RU211366U1

RU211366U1 - Induction crucible furnace for melting metals and alloys

Info

Publication number: RU211366U1
Application number: RU2021139533U
Authority: RU
Inventors: Аркадий Ильич Маляров; Дмитрий Сергеевич Бурцев; Константин Александрович Лукашик; Александр Александрович Лысенко
Original assignee: Аркадий Ильич Маляров; Дмитрий Сергеевич Бурцев; Константин Александрович Лукашик; Александр Александрович Лысенко
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2022-06-01

Abstract

Полезная модель относится к области литейного производства. Печь предназначена для выплавки разнообразных литейных металлов и сплавов, выполнена с возможностью контроля состояния футеровки тигля и содержит размещенные соосно друг другу внутри каркаса (1) плавильный тигель (2) с воротником (10), теплоизолирующий слой футеровки (3) и катушку (4) индуктора. Тигель (2) в ней выполнен с плоским глухим дном (6) и открытой со стороны воротника осевой рабочей полостью (7), имеющей расположенный в зоне наибольшей напряженности магнитного поля катушки (4) нижний участок (Б) в форме цилиндра, заканчивающегося суживающейся книзу придонной конической поверхностью (9), и примыкающий к нему верхний участок (А) в форме усеченного конуса, расширяющегося вниз с уклоном под технологическим углом α на расстоянии от нижней кромки воротника (10) до границы нижнего участка (Б), лежащей на уровне условной плоскости (8) начала плавления конкретной шихты при температуре солидуса. Параметры верхнего участка: высота h и угол уклона α определяются расчетным путем, при этом высота устанавливается из диапазона (62-65)% от общей высоты рабочей полости (7) в зависимости от соотношения теплосодержания (энтальпии) определенного литейного сплава при температуре солидуса и при температуре разливки, а угол α по тангенсу угла, определяемого соотношением величины расширения диаметра верхнего участка в зависимости от коэффициента теплового расширения сплава при нагреве от нуля до температуры солидуса к высоте h. В результате выполнения плавильной полости тигля с верхним участком в виде расширяющегося вниз усеченного конуса проблема зависания шихты в предлагаемой печи решена более простым и надежным способом, чем в аналогах, и в совокупности с предусмотренным в ней контролем за состоянием футеровки тигля обеспечивает дальнейшее улучшение эксплуатационных и экономических показателей плавки.

The utility model relates to the field of foundry production. The furnace is designed for smelting various cast metals and alloys, is made with the possibility of monitoring the condition of the crucible lining and contains a melting crucible (2) with a collar (10), a heat-insulating layer of the lining (3) and a coil (4) placed coaxially to each other inside the frame (1) inductor. The crucible (2) in it is made with a flat blank bottom (6) and an axial working cavity (7) open from the side of the collar, which has a lower section (B) located in the zone of the highest magnetic field strength of the coil (4) in the form of a cylinder, ending with a tapering downward bottom conical surface (9), and the adjacent upper section (A) in the form of a truncated cone, expanding downward with a slope at a technological angle α at a distance from the lower edge of the collar (10) to the border of the lower section (B), which lies at the level of the conditional plane (8) of the beginning of melting of a particular charge at the solidus temperature. The parameters of the upper section: the height h and the slope angle α are determined by calculation, while the height is set from the range (62-65)% of the total height of the working cavity (7) depending on the ratio of heat content (enthalpy) of a certain casting alloy at a solidus temperature and at pouring temperature, and the angle α by the tangent of the angle determined by the ratio of the expansion of the diameter of the upper section depending on the thermal expansion coefficient of the alloy during heating from zero to the solidus temperature to the height h. As a result of the execution of the melting cavity of the crucible with the upper section in the form of a truncated cone expanding downwards, the problem of the charge hanging in the proposed furnace is solved in a simpler and more reliable way than in analogues, and in combination with the control over the condition of the crucible lining provided for in it, it provides further improvement in operational and economic melting indicators.

Description

Полезная модель относится к области литейного производства, точнее, к конструктивным решениям индукционных тигельных печей и может быть использована при проектировании и изготовлении предназначенных для выплавки разнообразных литейных металлов и сплавов индукционных печей с набивными тиглями или вставными (сменными) тиглями, изготовленными из различных материалов: стали, графита, керамики и т.п., как правило, на специализированных предприятиях.The utility model relates to the field of foundry production, more precisely, to constructive solutions for induction crucible furnaces and can be used in the design and manufacture of induction furnaces intended for smelting various foundry metals and alloys with stuffed crucibles or plug-in (replaceable) crucibles made of various materials: steel , graphite, ceramics, etc., as a rule, at specialized enterprises.

