Электропечь для плавки и обработки металлов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН вакийктро. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(54) (57) 1. ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ДЛЯ ПЛАВКИ И ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ с обжатием боковой поверхности расплава магнитным полем, содержащая опору для столба расплава, соосный с ней спиральный индуктор и систему стабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскостях, про ходящих через продольную ось симмет рии спирального индуктора, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения КПД печи за счет улучшения стабильности формы поверхности расплава путем повышения эффективности действия системы стабилизирующих проводников, стабилизирующие проводники в аэимутальном направле- э нии выполнены толщиной 0,5-2,0 глубины проникновения тока в материал этих проводников при частоте тока, текущего в последних в продольном.направлении.1085022 2. Электропечь по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что стабилизиру ющие проводники выполнены из продоль но ориентированных пластин толщиной в азимутальном направлении 0,3-1,5 глубины проникновения тока в материал пластин при частоте тока; текущеИзобретение относится к специаль.ной электрометаллургии, в частностик электрическим печам для плавки иобработки металлов без загрязненийматериалом тигля.Известны электрические печи дляплавки и обработки металлов без загрязнений, содержащие металлическийразрезной водоохлаждаемый тигель 1,Однако эти печи обладают сравнительно низким КПД главным образомв силу большой поверхности контактарасплава с холодным тиглем,Известна электрическая печь дляплавки и обработки металлов, содержащая индуктор, создающий отжимающеемагнитное поле, опору для расплава иисточник нагрева 23Недостатком данной печи являетсяслабая стабилизация формы поверхности расплава, приводящая к проливаниюудерживаемого на опоре расплава инарушающая нормальную эксплуатациюпечи.Известна также плавильная электропечь с отжатием боковой поверхностирасплава от тигля при помощи магнитного поля, содержащая индуктор и разрезной многосекционный охлаждаемыйтигель, в которой соседние секцииэлектрически попарно соединены наодном из концов тигля и подсоединены своими свободными концами к источнику переменного тока таким образом,, что ток в соседних секциях течет впротивоположных направлениях 33Однако в этой печи на стыках секций не создается удерживающих электромагнитных сил, что ограничиваетпредельную массу обжатого полем расплава.Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому эффекту кизобретению является электропечьдля плавки и обработки металлов собжатием боковой поверхности расплава. магнитным полем, содержащая опору для столба расплава, соосный сней спиральный индуктор и системустабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскос.тях, проходящих через продольнуюось симметрии спирального индуктора,5.10 15 20 30 3540 45 50 го в спиральном индукторе, причемпластины изолированы одна от, другойи соединены электрически параллельно в зонах, расположенных выше иниже охватывающего индуктора на расстоянии от него 0,2-2,0 радиусапоследнего. Система стабилизирующих проводников разделена на группы, проводники которых чередуются вдоль периметра расплава, а питание этих групп током производится периодически, со смещением во времени 4Недостатком известной печи является то, что улучшение стабильности формы поверхности расплава в резуль.тате воздействия на расплав системы токов в стабилизирующих проводниках печи существенно ослабляется из-за наводки паразитных противотоков в смежных стабилизирующих проводниках.Целью изобретения является повышение КПД печи за счет улучшения стабильности формы поверхности расплава путем повышения эффективности действия системы стабилизирующих проводников.Поставленная цель достигается тем, что в электропечи для плавки и обработки металлов с сбжатием боковой поверхности распла.