SU1085022A1

SU1085022A1 - Electric furnace for smelting and metal working

Info

Publication number: SU1085022A1
Application number: SU823532533A
Authority: SU
Inventors: Леон Лазаревич Тир
Priority date: 1982-12-30
Filing date: 1982-12-30
Publication date: 1984-04-07

Abstract

1. ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ДЛЯ ПЛАВКИ И ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ С Обжатием боковой поверхности расплава магнитным полем, содержаща опору дл столба расплава, соосный с ней спиральный индуктор и систему стабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскост х, проход щих через продольную ось симметрии спирального индуктора, о т л и ч а ю 1ц а с тем, что, с целью повышени КПД печи за счет улучшени стабильности форьш поверхности расплава путем повышени эффективности действи системы стабилизирующих проводников, стабилизирующие i проводники в азимутальном направлении выполнены толщиной 0,5-2,0 глубины проникновени тока в материал этих проводников при частоте тока, текущего в последних в продольном направлении. 00 СП о to ГчЭ1. ELECTRIC OVEN FOR MELTING AND TREATING METALS WITH Compression of the side surface of the melt by a magnetic field containing a support for the column of the melt, a spiral inductor coaxial with it and a system of stabilizing conductors, the longitudinal axes of which lie in planes passing through the longitudinal axis of symmetry of the spiral inductor, t l and h and 1 c so that, in order to increase the efficiency of the furnace by improving the stability of the melt surface by increasing the effectiveness of the system of stabilizing conductors, stabilizing i conductors in the azimuthal direction are made 0.5-2.0 thick in depth of current penetration into the material of these conductors at the frequency of the current flowing in the latter in the longitudinal direction. 00 SP about to GcheE

Description

2. Электропечь по п.1, отличающа с тем, что стабилизиру ющие проводники выполнены из продоль но ориентированных пластин толщиной в азимутальном направлении 0,3-1,5 глубины проникновени тока в материал пластин при частоте тока,, текущего в спиральном индукторе, причем пластины изолированы одна от/ другой и соединены электрически параллельно в зонах, расположенных выше и ниже охватывающего индуктора на рассто нии от него 0,2-2,0 радиуса последнего.2. An electric furnace according to claim 1, characterized in that the stabilizing conductors are made of longitudinally oriented plates with a thickness in the azimuthal direction of 0.3-1.5 of the depth of current penetration into the plate material at a frequency of current flowing in a spiral inductor, and The plates are isolated one from another and are connected electrically in parallel in the zones located above and below the female inductor at a distance of 0.2-2.0 from the latter’s radius.

Изобретение относитс к специальной электрометаллургии, в частности к электрическим печам дл плавки и обработки металлов без загр знений материалом тигл .The invention relates to special electrometallurgy, in particular to electric furnaces for smelting and treating metals without contamination by crucible material.

Известны электрические печи дл плавки и обработки металлов без загр знений , содержащие металлический разрезной водоохлаждаемый тигель 1Electric furnaces for melting and processing metals without contamination are known, containing a metal split water-cooled crucible 1

Однако эти печи обладают сравнительно низким КПД главным образом в силу большой поверхности контакта расплава с холодным тиглем.However, these furnaces have a relatively low efficiency mainly due to the large contact surface of the melt with a cold crucible.

Известна электрическа печь дл плавки и обработки металлов, содержаща индуктор, создающий отжимающее магнитное поле, опору дл расплава и источник нагрева С21 .A known electric furnace for smelting and processing metals, comprising an inductor that creates a squeezing magnetic field, a support for the melt, and a heating source C21.

Недостатком данной печи вл етс слаба стабилизаци формы поверхности расплава, привод ща к проливанию удерживаемого на опоре расплава и нарушающа нормальную эксплуатацию печи.The disadvantage of this furnace is the weak stabilization of the shape of the surface of the melt, resulting in the shedding of the melt held on the support and disrupting the normal operation of the furnace.

