RU2779469C1

RU2779469C1 - Method for mixing metal in an induction crucible furnace

Info

Publication number: RU2779469C1
Application number: RU2021124323A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Алексеевич Камаев; Владислав Игоревич Лузгин; Василий Эдуардович Фризен; Александр Сергеевич Коптяков; Кирилл Евгеньевич Болотин
Filing date: 2021-08-17
Publication date: 2022-09-07

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to a method for mixing metal in an induction crucible furnace. Liquid metal is mixed hydrodynamically in an induction crucible furnace under the impact of an electromagnetic field generated by high-frequency currents in the inductor sections; wherein the value of the high-frequency current in the inductor sections is periodically changed in a predetermined sequence so that the electrodynamic pressure acting on the liquid metal bath is moved along the vertical axis of the furnace crucible, creating a travelling wave of pressure at a set velocity and causing a directional movement of the liquid metal.

EFFECT: possibility of increasing the effectiveness of induction melting and melting metal of high quality due to the single-circuit mixing of the metal throughout the entire working volume of the crucible while heating the metal intensively by high-frequency currents at all stages of melting and processing of the metal.

1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и металлургии, а именно к индукционным тигельным печам (ИТП) для плавки металлов. Однофазные ИТП с электропитанием токами средней частоты имеют высокий КПД, большую удельную мощность нагрева и короткие циклы плавки в порционном режиме без остатка металла (болота). Они все шире используются в литейном производстве машиностроительных и металлургических предприятий. При однофазном питании индуктора ИТП на расплав металла действует нормальное сжимающее электродинамическое давление неравномерно распределенного магнитного поля по высоте тигля, достигающего максимального значения в его средней части. Под воздействием этого давления возникает циркуляция жидкого металла в двух тороидальных контурах, между которыми тепло- и массоперенос затруднен. Кроме того, силовое воздействие на жидкий металл приводит к образованию мениска (выпуклости на свободной поверхности ванны расплава металла). Все эти процессы негативно влияют на качество получаемого металла и увеличивают энергозатраты при проведении очистки и легирования металла во время плавки. В частности: плохо смешиваемые контуры циркуляций расплава приводит к неоднородности химического состава сплавов, поэтому затягивается процесс легирования, выпуклый мениск на поверхности расплава вытесняет шлак к стенке тигля, что приводит к повышенному расходу шлака и ускоренному разрушению тигля. Кроме того процесс перемешивания металла приходится вести при максимальной мощности для получения интенсивного движения металла, а это приводит к его перегреву [Л1, рис. 11-2]. The present invention relates to the field of electrical engineering and metallurgy, namely to induction crucible furnaces (ITF) for melting metals. Single-phase ITPs with power supply by medium frequency currents have high efficiency, high specific heating power and short melting cycles in batch mode without metal residue (swamps). They are increasingly used in the foundry of machine-building and metallurgical enterprises. With a single-phase power supply of the ITP inductor, the normal compressive electrodynamic pressure of the non-uniformly distributed magnetic field along the height of the crucible acts on the metal melt, reaching a maximum value in its middle part. Under the influence of this pressure, the circulation of liquid metal occurs in two toroidal circuits, between which heat and mass transfer is difficult. In addition, the force effect on the liquid metal leads to the formation of a meniscus (a bulge on the free surface of the metal molten pool). All these processes negatively affect the quality of the resulting metal and increase energy consumption during the cleaning and alloying of the metal during melting. In particular: poorly mixed melt circulation circuits lead to inhomogeneity of the chemical composition of alloys, therefore, the alloying process is delayed, a convex meniscus on the melt surface displaces slag to the crucible wall, which leads to increased slag consumption and accelerated destruction of the crucible. In addition, the process of mixing the metal has to be carried out at maximum power to obtain an intensive movement of the metal, and this leads to its overheating [L1, fig. 11-2].