ва магнитным полем, содержащей опору для столба расплава, соосный с ней спиральный индуктор и систему стабилизирующих проводников, продольные оси которых лежат в плоскостях, проходящих через продольную ось симметрии спирального индуктора, стабилизирующие,проводники выполнены в азимутальном направлении толщиной 0,5-2,0 глубины проникновения тока в материал этих проводников при частоте тока, текущего в последних в продольном направлении,Кроме того, стабилизирующие проводники выполйены из продольно ориен тированных пластин толщиной в азимутальном направлении 0,3-1,5 глубины проникновения тока в материал пластин при частоте тока, текущего в спиральном индукторе, причем пластины изолированы одна от другой.и соединены электрически паралелльно в зонах, расположенных выше и ниже охватывающего индуктора на расстоянии от него 0,2-2,0 радиуса последнего.Предлагаемое техническое решение предназначено для электропечей с питанием спирального индуктора током более высокой частоты, чем частота тока, текущая в стабилизирующих проводниках в продольном направ лении.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 действия поверхностного эффекта и, так называемого, эффекта близос ти, и первичные и вторичные токи концентрируются на гранях каждого про- водника, обращенных к соседним проводникам. Благодаря экранирующему действию вторичных токов результирующее внешнее магнитное поле локализуется в непосредственной близости к проводникам и очень слабо воздействует на расплав.Выполняют стабилизирующие провод. ники с размерами сечения, ограничи" вающими наводящиеся в них вторичные токи до степени, при которой резуль тирующее внешнее магнитное поле существенно не деформируется., Исследования показали, что удовлетворительный результат достигается при толщине проводников в азимутальном направлении, т.е. в направлении нор мали к п.оскости, проходящей через ось симметрии тигля и продольную ось проводника, не превышающем 2,0 глубины ( Ь) проникновения тока в материал проводника (при используемой частоте тока) и улучшается при дальнейшем снижении этой толщины, Однако при толщине равной 0,5 упомянутой глубины ( а ) проникновения тока, деформация магнитного поля. практически исчезает и дальнейшее снижение ее, не изменяя эффект предложения, приводит лишь к неоправданному конструктивному усложнению печи. На фиг, 1 показана предложенная электропечь, вертикальное сечение; на фиг. 2 и 3 - то же, горизонталь-. ное сечение (на фиг. 2 представлен вариант печи со стабилизирующими проводниками, не разделенными на параллельные пластины, а на фиг. 3-с разделенными); на фиг. 4 и 5 - эпюры распределения токов, текущих в стабилизирующих проводниках вдоль осей последних ( фиг. 4 относится к известной печи, а фиг. 5 - к предложенной печи).Электропечь содержит спиральный индуктор 1 обжимающего магнитногополя, охватывающий расплав 2, удерживаемый на опоре 3. Между индуктором и расплавом, соосно с ними, расположены стабилизирующие проводники 4. Печь может иметь дополнительный источник 5 нагрева (плазмотрон,электронная пушка и т.п.).На фиг. 2 видны сечения стабилизирующих проводников для случая,когда они не разделены на заарал 5 лельные пластины. Показаны промежутки 6, разделяющие стабилизирующиепроводники, Промежутки б могут бытьзаполнены электроизоляцией,На фиг. 3 показано сечение (в пла10 не) стабилизирующих проводников, разделенных на параллельные пластины.Все пластины, относящиеся к одномупроводнику, показаны либо мелкой, либо крупной штриховкой и охвачены фи 15 гурной скобкой. Показаны также промежутки 6, вариант заполнения изоля-цией.,На фиг. 4 представлена эпюра мгновенного распределения плотности то ка в стабилизирующих проводникахизвестной печи. Показан момент, когда кондуктивный стабилизирующий токтечет по проводникам, отмеченнымстрелками. (Направления токов соот 5 ветствуют направлению стрелок), Эпюра изображена применительно к сечению Б-Б фиг. 2, причем дуговая поверхность сечения условно развернутав плоскость. Однако эпюра качественно описывает характер распределенияплотности тока не только в месте нахождения сечения Б-Б, но и по всемуобъему стабилизирующих проводников(по всей их высоте и при всех значениях радиальной координаты),З 5 Распределение плотности кондуктивного тока показано кривыми с вертикальной штриховкой, а распределение наведенного вихревого тока -кривыми с зачернением.40 На фиг. 5 представлена эпюра мгно.