Тигели в индукционных тигельных печах (ИТП) при работе печей подвержены значительным термическим напряжениям, в т.ч. циклическим тепловым нагрузкам из-за большого температурного градиента, обусловленного перепадом температур снаружи и внутри тигля, особенно, при высокотемпературной плавке, например жаропрочных сплавов; а также механическим нагрузкам, вызывающим растягивающие напряжения в стенках тигля, например, от шихты при ее загрузке и продвижении вниз и/или от давления расплава. Перечисленные причины наряду с вероятностью механических повреждений поверхностей плавильной полости тигля, возникающих от коррозионного и эрозионного воздействия при индукционном перемешивании и от «зависания» шихты, приводят к повреждению стенок тигля, защитного слоя футеровки и в итоге, к их растрескиванию и проникновению расплава к индуктору, последствие которого бывает катастрофическим.Crucibles in induction crucible furnaces (ITFs) during furnace operation are subject to significant thermal stresses, incl. cyclic thermal loads due to a large temperature gradient due to the temperature difference outside and inside the crucible, especially in high-temperature melting, for example, heat-resistant alloys; as well as mechanical loads that cause tensile stresses in the walls of the crucible, for example, from the charge when it is loaded and moving down and/or from the pressure of the melt. The listed reasons, along with the probability of mechanical damage to the surfaces of the melting cavity of the crucible, arising from corrosion and erosion effects during induction mixing and from the "hanging" of the charge, lead to damage to the walls of the crucible, the protective layer of the lining and, as a result, to their cracking and penetration of the melt to the inductor, the consequences of which are catastrophic.

В известных из уровня техники отечественных и зарубежных разработках ИТП проблема повышения механической и температурной прочности (стойкости) тиглей и превентивной защиты индуктора решается несколькими путями:In domestic and foreign ITP developments known from the prior art, the problem of increasing the mechanical and thermal strength (resistance) of crucibles and preventive protection of the inductor is solved in several ways:

выполнением тиглей, даже сменных вставных, многослойными с подборкой материала слоев с разными характеристиками, в т.ч. с учетом требуемых свойств;the execution of crucibles, even interchangeable plug-in, multilayer with a selection of material layers with different characteristics, incl. taking into account the required properties;

разнообразными конструктивными построениями самого тигля и/или его слоев;various constructive constructions of the crucible itself and/or its layers;

обеспечением ИТП мерами превентивной защиты индуктора: конструктивными или технологическими;providing ITP with measures of preventive protection of the inductor: constructive or technological;

введением мониторинга теплового режима работы печи для контроля за целостностью стенок тигля.the introduction of monitoring the thermal regime of the furnace to control the integrity of the walls of the crucible.

Так, к примеру, известна ИТП, содержащая размещенные внутри каркаса соосно друг другу плавильный тигель с теплоизоляцией и индуктор (RU 28535 U, публ. 2003 г.), в которой теплоизоляция тигля выполнена в виде многослойной огнеупорной набивочной массы из магнезита и/или периклаза с увеличением размера их частиц от слоя к слою, а между индуктором и тиглем размещен цилиндрический тонкостенный экран для защиты индуктора от расплава.So, for example, there is known ITP containing a melting crucible with thermal insulation placed inside the frame coaxially to each other and an inductor (RU 28535 U, publ. 2003), in which the thermal insulation of the crucible is made in the form of a multilayer refractory stuffing mass of magnesite and / or periclase with an increase in the size of their particles from layer to layer, and a cylindrical thin-walled screen is placed between the inductor and the crucible to protect the inductor from the melt.

Известна также ИТП, в которой боковые стенки тигля смонтированы по высоте из, как минимум, двух секций, закрепленных одна над другой соответственно температурным зонам, и по его глубине (RU 2199066, публ. 2003 г.).ITP is also known, in which the side walls of the crucible are mounted in height from at least two sections fixed one above the other, respectively, according to temperature zones, and in its depth (RU 2199066, publ. 2003).