При многофазном электропитании секций индуктора ИТП в области индуктора создается бегущее электромагнитно поле, которое в свою очередь создает аксиальные силы электромагнитного давления в объеме жидкого металла. Это изменяет форму циркуляций металла, циркуляция металла в тигле ИТП становиться одноконтурной, при этом достигается перемешивание металла во всем объеме тигля, а мениск металла имеет почти плоскую форму [Л1, рис. 11-4, см. приложение 1] или даже образуется лунка на поверхности расплава. Глубина от поверхности боковой стенки тигля, на которой возникает электродинамическое усилие в металле, растет с уменьшением частоты питающего тока, поэтому для перемешивания металла целесообразно применять пониженную частоту тока, или, например, промышленную частоту 50 Гц. Однако интенсивность индукционного нагрева металла на низкой частоте существенно уменьшается, что не позволяет обеспечить высокую эффективность плавки. Следовательно, для одновременного нагрева и перемешивания металла необходимо осуществлять комбинированное питание секций индуктора токами высокой и низкой частоты.With multi-phase power supply of sections of the ITP inductor, a traveling electromagnetic field is created in the inductor area, which in turn creates axial forces of electromagnetic pressure in the volume of liquid metal. It changes the shape of the circulations metal, the circulation of the metal in the crucible of the ITP becomes single-circuit, while mixing of the metal is achieved in the entire volume of the crucible, and the metal meniscus has an almost flat shape [L1, fig. 11-4, see Appendix 1] or even a hole is formed on the surface of the melt. The depth from the surface of the side wall of the crucible, at which an electrodynamic force occurs in the metal, increases with a decrease in the frequency of the supply current, therefore, it is advisable to use a reduced current frequency for mixing the metal, or, for example, an industrial frequency of 50 Hz. However, the intensity of inductive heating of the metal at a low frequency is significantly reduced, which does not allow for high melting efficiency. Therefore, for simultaneous heating and mixing of the metal, it is necessary to carry out a combined supply of the inductor sections with high and low frequency currents.

Для реализации этого способа электропитания необходимо иметь два раздельных индуктора ИТП, один из которых предназначен для нагрева (однофазный), а второй для перемешивания (двух- или трехфазный) [Л1, с. 213], либо конструкция индуктора печи должна обеспечивать возможность комбинированного питания по однофазной и трехфазной схемам.To implement this power supply method, it is necessary to have two separate ITP inductors, one of which is designed for heating (single-phase), and the second for mixing (two- or three-phase) [L1, p. 213], or the design of the furnace inductor must provide the possibility of combined power supply in single-phase and three-phase circuits.

Также необходимо использовать два независимых источника электропитания индукторов: токами низкой и высокой частот, снабженных фильтрокомпенсирующими устройствами, исключающими возможность проникновения токов разных частот в источник тока другой частоты. Все это усложняет систему электропитания ИТП и увеличивает ее массогабаритные и стоимостные показатели.It is also necessary to use two independent power sources for inductors: low and high frequency currents, equipped with filter-compensating devices, which exclude the possibility of penetration of currents of different frequencies into a current source of a different frequency. All this complicates the ITP power supply system and increases its weight, size and cost indicators.

Предполагаемое изобретение способа перемешивания металла в индукционной тигельной печи позволяет устранить отмеченные недостатки, повысить эффективность индукционной плавки и обеспечить высокое качество выплавляемого металла.The alleged invention of the method of mixing metal in an induction crucible furnace makes it possible to eliminate the noted disadvantages, increase the efficiency of induction melting and ensure high quality of the metal being smelted.

Сущность предполагаемого изобретения состоит в том, что гидродинамическое перемешивание жидкого металла в индукционной тигельной печи осуществляется под воздействием электромагнитного поля, создаваемого токами высокой частоты в секциях индуктора.The essence of the proposed invention lies in the fact that the hydrodynamic mixing of liquid metal in an induction crucible furnace is carried out under the influence of an electromagnetic field created by high-frequency currents in the sections of the inductor.

Новым является то, что источник электропитания на этапе перемешивания переводят в режим периодической подачи высокочастотного тока на различные секции индуктора, в результате чего электромагнитное давление, воздействующее на ванну жидкого металла, перемещается вдоль вертикальной оси тигля печи, создавая бегущую волну давления со скоростью, определяемой временем подачи высокочастотного тока в секции индуктора, и вызывая направленное движение жидкого металла.What is new is that the power source at the mixing stage is switched to the mode of periodic supply of high-frequency current to various sections of the inductor, as a result of which the electromagnetic pressure acting on the liquid metal bath moves along the vertical axis of the furnace crucible, creating a traveling pressure wave at a speed determined by time injecting high frequency current into the inductor section, and causing a directed movement of the liquid metal.

На фиг. 1 приведена функциональная схема варианта трехканальной системы, в которой обозначено: In FIG. 1 shows a functional diagram of a variant of a three-channel system, in which it is indicated:

1, 2, 3 - секции индуктора ИТП; 1, 2, 3 - sections of the ITP inductor;

4 - тигель;4 - crucible;

5 - трехэнергоканальный источник высокочастотного тока.5 - three-energy-channel source of high-frequency current.