Известна также плавильна электропечь с отжатием боковой поверхности расплава от тигл при помощи магнитного пол , содержаща индуктор и раз резной многосекционный охлаждаемый тигель, в которой соседние секции электрически попарно соединены на одном из концов тигл и подсоединены своими свободными концами к источнику переменного тока таким образом, что ток в соседних секци х течет в противоположных направлени х СЗ .Also known is a melting electric furnace with a side surface of the melt released from the crucible by means of a magnetic field containing an inductor and a cut multisection cooled crucible in which adjacent sections are electrically connected in pairs at one of the ends of the crucibles and connected to the AC source with their free ends in such a way that the current in adjacent sections flows in opposite directions of the NW.

Однако в этой печи на стыках секций не создаетс удерживающих электромагнитных сил, что ограничивает предельную массу обжатого полем расплава .However, in this furnace, no electromagnetic forces are created at the junctions of the sections, which limits the limiting mass of the field-compressed melt.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению вл етс электропечь дл плавки и обработки металлов с обжатием боковой поверхности расплава , магнитным полем, содержаща опору дл столба расплава, соосный с ней спиральный индуктор и систему стабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскост х , проход щих через продольную ось симметрии спирального индуктораThe closest in technical essence and the achieved effect to the invention is an electric furnace for melting and processing metals with compression of the side surface of the melt, a magnetic field containing a support for the column of the melt, a coil coaxial with it and a system of stabilizing conductors passing through the longitudinal axis of symmetry of the spiral inductor

Система стабилизирующих проводников разделена на группы, проводники ко .торых чередуютс вдоль периметра расплава, а питание-этих групп током производитс периодически, со смещением во времени 4} .The system of stabilizing conductors is divided into groups, the conductors of the second ones alternate along the perimeter of the melt, and the power supply of these groups is produced periodically, shifted in time 4}.

Недостатком известной печи вл етс то, что улучшение стабильности формы поверхности расплава в результате воздействи на расплав системы токов в стабилизирующих проводниках печи существенно ослабл етс из-за наводки паразитных противотоков в смежных стабилизирующих проводникахA disadvantage of the known furnace is that the improvement in the stability of the shape of the surface of the melt as a result of the effect on the melt of a system of currents in the stabilizing conductors of the furnace is significantly weakened due to interference of parasitic countercurrents in the adjacent stabilizing conductors.

Целью изобретени вл етс повышение КПД печи за счет улучшени стабильности формы поверхности расплава путем повышени эффективности действи системы стабилизирующих проводников.The aim of the invention is to increase the efficiency of the furnace by improving the stability of the shape of the surface of the melt by increasing the effectiveness of the system of stabilizing conductors.

Поставленна цель достигаетс тем, что в электропечи дл плавки и обработки металлов с обжатием боковой поверхности расплава магнитным полем, содержащей опору дл столба расплава, соосный с ней спиральный индуктор и систему стабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскост х, проход щих чере продольную ось симметрии спиральног индуктора, стабилизирующие.проводники выполнены в азимутальном направлении толщиной 0,5-2,0 глубины проникновени тока в материал этих проводников при частоте тока, текущего в последних в продольном направлениThis goal is achieved by the fact that in electric furnaces for smelting and processing metals with the lateral surface of the melt compressed by a magnetic field containing a support for the melt column, a spiral inductor coaxial with it and a system of stabilizing conductors whose longitudinal axes lie in planes passing through the longitudinal axis symmetry of the spiral inductor, stabilizing. The conductors are made in the azimuthal direction with a thickness of 0.5-2.0 of the depth of current penetration into the material of these conductors at the frequency of the current flowing in the latter downstream

Кроме того, стабилизирующие проводники выполнены из продольно ориетированных пластин толщиной в азимутальном направлении 0,3-1,5 глубины проникновени тока в 1иатериал пластин при частоте тока, текущего в спиральном индукторе, причем пластины изолированы одна отдругой,и соединены электрически паралелльно в зонах, расположенных выше и ниже охватывающего индуктора на рассто ний от него 0,2-2,0 радиуса последнего .In addition, the stabilizing conductors are made of longitudinally oriented plates with a thickness in the azimuthal direction of 0.3–1.5 current penetration depth in the first plate at the frequency of the current flowing in the spiral inductor, the plates being insulated by one another, and connected electrically in parallel zones above and below the covering inductor at a distance of 0.2-2.0 times the radius of the latter.