В техническом решении ИТП, известной из описания к патенту RU 2282806, публ. 2006 г., содержащей индуктор и керамический тигель, заключенный в стальной каркас, предусмотрен ряд «конструктивных особенностей, позволяющих компенсировать термические нагрузки и гидравлические усилия на разрыв тигля, и инициировать дополнительные напряжения сжатия, релаксирующие напряжения растяжения», при этом «термический рост» тигля в радиальном направлении сдерживается металлическим бандажом, закрепленным на каркасе печи; а в осевом направлении - компенсационными зажимами. Инициирование дополнительных напряжений сжатия обеспечивает повышение стойкости тигля (прочность керамических материалов на сжатие на порядок превышает прочность на растяжение).In the technical solution of the ITP, known from the description of the patent RU 2282806, publ. 2006, containing an inductor and a ceramic crucible enclosed in a steel frame, a number of “design features are provided that allow compensating for thermal loads and hydraulic forces to break the crucible, and initiating additional compressive stresses, relaxing tensile stresses”, while the “thermal growth” of the crucible in the radial direction is restrained by a metal band fixed on the furnace frame; and in the axial direction - with compensation clamps. The initiation of additional compressive stresses provides an increase in the resistance of the crucible (the compressive strength of ceramic materials is an order of magnitude higher than the tensile strength).

В ИТП, известных из описаний к патентам RU 2536311, публ. 2014 г. и RU 2666395, публ. 2018 г. защита индуктора обеспечивается установкой цилиндрической обечайки, препятствующей протечкам расплава, или размещением защитного кожуха между индуктором и тиглем.In ITP, known from the descriptions of patents RU 2536311, publ. 2014 and RU 2666395, publ. 2018, the inductor is protected by installing a cylindrical shell that prevents melt leakage, or by placing a protective casing between the inductor and the crucible.

Очевидно, что решения в вышеперечисленных аналогах либо недостаточно эффективны (аналоги 1 и 2), либо усложняют конструкцию печи (аналоги 3 и 4), к тому же в них не предусмотрены средства или меры, позволяющие избежать такого существенного недостатка печей, как вероятность зависания шихты - сводообразование в верхней зоне плавильной полости тигля, которое может стать причиной технологически не обоснованного перегрева расплава, снижения стойкости тигля и производительности печи, повышения удельного расхода электроэнергии на плавку.It is obvious that the solutions in the above analogs are either not effective enough (analogs 1 and 2), or complicate the design of the furnace (analogs 3 and 4), moreover, they do not provide means or measures to avoid such a significant drawback of furnaces as the likelihood of the charge hanging - arch formation in the upper zone of the melting cavity of the crucible, which can cause technologically unjustified overheating of the melt, reduce the durability of the crucible and furnace productivity, and increase the specific power consumption for melting.

Известна ИТП (RU 2198365, публ. 2003 г), содержащая осадитель шихты, например, в виде крестовины или решетки, закрепленной на консольно установленном сверху на каркасе печи дополнительном поворотном своде и при рабочем положении свода по месту размещения тигля надавливающей под действием его веса на шихту, находящуюся в верхней части рабочей полости тигля, что должно обеспечить перемещение шихты «с верхнего горизонта вниз» и тем исключить зависание шихты. Эффект надежного срабатывания такого осадителя шихты напрямую зависит от его массы и величины рабочего хода. Использование этого метода предотвращения «зависания» в промышленных ИТП с тиглями большой емкости нецелесообразно (в принципе, его использование без введения температурного мониторинга режимов плавки вообще не безопасно).ITP is known (RU 2198365, publ. 2003) containing a charge precipitator, for example, in the form of a cross or a lattice fixed on an additional rotary vault mounted on a cantilever mounted on top of the furnace frame and in the working position of the vault at the location of the crucible, pressing under the action of its weight on charge located in the upper part of the working cavity of the crucible, which should ensure the movement of the charge "from the upper horizon down" and thereby prevent the charge from hanging. The effect of reliable operation of such a charge precipitator directly depends on its mass and the magnitude of the working stroke. The use of this method of preventing “freezing” in industrial IHFs with large-capacity crucibles is not advisable (in principle, its use without the introduction of temperature monitoring of melting modes is not safe at all).