Процесс плавки металла может быть разбит на этапы по времени. На первом этапе после загрузки в тигель твердой шихты источник питания 5 подает высокочастотный ток по всем энергоканалам в секции индуктора. В это время происходит интенсивный разогрев и плавка шихты. После наполнения ванны жидкого металла на втором этапе источник электропитания переходит в режим периодической подачи высокочастотного тока на различные секции индуктора, начиная с верхней секции и последовательно к нижней секции (последовательность можно изменять). При этом электромагнитное давление, воздействующее на ванну жидкого металла, возникает в области размещения секции, по которой протекает высокочастотный ток. В этом объеме возникают выталкивающие металл силы, направленные поперек оси тигля печи, которые вызывают движение металла. При поочередной подаче высокочастотного тока в секции индуктора область электромагнитного давления перемещается вдоль оси тигля в том или в другом направлении, создавая бегущую волну давления со скоростью, определяемой периодом подачи высокоточного тока на секции индуктора. Бегущая волна давления вызывает движение металла в объеме тигля, обеспечивая перемешивание металла по всему объему.The metal melting process can be broken down into time steps. At the first stage, after loading the solid charge into the crucible, the power supply 5 supplies high-frequency current through all energy channels in the inductor section. At this time, intensive heating and melting of the charge takes place. After filling the liquid metal bath at the second stage, the power supply switches to the mode of periodic supply of high-frequency current to various sections of the inductor, starting from the upper section and sequentially to the lower section (the sequence can be changed). In this case, the electromagnetic pressure acting on the liquid metal bath occurs in the area where the section is located, through which the high-frequency current flows. In this volume, metal-expelling forces appear, directed across the axis of the furnace crucible, which cause the metal to move. When alternately applying high-frequency current to the inductor section, the electromagnetic pressure region moves along the axis of the crucible in one direction or another, creating a traveling pressure wave with a speed determined by the period of high-precision current supply to the inductor section. The traveling pressure wave causes the movement of metal in the volume of the crucible, providing mixing of the metal throughout the volume.

На фиг. 2 приведены диаграммы распределения электромагнитного давления на ванну жидкого металла в тигле печи. При подаче высокочастотного тока в верхнюю секцию индуктора 3 наибольшее электромагнитное давление на жидкий металл создается в верхней части тигля, а в средней и нижней частях давление, которое возникает при наведении токов за счет взаимоиндукции с другими секциями индуктора, значительно меньше (см. фиг. 2, в). При этом, металл выталкивается к оси тигля в верхней его части и начинает двигаться в радиальном направлении вдоль поверхности. Выдавленный таким образом к оси расплав заменяется металлом, поступающим снизу тигля.In FIG. Figure 2 shows diagrams of the distribution of electromagnetic pressure on the bath of liquid metal in the crucible of the furnace. When a high-frequency current is supplied to the upper section of the inductor 3, the greatest electromagnetic pressure on the liquid metal is created in the upper part of the crucible, and in the middle and lower parts, the pressure that occurs when inducing currents due to mutual induction with other sections of the inductor is much less (see Fig. 2 , in). In this case, the metal is pushed to the axis of the crucible in its upper part and begins to move in the radial direction along the surface. The melt squeezed out in this way to the axis is replaced by metal coming from the bottom of the crucible.

При подаче тока в среднюю секцию индуктора 2 электромагнитное давление распределено так, как показано на фиг. 2, б, наибольшее значение которого достигается в средней части тигля. При этом поле давления на металл смещается вниз, а в верхней части тигля металл продолжает двигаться по инерции за счет накопленной кинетической энергии. Создаваемое поле давление подпитывает образовавшийся вихрь жидкого металла в тигле.When current is applied to the middle section of the inductor 2, the electromagnetic pressure is distributed as shown in FIG. 2b, the highest value of which is reached in the middle part of the crucible. In this case, the pressure field on the metal shifts downward, and in the upper part of the crucible, the metal continues to move by inertia due to the accumulated kinetic energy. The created pressure field feeds the formed vortex of liquid metal in the crucible.

На интервале времени подачи тока в нижнюю секцию индуктора 1 распределение электромагнитного давления показано на диаграмме фиг. 2, а, максимальное значение которого достигается в нижней части тигля.At the time interval of current supply to the lower section of the inductor 1, the electromagnetic pressure distribution is shown in the diagram of FIG. 2a, the maximum value of which is reached in the lower part of the crucible.

Таким образом, при заданной последовательности интервалов времени подачи высокочастотного тока в секции индуктора происходит перемещение зоны максимального электромагнитного давления вдоль оси тигля, что вызывает образование восходящего потока жидкого металла вдоль стенок тигля. Если изменить последовательность подачи высокочастотного тока в секции индуктора, то изменится и направление потока металла на нисходящее, сверху вниз.Thus, at a given sequence of time intervals for the supply of high-frequency current in the inductor section, the zone of maximum electromagnetic pressure moves along the axis of the crucible, which causes the formation of an ascending flow of liquid metal along the walls of the crucible. If you change the sequence of high-frequency current supply in the inductor section, then the direction of the metal flow will also change to downward, from top to bottom.

На этапе технологической обработки могут быть использованы оба режима перемешивания металла, исходя из критериев эффективности ведения металлургических процессов.At the stage of technological processing, both modes of metal mixing can be used, based on the criteria for the efficiency of conducting metallurgical processes.