Предлагаемое техническое решение предназначено дл электропечей с питанием спирального индуктора током более высокой частоты, чем частота тока, текуща в стабилизирующих проводниках в продольном направлении . , В известной печи магнитное поле тока, текущего в каждом стабилизирующем проводнике, наводит в соседних проводниках (оинадлежащих другой группе проводников) вторичные токи, примерно равные по величине первичным, но противоположного знака, причем в силу совместного действи поверхностного эффекта и, так называемого, эффекта близости, и первичные и вторичные токи концентрируютс на гран х каждого проводника , обращенных к соседним проводникам . Благодар экранирующему действию вторичных токов результирующее внешнее магнитное поле локализуетс в непосредственной близости к проводникам и очень слабо воздействует на расплав.The proposed solution is intended for electric furnaces with the supply of a spiral inductor with a current of a higher frequency than the frequency of the current flowing in the stabilizing conductors in the longitudinal direction. In a known furnace, the magnetic field of the current flowing in each stabilizing conductor induces secondary currents in neighboring conductors (belonging to another group of conductors), approximately equal in magnitude to the primary, but opposite sign, and due to the joint effect of the surface effect and the so-called effect proximity, and the primary and secondary currents are concentrated on the edges of each conductor facing the adjacent conductors. Due to the shielding effect of the secondary currents, the resulting external magnetic field is localized in close proximity to the conductors and has very little effect on the melt.

Выполн ют стабилизирующие проводники с размерами сечени , ограничивающими навод щиес в них вторичные токи до степени, при которой результирующее внешнее магнитное поле существенно не деформируетс . Исследовани показали, что удовлетворительный результат достигаетс при толщине проводников в азимутальном направлении, т.е. в направлении нор Мали к шоскости, проход щей через; ось симметрии тигл и продольную ось проводника, не превышающем 2,0 глубины ( Д) проникновени тока в материал проводника (при используемой частоте тока) и улучшаетс при дальнейшем снижении этой толщины. Однако при толщине равной 0,5 упом нутой глубины ( д ) проникновени тока, деформаци магнитного пол практически исчезает и дальнейшее снижение ее, не-измен эффект предложени , приводит лишь к неоправданному конструктивному усложнению печи .Stabilizing conductors are made with cross-sectional dimensions limiting the secondary currents induced in them to the extent that the resulting external magnetic field is not significantly deformed. Studies have shown that a satisfactory result is achieved when the thickness of the conductors is in the azimuthal direction, i.e. in the direction of the Mali holes to the surface passing through; The axis of symmetry of the crucible and the longitudinal axis of the conductor not exceeding 2.0 the depth (D) of current penetration into the material of the conductor (at the current frequency used) and improves with a further decrease in this thickness. However, with a thickness of 0.5 of the aforementioned depth (e) of current penetration, the deformation of the magnetic field practically disappears and a further decrease in its unchanged effect of the proposal only leads to an unjustified constructive complication of the furnace.

На фиг. 1 показана предложенна электропечь, вертикальное сечение; на фиг. 2 и 3 - то же, горизон -альнее сечение (на фиг. 2 представлен вариант печи со стабилизирующими проводниками, не разделенными на параллельные пластины, а на фиг. 3разделенными )} на фиг. 4 и 5 - эпюры распределени токов, текущих в стабилизирующих проводниках вдоль осей последних (фиг. 4 относитс к известной печи, а фиг. 5 - к предложенной печи).FIG. 1 shows the proposed electric furnace, vertical section; in fig. 2 and 3 - the same, horizontally cross section (in Fig. 2 a variant of the furnace with stabilizing conductors, not divided into parallel plates, and in Fig. 3 divided)} in Fig. 2 is shown. 4 and 5 are diagrams of the distribution of currents flowing in the stabilizing conductors along the axes of the latter (Fig. 4 refers to the known furnace, and Fig. 5 to the proposed furnace).