Известна ИТП, выполненная с возможностью автоматического мониторинга режимов плавки посредством реагирующих на тепловое излучение металла бесконтактных световых датчиков и содержащая тигель с внутренней плавильной полостью, выполненной по всей высоте в форме усеченного конуса с максимальным расширением на уровне дна, что, несомненно, может способствовать свободному, беспрепятственному сходу шихты (RU 2319752, публ. 2008 г, фиг. 1 и 4). Однако в работе ИТП такое исполнение тигля, т.е. без функционального выделения зон полости и со значительным углом наклона ее стенок, может спровоцировать ускоренное перемещение шихты вниз, нарушающее систему плавки.Known ITP, made with the possibility of automatic monitoring of melting modes by means of non-contact light sensors responsive to thermal radiation of the metal and containing a crucible with an internal melting cavity made along the entire height in the form of a truncated cone with a maximum expansion at the bottom level, which, of course, can contribute to free, unhindered descent of the charge (RU 2319752, publ. 2008, Fig. 1 and 4). However, in the operation of the ITP, such a design of the crucible, i.e. without a functional separation of the cavity zones and with a significant angle of inclination of its walls, can provoke an accelerated downward movement of the charge, which disrupts the melting system.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) предлагаемой полезной модели определена известная ИТП, содержащая размещенные внутри каркаса соосно друг другу плавильный тигель с воротником со стороны загрузки шихты, охватывающий тигель теплоизолирующий слой футеровки и катушку индуктора, выполненная при этом с возможностью контроля состояния футеровки тигля с целью защиты катушки индуктора от перегрева и контакта с расплавом. Тигель в ней имеет плоское глухое дно и его открытая со стороны воротника внутренняя рабочая полость выполнена по всей высоте в форме цилиндра, заканчивающегося суживающейся книзу придонной конической поверхностью. (брошюра компании OTTO JUNKER GmbH «Надежность и экономия электроэнергии при использовании среднечастотных индукционных печей без сердечника», 2006 г., стр. 39, рис. 23 - электронный ресурс Интернета https://ruslitmash.com/wp-content/uploads/2021/03/Брошюра-2_Junker_книга-.pdfAs the closest analogue (prototype) of the proposed utility model, a well-known IHF is defined, containing a melting crucible with a collar placed inside the frame coaxially to each other from the side of loading the charge, a heat-insulating lining layer surrounding the crucible and an inductor coil, made with the possibility of monitoring the state of the crucible lining with the purpose of protecting the inductor coil from overheating and contact with the melt. The crucible in it has a flat solid bottom and its internal working cavity, open from the side of the collar, is made along the entire height in the form of a cylinder, ending with a bottom conical surface tapering downwards. (brochure of the company OTTO JUNKER GmbH "Reliability and energy savings when using medium-frequency coreless induction furnaces", 2006, p. 39, fig. 23 - Internet electronic resource https://ruslitmash.com/wp-content/uploads/2021 /03/Brochure-2_Junker_book-.pdf

Выполнение в прототипе тигля с верхним со стороны воротника участком полости, имеющим те же параметры: форму и размеры, что и нижний, расположенный в зоне наибольшей напряженности магнитного поля катушки индуктора, участок, к которому он примыкает, следует отнести к недостаткам прототипа, т.к. в нем из-за цилиндрической формы верхнего участка сохраняется вероятность зависания шихты и роста радиальных нагрузок на стенки тигля. Контроль состояния футеровки тигля, осуществляемый в прототипе посредством измерения и мониторинга температур с помощью оптоволоконных датчиков размещенных в поле, окружающем катушку индуктора, фиксирует момент начала разрушения футеровки тигля, что востребовано с точки зрения обеспечения безопасности и эффективности плавки и позволяет оптимизировать толщину тигля с футеровкой, но способствовать устранению зависания не может. Предлагаемый же в прототипе технологический способ предупреждения зависания шихты посредством введения дополнительного предшествующего началу плавки этапа аппаратной подготовки шихты несомненно полезен, но не всегда экономически и технически приемлем, да к тому же не всегда гарантировано срабатывает. Проведенные авторами предлагаемой полезной модели экспериментальные плавки показали, что явление зависания шихты влияет на удельный расход электроэнергии в большей степени, чем качество используемой шихты (Маляров А.И. и др. Влияние качества шихты на удельный расход электроэнергии при плавке в современных индукционных тигельных печах//Металлургия машиностроения. 2021 г. №5, стр. 14, 15).The implementation in the prototype of the crucible with the upper part of the cavity from the side of the collar, which has the same parameters: the shape and dimensions as the lower one, located in the zone of the highest magnetic field strength of the inductor coil, the area to which it adjoins, should be attributed to the disadvantages of the prototype, i.e. to. in it, due to the cylindrical shape of the upper section, the probability of the charge hanging and the growth of radial loads on the walls of the crucible remains. The control of the state of the crucible lining, carried out in the prototype by measuring and monitoring temperatures using fiber-optic sensors placed in the field surrounding the inductor coil, fixes the moment of the beginning of the destruction of the crucible lining, which is in demand from the point of view of ensuring the safety and efficiency of melting and allows optimizing the thickness of the crucible with the lining, but can not help eliminate the hang. The technological method proposed in the prototype to prevent the charge from freezing by introducing an additional stage of charge hardware preparation prior to the start of melting is undoubtedly useful, but not always economically and technically acceptable, and besides, it is not always guaranteed to work. Experimental meltings carried out by the authors of the proposed utility model showed that the phenomenon of charge hang-up affects the specific power consumption to a greater extent than the quality of the charge used (Malyarov A.I. et al. Effect of charge quality on the specific power consumption during melting in modern induction crucible furnaces / / Metallurgy of mechanical engineering, 2021, No. 5, pp. 14, 15).

Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, направлена на расширение арсенала технических средств в области индукционной плавки металлов и сплавов, путем создания индукционной тигельной плавильной печи с формой внутренней рабочей полости тигля, предотвращающей образование свода в плавящейся шихте и тем способствующей улучшению эксплуатационных и экономических характеристик печей.The task solved by the proposed utility model is aimed at expanding the arsenal of technical means in the field of induction melting of metals and alloys by creating an induction crucible melting furnace with the shape of the internal working cavity of the crucible, which prevents the formation of a vault in the melting charge and thereby improves the operational and economic characteristics of furnaces.

Технический результат состоит в достижении заявленной задачи.The technical result consists in achieving the stated task.

Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что в индукционной тигельной печи для плавки металлов и сплавов, выполненной с возможностью контроля состояния футеровки тигля и содержащей размещенные внутри каркаса соосно друг другу, по меньшей мере, плавильный тигель с воротником, охватывающий тигель теплоизолирующий слой футеровки и катушку индуктора, в которой тигель выполнен с плоским глухим дном и открытой со стороны воротника рабочей полостью, имеющей верхний участок, примыкающий к расположенному в зоне наибольшей напряженности магнитного поля катушки индуктора нижнему участку в форме цилиндра, заканчивающегося суживающейся книзу придонной конической поверхностью, тигель выполнен таким образом, что верхний участок рабочей полости имеет форму усеченного конуса, расширяющегося от нижней кромки воротника до границы нижнего участка с уклоном по высоте h под технологическим углом α. Высота h определяется по формуле h=b*Н, исходя из соотношения теплосодержания (энтальпии) определенного литейного сплава при температуре солидуса и при температуре разливки, а угол α - по

, где: Н - общая высота рабочей полости тигля; d - диаметр цилиндра нижнего участка полости; Δd - увеличение диаметра верхнего участка полости, обеспечивающее беспрепятственный предусмотренный технологией плавки сход шихты; с - коэффициент теплового расширения сплава при нагреве от нуля до температуры солидуса; b - коэффициент, характеризующий отношение энтальпии сплава при температуре солидуса к его энтальпии при температуре разливки.The essence of the proposed utility model is that in an induction crucible furnace for melting metals and alloys, made with the possibility of monitoring the state of the crucible lining and containing located inside the frame coaxially to each other, at least a melting crucible with a collar, a heat-insulating lining layer surrounding the crucible and an inductor coil, in which the crucible is made with a flat blank bottom and a working cavity open from the side of the collar, having an upper section adjacent to the lower section in the form of a cylinder located in the zone of the highest magnetic field strength of the inductor coil, ending with a bottom conical surface tapering downwards, the crucible is made in such a way in such a way that the upper section of the working cavity has the shape of a truncated cone, expanding from the lower edge of the collar to the border of the lower section with a slope in height h at a technological angle α. The height h is determined by the formula h \u003d b * H, based on the ratio of heat content (enthalpy) of a certain casting alloy at the solidus temperature and at the pouring temperature, and the angle α - according to

, where: H is the total height of the working cavity of the crucible; d is the diameter of the cylinder of the lower section of the cavity; Δd - increase in the diameter of the upper section of the cavity, providing unhindered descent of the charge provided for by the melting technology; c is the coefficient of thermal expansion of the alloy when heated from zero to the solidus temperature; b - coefficient characterizing the ratio of the enthalpy of the alloy at the solidus temperature to its enthalpy at the pouring temperature.