венного распределения плотности тока в стабилизирующих проводникахпри выполнении электропечи согласнопредлагаемому изобретению. Как и на45 фиг. 4, эпюра фиг. 5 качественно характеризует распределение плотноститока во всем объеме стабилизирующихпроводников, Это относится к предлагаемой электропечи.50В ряде случаев надежность стабилизации поверхности расплава повышаетсяпри увеличении шага стабилизирующихпроводников. Этого можно достичь ненарушая соотношения между толщинойпроводников (а)и глубиной ( й )проникновения тока путем увеличения глубины ( Л )проникновения продольноготока в материал этих проводников засчет выбора более низкого .значениячастоты (Г )питания этого тока.Если при этом частота (Г)тока,используемая в печи для ййтания спирального индуктора,превышает выбранную по укаэанным соображениям часто 65 ту (Г ), то поле спирального ин.плоскостях, параллельных плоскостямвитков упомянутого индуктора, что вызовет значительные дополнительныепотери энергии в стабилизирующихпроводниках.С целью сокращения этих потерь вслучае, если спиральный индуктор питается током более высокой частоты,чем частота продольного тока в ста билизирующих проводниках, предложеноразделять эти проводники на ряд па-раллельных пластин с меньшей толщиной, выбираемой по условию ослабления вихревых токов, наводимых полемспирального индуктора в пластинах,Исследования показали, что удовлетво.рительный эффект достигается при толщине (Ь) пластин не вью 1,5 отглубины ( д ) проникновения тока в магтериал пластин, имеющей место причастоте (Г), используемой дляпитания спирального индуктора. В тоже время снижение толщины пластинменее 0,3 этой глубины проникновенияне целесообразно, так как,практическине меняя потери в пластинах, оно усложняет изготовление печи. Пластиныизолируют друг от друга и соединяютв параллель только в зоне ослабленного поля спирального индуктора (вьиаеи ниже последнего), Исследования показали, что достаточное ослаблениеполя достигается на расстоянии 0,2радиусов индуктора, а на расстоянии2,0 радиусов от него дальнейшее ослабление поля становится не существенным. В то же время при большихрасстояниях необоснованно увеличиваются размеры стабилизирующего устройства.При выполнении стабилизирующихпроводников разделенными на ряд параллельных пластин с толщиной ь(0,3 - 1,5)д должно соблюдатьсяусловие, введенное ранее для общейтолщины стабилизирующего проводникаа = (0,5 - 2,0). йЭлектропечь работает следующимобразом. На опоре 3 наводят расплав 2,используя тепло, генерируемое переменным магнитным полем инцуктора 1, ав необходимых случаях - также и с помощью дополнительного источника 5 5 нагрева. При этом магнитное полеиндуктора 1 обжимает расплав, препятствуя сливанию его с опоры 3. Одновременно с включением индуктора 1включают питание.системы стабилизиру 10 ющих проводников 4. При этом смещенные вдоль периметра сечения расплава группы чередующихся проводниковполучают питание со сдвигом во времени. В момент подачи питания в любую 15 из упомянутых групп проводников впроводниках других групп вихревыетоки почти не наводятся (фиг. 5) ине гасят магнитное поле проводников,обтекаемых в данный момент током.В результате магнитное поле группы обтекаемых током стабилизирующихпроводников, оказывает нужное силовое воздействие на расплав. Такжевоздействуют на расплав стабилизиру ющие проводники дРугих гРупп в моменты, когда они записываются продольными токами. В силу инерционности расплава и чередующихся силовыхвоздействий полей групп стабилизи рующих проводников поверхность столба расплава приобретает относительную стабильность (в отличие от известной печи, где воздействие кондуктивных и наведенных токов в стабилизирующих проводниках взаимно гаситЗ 5 ,)Положительный эффект достигается.за счет сокращения тепловых потерь. благодаря более полному и стабильно.му отрыву расплава от окружающих 40 элементов конструкции. Так, при сопоставлении с базовой электропечьюс холодным тиглем, имеющей диаметроснования для расплава. 250 мм, иувеличении средневзвешенной высоты 45 отжатия с 120 мм до 220 мм, ожидаемый экономический эффект при годовомфонде времени работы оборудования3975 ч (двухсменная работа) составит4000 руб/год на одну печь.1085022 г иг.8 Составитель С.ДзигоевТехред Т.фанта Корректор А.Т Редактор Н.Дан Заказ 2039/5 филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 ТиражВНИИПИ Государпо делам изо113035, Москва,83твенного комитретений и открЖ, Раушская Подписа СССРийаб., д,4/5