coil conjugated with the surface of the hearth, with a thickness equal to 1/5 of the channel size along the axis of the inductor coil, while the angle of the triangular protrusions facing the bathtub is 60 70 ^o .