Для пояснения сущности предлагаемой полезной модели представлены чертежи, где: на фиг. 1 дан общий вид предлагаемой ИТП в разрезе; на фиг. 2 - схематичные примеры плавки: слева в прототипе (с образованием свода) и справа в предлагаемой печи.To clarify the essence of the proposed utility model, drawings are presented, where: in Fig. 1 shows a general view of the proposed ITP in the context; in fig. 2 - schematic examples of melting: on the left in the prototype (with the formation of a vault) and on the right in the proposed furnace.

Внутри общего каркаса 1 печи на донной плите каркаса (фиг. 1) установлены соосно друг другу плавильный тигель 2 с охватывающим его теплоизолирующим слоем футеровки 3 и катушка 4 индуктора с магнитопроводом 5. Тигель 2 выполнен с плоским глухим дном 6 и открытой со стороны загрузки шихты внутренней рабочей полостью 7, имеющей верхний участок А, размещенный на расстоянии h от нижней кромки воротника до границы нижнего участка Б, лежащей на уровне условной плоскости 8 начала плавления конкретной шихты при температуре солидуса, и выполненный в виде усеченного конуса, расширяющегося вниз с уклоном под технологическим углом α. Нижний участок Б расположен в зоне наибольшей напряженности магнитного поля катушки 4 индуктора и выполнен, в форме цилиндра, заканчивающегося придонной конической поверхностью 9. Высота поверхности 9 в нем определяется требуемой прочностью придонной части тигля, способной противостоять механическим, в т.ч. под воздействием ударов достаточно крупных кусков шихты, и термическим нагрузкам. Высота h верхнего участка А, равная расстоянию от нижней кромки воротника 10 до уровня плоскости 8 устанавливается из диапазона 62-65% от общей высоты Н рабочей полости 7 в зависимости от соотношения теплосодержания (энтальпии) определенного литейного сплава при температуре солидуса и при температуре разливки, и вычисляется по формуле h=b*H, где: Н - общая высота полости тигля; b - коэффициент, характеризующий отношение энтальпии сплава при температуре солидуса к его энтальпии при температуре разливки. Технологический угол α определяется по Inside the common frame 1 of the furnace, on the bottom plate of the frame (Fig. 1), a melting crucible 2 is installed coaxially to each other with a heat-insulating layer of lining 3 enclosing it and an inductor coil 4 with a magnetic circuit 5. The crucible 2 is made with a flat blank bottom 6 and open from the charge side internal working cavity 7, having an upper section A, located at a distance h from the lower edge of the collar to the border of the lower section B, lying at the level of the conditional plane 8 of the beginning of melting of a particular charge at a solidus temperature, and made in the form of a truncated cone, expanding downward with a slope under technological angle α. The lower section B is located in the zone of the highest magnetic field strength of the coil 4 of the inductor and is made in the form of a cylinder ending with a bottom conical surface 9. The height of the surface 9 in it is determined by the required strength of the bottom part of the crucible, capable of withstanding mechanical, incl. under the impact of sufficiently large pieces of charge, and thermal loads. The height h of the upper section A, equal to the distance from the lower edge of the collar 10 to the level of the plane 8, is set from the range of 62-65% of the total height H of the working cavity 7, depending on the ratio of heat content (enthalpy) of a certain casting alloy at solidus temperature and at pouring temperature, and is calculated by the formula h=b*H, where: H is the total height of the crucible cavity; b - coefficient characterizing the ratio of the enthalpy of the alloy at the solidus temperature to its enthalpy at the pouring temperature. Technological angle α is determined by

,

где: d - диаметр цилиндра нижнего участка полости; Δd - увеличение диаметра верхнего участка полости (d-dв), обеспечивающее беспрепятственный в режиме, предусмотренном технологией плавки, сход шихты, определяемое как Δd=c*d; с - коэффициент теплового расширения сплава при нагреве от нуля до температуры солидуса. where: d is the diameter of the cylinder of the lower section of the cavity; Δd - increase in the diameter of the upper section of the cavity (d-dv), providing unhindered in the mode provided for by the melting technology, the descent of the charge, defined as Δd=c*d; c is the coefficient of thermal expansion of the alloy when heated from zero to the solidus temperature.

Глубина полости тигля обычно больше ее диаметра на 20% и составляет 1,2d. Значения коэффициентов b и c приведены в таблице.The depth of the cavity of the crucible is usually greater than its diameter by 20% and is 1.2d. The values of the coefficients b and c are given in the table.