Варианты конструкции печи, обеспечивающие реализацию предлагаемого способа:Furnace design options that ensure the implementation of the proposed method:

Предлагаемый способ перемешивания металла в индукционной тигельной печи может быть реализован в случае, если индуктор печи разделен как на одинаковые по размерам и количеству витков, так и разные по этим параметрам секции в количестве 2 и более. В том случае если индуктор разделен на 2 секции и используется двухэнергоканальный источник питания, на фазе включения полной длины катушки индуктора (задействованы оба энергоканала источника питания) необходимо ток в обеих секциях снизить по сравнению с током в фазе подачи питания по одному энергоканалу. The proposed method of mixing metal in an induction crucible furnace can be implemented if the furnace inductor is divided both into sections of the same size and number of turns, as well as sections different in these parameters in the amount of 2 or more. In the event that the inductor is divided into 2 sections and a two-energy channel power supply is used, in the phase of turning on the full length of the inductor coil (both energy channels of the power source are involved), the current in both sections must be reduced compared to the current in the phase of power supply through one energy channel.

Варианты режимов включения энергоканалов источника питания для реализации предлагаемого способа:Options for switching on the energy channels of the power source for the implementation of the proposed method:

При реализации описанного способа перемешивания металла в индукционной тигельной печи допустимы различные варианты режимов работы источника питания. When implementing the described method of mixing metal in an induction crucible furnace, various options for operating modes of the power source are acceptable.

Ожидаемый результат в случае использования трехэнергоканального источника питания (организация одноконтурного движения металла по всему объему тигля) достигается при алгоритмах, когда в первой фазе ток от источника питания подается в первую секцию (верхнюю или нижнюю в зависимости от выбранного желаемого направления движения металла в тигле), затем во второй фазе в первую и вторую секции индуктора от источника питания подается ток меньшей величины, в третью фазу также ток меньшей величины подается во вторую и третью секции индуктора, завершая один цикл переключений. Затем цикл смены фаз питания повторяется с определенным шагом по времени. При использовании для реализации предлагаемого способа источников с большим количеством каналов алгоритм переключений должен обеспечивать очередность включений от той секции индуктора, в сторону которой должен двигаться металл, с последовательным переключением секций, обеспечивающего поступательное перемещение волны давления, создаваемого электродинамическими силами, индуцированными в расплавленном металле, находящимся в тигле. The expected result in the case of using a three-energy-channel power source (organization of a single-circuit movement of metal throughout the volume of the crucible) is achieved with algorithms when, in the first phase, the current from the power source is supplied to the first section (upper or lower, depending on the chosen desired direction of metal movement in the crucible), then, in the second phase, a smaller current is supplied from the power source to the first and second sections of the inductor; in the third phase, a smaller current is also supplied to the second and third sections of the inductor, completing one switching cycle. Then the cycle of changing the power phases is repeated with a certain time step. When using sources with a large number of channels to implement the proposed method, the switching algorithm should ensure the sequence of switching on from the section of the inductor towards which the metal should move, with sequential switching of sections that ensures the translational movement of the pressure wave created by electrodynamic forces induced in the molten metal located in the crucible.

Таким образом, заявленный технический результат - повышение эффективности индукционной плавки и обеспечение высокого качества металла достигается с использованием предполагаемого способа перемешивания металла в индукционной тигельной печи при интенсивном нагреве металла токами высокой частоты на всех этапах плавки и технической обработки металла. Заявленный способ не требует существенного усложнения конструкции индуктора и не требует отдельного источника питания для осуществления операции перемешивания, позволяет более гибко управлять процессами нагрева и перемешивания металла.Thus, the claimed technical result is to increase the efficiency of induction melting and ensure high quality metal is achieved using the proposed method of mixing the metal in an induction crucible furnace with intensive heating of the metal by high-frequency currents at all stages of melting and metal processing. The claimed method does not require significant complication of the design of the inductor and does not require a separate power source for the mixing operation, allows more flexible control of the processes of heating and mixing of the metal.

Claims

A method for electromagnetic stirring of liquid metal in an induction crucible furnace, characterized in that at the stage of heating a solid charge, an inductor divided into three sections is fed with high-frequency current through all sections connected to the energy channels of the power supply, then, after filling the bath with liquid metal, the power supply is transferred into the mode of periodic supply of high-frequency current to various sections of the inductor, starting from the upper section and alternately to the lower or starting from the lower section to the upper, creating a traveling wave of electromagnetic pressure at a speed determined by the time of supply of high-frequency current in the section of the inductor, while moving the zone of maximum electromagnetic pressure along the axis of the crucible, which causes a directed movement of the liquid metal, corresponding to the order in which the sections are turned on.