Электропечь содержит спиральный индуктор 1 обжимающего магнитного пол , охватывающий расплав 2, удерживаемый на опоре 3. Между индуктором и расплавом, соосно с ними, расположены стабилизирующие проводинки 4. Печь может иметь дополнительный источник 5 нагрева (плазмотрон, электронна пушка и т.п.).The electric furnace contains a spiral inductor 1 crimping magnetic field, covering the melt 2, held on support 3. Stabilizing conductors 4 are located coaxially with the inductor and the melt. The furnace may have an additional heat source 5 (plasma torch, electron gun, etc.) .

На фиг. 2 видны сечени стабилизирующих проводников дл случа , когда они не разделены н.а запараллельные пластины. Показаны промежут-ки 6, раздел ющие стабилизирующие проводники. Промежутки б могут быть заполнены электроизол цией.FIG. Figure 2 shows sections of stabilizing conductors for the case when they are not separated by parallel connecting plates. Intervals 6 are shown separating the stabilizing conductors. The gaps b can be filled with electrical insulation.

На фиг. 3 показано сечение (в пла0 не) стабилизирующих проводников, раЗ деленных на параллельные пластины. Все пластины, относ щиес к одному проводнику,показаны либо мелкой, либо крупной штриховкой и охвачены фи5 гурной скобкой. Показаны также промежутки 6, вариант заполнени изол цией ..FIG. 3 shows a section (in free) of stabilizing conductors divided into parallel plates. All plates belonging to the same conductor are shown either by small or large shading and are covered by a solid bracket. Gaps 6 are also shown, the option of filling with insulation.

На фиг. 4 представлена эпюра мгно венного распределени плотйости тока в стабилизирующих проводниках FIG. 4 shows a plot of the instantaneous current density distribution in stabilizing conductors.

0 известной печи. Показан момент, когда кондуктивный стабилизирующий ток течет по проводникам, отмеченным стрелками. (Направлени токов соотс ветствуют направлению стрелок). Эпюра изображена применительно к сечению Б-Е фиг. 2, причем дугова поверхность сечени условно развернута в плоскость.. Однако эпюра качественно описывает характер распределени 0 famous stove. A moment is shown when a conductive stabilizing current flows through conductors marked by arrows. (The directions of the currents correspond to the direction of the arrows). The plot is depicted in relation to the section EF of FIG. 2, with the arc surface of the section conventionally rotated into a plane. However, the plot qualitatively describes the nature of the distribution

плотности тока не только в месте нахождени сечени Б-Б, но и по всему объему стабилизирующих проводников (по всей их высоте и при всех значени х радиальной координаты). current density not only at the location of the BB section, but also throughout the volume of the stabilizing conductors (along their entire height and for all values of the radial coordinate).

5 Распределение плотности кондуктивного тока показано кривыми с вертикальной штриховкой, а распределение наведенного вихревого тока кривыми с зачернением.5 The distribution of conductive current density is shown by curves with vertical hatching, and the distribution of induced eddy current by curves with blackening.

0 На фиг. 5 представлена эпюра мгно венного распределени плотности тоka в стабилизирующих проводниках при выполнении электропечи согласно предлагаемому изобретению. Как и на0 FIG. 5 shows a diagram of the instantaneous distribution of current density in stabilizing conductors when performing an electric furnace according to the invention. As on

5 Фиг. 4, эпюра фиг. 5 качественно характеризует распределение плотности тока во всем объеме стабилизирующих проводников. Это относитс к предлагаемой электропечи.5 of FIG. 4, the plot of FIG. 5 qualitatively characterizes the distribution of current density in the whole volume of stabilizing conductors. This refers to the proposed electric furnace.