Отсюда в конкретном примере исполнения ИТП, например для выплавки стали, высота h верхнего участка равна 0,64 Н и

следовательно угол α равен 0°50. Следует округлить до ближайшего большего значения и принять угол α равным одному градусу.Hence, in a specific example of ITP execution, for example, for steelmaking, the height h of the upper section is 0.64 N and

hence the angle α is 0°50. Round up to the nearest higher value and take the angle α equal to one degree.

Контроль состояния футеровки тигля с целью защиты катушки индуктора от перегрева и контакта с расплавом в предлагаемой печи может быть осуществлен посредством системы с оптоволоконными датчиками, выполненной аналогично системе в прототипе - в этом случае между слоем 3 и катушкой 4 устанавливается сенсорный кабель 11 системы контроля, как показано на фиг. 1, или посредством какой-либо другой известной системы, аналогичного назначения.Monitoring the state of the crucible lining in order to protect the inductor coil from overheating and contact with the melt in the proposed furnace can be carried out using a system with fiber optic sensors, made similar to the system in the prototype - in this case, between layer 3 and coil 4, a sensor cable 11 of the control system is installed, as shown in FIG. 1, or by some other known system of similar purpose.

Работа печи осуществляется традиционным способом. При первоначальной загрузке в пустой тигель 2 холодной печи загружают шихту до уровня воротника - уровня вместимости тигля по жидкому металлу в зависимости от размеров компонентов шихты. Печь накрывают крышкой (не показана), обеспечивающей отсос газов из рабочего пространства печи и уменьшение тепловых потерь излучением со свободной поверхности металла. После подачи переменного тока в катушке 4 индуктора создается электромагнитное поле, энергия которого поглощается электропроводной шихтой и превращается в ней в Джоулево тепло. Вследствие торцевых эффектов системы «индуктор - садка» и в связи с поверхностным эффектом, неравномерностью напряженности поля и неравномерностью потерь тепла с поверхности металла по высоте тигля 2, наибольшая скорость нагрева наблюдается в поверхностном слое шихты, расположенном в зоне верхнего участка А полости 7 ближе к плоскости 8. Поэтому первые капли и струйки металла, образующиеся в этом слое, стекают вниз, заполняя пространство между нижерасположенными кусками шихты. Увеличивающиеся при этом плотность нижних слоев шихты и ускорение процесса их расплавления провоцируют появление зазора между нижней и верхней частями шихты. При затрудненном, как в печи - прототипе, сходе шихты «по цилиндру» тигля в результате такого зазора образуется зависание шихты (пример: сводообразование 12 на фиг. 2 слева). В предлагаемой печи, благодаря конусности верхнего участка А тигля 2 верхняя часть шихты под действием собственного веса беспрепятственно опускается вниз в направлении увеличения диаметра тигля, т.к. сила трения о стенки тигля оказывается меньше ее веса, и выбирает образовавшийся зазор (фиг. 2 справа). Сходу шихты способствует, в определенной степени, силовое взаимодействие тока в металле с током в индукторе (сила Лоренца). Эта сила действует на металл в направлении к оси тигля. Вибрация, вызываемая переменным током, способствует преодолению трения покоя. После проплавления части шихты ее уровень в тигле опускается и в него догружается новая порция шихты. Для улучшения электромагнитной связи индуктора и загрузки печи рекомендуется поддерживать в ходе плавки максимально допустимую высоту слоя шихты в тигле. Этот режим способствует улучшению схода шихты и при первичной загрузке, и при последующих плавках на «горячей печи», когда плавление загруженной шихты в средней части тигля начинается при более низкой температуре ее верхних слоев, что объясняется отсутствием потерь тепла через разогретое в предыдущей плавке днище тигля и остатками расплава на нем от предыдущей плавки. В прототипе при таком условии последующих плавок вероятность зависания шихты увеличивается.The operation of the furnace is carried out in the traditional way. During the initial loading into the empty crucible 2 of the cold furnace, the charge is loaded to the level of the collar - the level of the capacity of the crucible for liquid metal, depending on the size of the charge components. The furnace is covered with a lid (not shown), which ensures the suction of gases from the working space of the furnace and the reduction of heat losses by radiation from the free surface of the metal. After applying alternating current in the coil 4 of the inductor, an electromagnetic field is created, the energy of which is absorbed by the electrically conductive mixture and converted into Joule heat in it. Due to the end effects of the "inductor - charge" system and due to the surface effect, the uneven field strength and the uneven heat loss from the metal surface along the height of the crucible 2, the highest heating rate is observed in the surface layer of the charge located in the area of the upper section A of the cavity 7 closer to plane 8. Therefore, the first drops and streams of metal formed in this layer flow down, filling the space between the underlying pieces of the charge. The increasing density of the lower layers of the charge and the acceleration of the process of their melting provoke the appearance of a gap between the lower and upper parts of the charge. When difficult, as in the prototype furnace, the charge descends “along the cylinder” of the crucible, as a result of such a gap, the charge hangs (example: arch formation 12 in Fig. 2 on the left). In the proposed furnace, due to the taper of the upper section A of the crucible 2, the upper part of the charge under the action of its own weight freely falls down in the direction of increasing the diameter of the crucible, because the force of friction against the walls of the crucible is less than its weight, and selects the resulting gap (Fig. 2 on the right). The descent of the charge is facilitated, to a certain extent, by the force interaction of the current in the metal with the current in the inductor (Lorentz force). This force acts on the metal in the direction towards the axis of the crucible. Vibration caused by alternating current helps to overcome static friction. After melting part of the charge, its level in the crucible is lowered and a new portion of the charge is loaded into it. To improve the electromagnetic coupling of the inductor and furnace loading, it is recommended to maintain the maximum allowable height of the charge layer in the crucible during melting. This mode helps to improve the descent of the charge both during the initial loading and during subsequent melts in the “hot furnace”, when the melting of the loaded charge in the middle part of the crucible begins at a lower temperature of its upper layers, which is explained by the absence of heat loss through the bottom of the crucible heated in the previous melt and the remains of the melt on it from the previous heat. In the prototype, under this condition, subsequent heats, the probability of hanging the mixture increases.