В р де случаев надежность стабилизации поверхности расплава повьниаетс при увеличении шага стабилизирующих проводников. Этого можно достичь не наруша соотношени между толщинойIn a number of cases, the reliability of the stabilization of the surface of the melt increases with increasing pitch of the stabilizing conductors. This can be achieved without disturbing the ratio between the thickness

. проводников (а)и глубиной С Л )проникновени тока путем увеличени глу бины ( )проникновени продольного тока в материал этих проводников за счет выбора более низкого значени . conductors (a) and depth C L) penetrate the current by increasing the depth () of the penetration of the longitudinal current into the material of these conductors by choosing a lower value

0 частоты (fnp )питани этого тока. Если при этом частота ( спмр используема в печи дл питани спирального индуктора,превышает выбранную по указанным соображени м часто65 ту (f ), то поле спирального индуктора наведет в стабилизирующих проводниках токи, замыкающиес в -плоскост х, параллельных плоскост м витков упом нутого индуктора, что вы зовет значительные дополнительные потери энергии в стабилизирующих проводниках. С целью сокращени этих потерь в случае, если спиральный индуктор питаетс током более высокой частоты, чем Частота продольного тока в стабилизирующих проводниках, .предложено раздел ть эти проводники на р д паргиллельных пластин с меньшей толщино ( ь), выбираемой по условию ослаблени - вихревых токов, наводикых полем спирального индуктора в пластинах. Исследовани показали, что удовлетво рительный эффект достигаетс при тол щине (ь) пластин не.выше 1,5 от глубины ( 2 проникновени тока в материал пластин, имеющей место при частоте (f ), используемой дл питани спирального индуктора, в то же врем снижение толщины пластин менее 0,3 этой глубины проникновени не целесообразно, так как,практическ не мен потери в пластинах, оно усложн ет изготовление печи. Пластины изолируют друг от друга и соедин ют в параллель только в зоне ослабленно го пол спирального индуктора (ВЕлше и ниже последнего). Исследовани показали , что достаточное ослабление пол достигаетс на рассто нии 0,2 радиусов индуктора, а на рассто нии 2,0 радиусов от него дальнейшее ослабление пол становитс не существенным . В то же врем при больших рассто ни х необоснованно увеличиваютс размеры стабилизирующего устройства . При выполнении стабилизирук дих проводников разделенными на р д параллельных пластин с толщиной Ь (0,3 - 1,5)2 должно соблюдатьс условие, введенное ранее дл общей толщины стабилизирующего проводника а (0,5 - 2,0).Л. Электропечь работает следующим образом. На опоре 3 навод т расплав 2, использу тепло,генерируемое переменным магни.тным полем индуктора J., а в необходимых случа х - также и с помощью дополнительного источника 5 нагрева. При этом магнитное поле индуктора 1 обжимает расплав, преп тству сливанию его с опоры 3. Одновременно с включением индуктора 1 включают питание. CHCTeNaj стабилизиру ющих проводников 4. При этом смещенные вдоль периметра сечени расплава группы чередующихс проводников получают питание со сдвигом во време ни. В момент подачи питани в любую из упом нутых групп проводников, впроводниках других групп вихревые токи почти не навод тс (фиг. 5) и не гас т магнитное поле проводников, обтекаемых в данный момент током. В результате магнитное поле группы обтекаемых током стабилизирующих проводников, оказывает нужное силовое воздействие на расплав. Также воздействуют на расплав стабилизирующие проводники других групп в моменты , когда они записываютс продольными токами. В силу инерционности расплава и чередующихс силовых воздействий полей групп стабилизирующих проводников поверхность .стол ба расплава приобретает относительную стабильность (в отличие от известной печи, где воздействие кондуктивных и наведенных токов в стабилизирующих проводниках взаимно гаситс ). Положительный эффект достигаетс за счет сокращени тепловых потерь благодар более полному и стабильному -отрыву расплава от окружающих элементов конструкции. Так, при сопоставлении с базовой электропечью с холодным тиглем, имеющей диаметр основани дл расплава. 250 мм, и увеличении средневзвешенной высоты отжати с 120 мм до 220 мм, ожидаемый экономический эффект при годовом фонде времени работы оборудовани 3975 ч (двухсменна работа) составит 4000 руб/год на одну печь.0 frequency (fnp) power of this current. If the frequency (sprm used in the furnace to power the spiral inductor exceeds the frequency (65) chosen for these considerations), then the field of the spiral inductor in the stabilizing conductors will induce currents closing in the - planes parallel to the planes of the turns of the said inductor, which causes significant additional energy losses in stabilizing conductors. In order to reduce these losses in case the spiral inductor is fed with a current of a higher frequency than the frequency of the longitudinal current in the stabilizing conductors, it is proposed to divide these conductors into a series of pargillary plates with a smaller thickness (s), selected according to the weakening condition — eddy currents, induced by the field of the spiral inductor in the plates. Studies have shown that satisfactory effect is achieved with the thickness (s) of the plates no higher than 1.5 of the depth (2 current penetration into the plate material, occurring at the frequency (f) used to power the spiral inductor, while reducing the plate thickness less than 0.3 of this depth of penetration is not advisable, since practice It does not change the loss in the plates, it complicates the manufacture of the furnace. The plates are insulated from each other and connected in parallel only in the zone of the weakened field of the spiral inductor (BELOW and below the latter). Studies have shown that a sufficient weakening of the floor is achieved at a distance of 0.2 times the inductor radius, and at a distance of 2.0 times the radius from it, further weakening of the floor becomes insignificant. At the same time, at large distances, the dimensions of the stabilizing device unnecessarily increase. When making stabilized conductors divided into a series of parallel plates with thickness b (0.3–1.5) 2, the condition introduced earlier for the total thickness of the stabilizing conductor a (0.5–2.0) must be met. The electric works as follows. On the support 3, the melt 2 is induced using the heat generated by the alternating magnetic field of inductor J., and in the necessary cases also by means of an additional heat source 5. In this case, the magnetic field of inductor 1 compresses the melt, preventing it from draining from support 3. At the same time as the inductor 1 is turned on, power is turned on. CHCTeNaj of stabilizing conductors 4. At the same time, the sections of the melt displaced along the perimeter of the group of alternating conductors are fed with a shift in time. At the moment of supplying power to any of the mentioned groups of conductors, no other eddy currents are induced by the conductors of the other groups (Fig. 5) and the magnetic field of the conductors flowing in the current is not extinguished. As a result, the magnetic field of the group of stabilizing conductors streamlined by the current, exerts the necessary force on the melt. The stabilizing conductors of other groups also act on the melt at the moments when they are recorded with longitudinal currents. Due to the inertance of the melt and alternating force effects of the fields of the groups of stabilizing conductors, the surface of the melt table acquires relative stability (unlike the known furnace, where the effect of conductive and induced currents in the stabilizing conductors is mutually quenched). A positive effect is achieved by reducing heat losses due to a more complete and stable separation of the melt from the surrounding structural elements. Thus, when compared with a base crucible electric furnace having a base diameter for the melt. 250 mm, and an increase in the weighted average height from 120 mm to 220 mm, the expected economic effect with an annual fund of equipment operation time of 3975 h (two-shift operation) will be 4,000 rubles / year for one furnace.

A-/A- /

фиг,. 2FIG. 2

Л-АLA

Claims

1. ELECTRIC FURNACE FOR MELTING AND METAL PROCESSING with compression of the side surface of the melt by a magnetic field, containing a support for the melt column, a spiral inductor coaxial with it, and a system of stabilizing conductors, the longitudinal axes of which lie in planes passing through the longitudinal axis of symmetry of the spiral inductor, about The fact is that, in order to increase the efficiency of the furnace by improving the stability of the shape of the melt surface by increasing the efficiency of the system of stabilizing conductors, stabilizing the conductor and in the azimuthal direction tg, the depths of the current penetration into the material of these conductors are made with a thickness of 0.5-2.0 at a frequency of the current flowing in the latter in the longitudinal direction.

SU> 108 <ri. 1

2. Electric furnace according to π.1, characterized in that the stabilizing conductors are made of longitudinally oriented plates with a thickness in the azimuthal direction of 0.3-1.5 of the depth of current penetration into the plate material at a current flowing frequency in a spiral inductor, the plates being isolated one from, - the other and are connected electrically in parallel in zones located above and below the enclosing inductor at a distance from it of 0.2-2.0 radius of the latter.