Улучшению эксплуатационных и экономических характеристик ИТП, таких как производительность процесса плавки, удельный расход электроэнергии на плавку и надежная защита индуктора способствует достигнутое в предлагаемом решении простым и надежным образом повышение механической и термической стойкости тигля за счет исключения вероятности зависания шихты и неконтролируемого перегрева металла в период расплавления шихты, что обеспечивает уменьшение расхода электроэнергии на плавку и износа огнеупорного материала тигля, а также возможность безопасной минимизации параметра тигля и его футеровки по толщине.Improving the operational and economic characteristics of the IHF, such as the productivity of the melting process, the specific power consumption for melting and reliable protection of the inductor, is facilitated by the increase in the mechanical and thermal stability of the crucible achieved in the proposed solution in a simple and reliable way by eliminating the possibility of hanging the charge and uncontrolled overheating of the metal during the melting period. charge, which provides a reduction in power consumption for melting and wear of the refractory material of the crucible, as well as the possibility of safely minimizing the parameter of the crucible and its lining in thickness.

Реализация предлагаемой полезной модели не требует капитальных вложений и может быть осуществлена как при изготовлении новых, так и при модернизации существующих.The implementation of the proposed utility model does not require capital investments and can be carried out both in the manufacture of new ones and in the modernization of existing ones.

Claims

Induction crucible furnace for melting metals and alloys, made with the possibility of monitoring the state of the crucible lining and containing placed inside the frame coaxially to each other, at least a melting crucible with a collar, a heat-insulating lining layer surrounding the crucible and an inductor coil, in which the crucible is made with a flat deaf bottom and a working cavity open from the side of the collar, having a lower section in the form of a cylinder located in the zone of the highest magnetic field strength of the inductor coil, ending with a bottom conical surface tapering downwards, and an upper section adjoining it, characterized in that the crucible in it is made in such a way that that the upper section of the working cavity has the shape of a truncated cone, expanding from the lower edge of the collar to the border of the lower section with a slope in height h at a technological angle α, determined by

where: H is the total height of the working cavity of the crucible; d is the diameter of the cylinder of the lower section of the cavity; Δd - increase in the diameter of the upper section of the cavity, providing unhindered descent of the charge provided for by the melting technology; c is the coefficient of thermal expansion of the alloy when heated from zero to the solidus temperature; b - coefficient characterizing the ratio of the enthalpy of the alloy at the solidus temperature to its enthalpy at the pouring temperature, while the height h, based on the ratio of the heat content (enthalpy) of a certain cast alloy at the solidus temperature and at the pouring temperature, is set equal to b * H.