RU124956U1 - DC MULTI-ARC FURNACE - Google Patents

Abstract

1. Электродуговая печь постоянного тока для плавки металла, содержащая футерованный корпус со сводом и днищем, окно для загрузки исходного материала, сливное отверстие, сводовый и, по меньшей мере, один подовый электроды, а также источник электроэнергии, к которому подсоединены электроды, и систему регулирования тока, отличающаяся тем, что на внешней поверхности корпуса печи между уровнем окна загрузки и днищем установлен соленоид, обеспечивающий при подаче тока магнитное насыщение расплавленного металла.2. Электродуговая печь по п.1, отличающаяся тем, что соленоид снабжен магнитопроводом, один из полюсов которого расположен на уровне расплавленного металла, а другой - на уровне нижней поверхности днища.3. Электродуговая печь по п.2, отличающаяся тем, что соленоид расположен внутри магнитопровода и снабжён системой воздушного охлаждения.1. DC electric arc furnace for melting metal, comprising a lined housing with a vault and a bottom, a window for loading source material, a drain hole, a vault and at least one hearth electrodes, as well as an electric power source to which the electrodes are connected, and a system current regulation, characterized in that on the outer surface of the furnace body between the level of the loading window and the bottom there is a solenoid that ensures the magnetic saturation of the molten metal when the current is supplied. 2. An electric arc furnace according to claim 1, characterized in that the solenoid is provided with a magnetic circuit, one of the poles of which is located at the level of molten metal, and the other at the level of the bottom surface of the bottom. An electric arc furnace according to claim 2, characterized in that the solenoid is located inside the magnetic circuit and is equipped with an air cooling system.

Description

Полезная модель относится к области электрометаллургии, а именно, к электродуговым печам постоянного тока и может быть использована, например, для плавки черных и цветных металлов, а также для их перемешивания.The utility model relates to the field of electrometallurgy, namely, direct current electric arc furnaces and can be used, for example, for melting ferrous and non-ferrous metals, as well as for mixing them.

Из уровня техники известна электродуговая печь постоянного тока для плавки, содержащая футерованный корпус со сводом и днищем, окно для загрузки исходного материала, сливное отверстие, сводовый и подовые электроды, а также источник электропитания, к которому подсоединены электроды, и систему регулирования тока (см. патент RU 2048662, кл. F27B 3/08, опубл. 20.11.1995). Недостатком известного устройства является неполное плавление и перемешивание расплавляемого материала. Указанные недостатки обусловлены тем, что в «застойных» зонах, в которых влияние электродинамических сил по тем или иным причинам ослаблено (малодоступные для тока зоны и т.д.), изменение силы тока электродов, которое должно обеспечить перемешивание расплава в известной печи, не влияет на «слабо провариваемый» расплав. Изменение силы тока во время плавки приводит к неравномерности нагрева среды и появлению конвективных сил, обусловленных разностью температур расплава. Перемешивание происходит, главным образом, в окрестности подовых электродов, что не обеспечивает однородность химического состава расплава по всему объему.A direct current electric arc furnace for melting is known from the prior art, comprising a lined body with a roof and a bottom, a window for loading source material, a drain hole, a roof and bottom electrodes, as well as a power source to which the electrodes are connected, and a current control system (see patent RU 2048662, class F27B 3/08, publ. 11/20/1995). A disadvantage of the known device is the incomplete melting and mixing of the molten material. These drawbacks are due to the fact that in "stagnant" zones, in which the influence of electrodynamic forces is weakened for one reason or another (inaccessible for current zones, etc.), a change in the current strength of the electrodes, which should provide mixing of the melt in a known furnace, is not affects the "slightly boiled" melt. A change in the current strength during melting leads to uneven heating of the medium and the appearance of convective forces due to the difference in the temperature of the melt. Mixing occurs mainly in the vicinity of the hearth electrodes, which does not ensure uniformity of the chemical composition of the melt throughout the volume.

Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении качества перемещения за счет «вращения» дуги и, как следствие, повышение качества расплава. Поставленная задача решается, а технический результата достигается тем, что электродуговая печь постоянного тока для плавки содержит футерованный корпус со сводом и днищем, окно для загрузки исходного материала, сливное отверстие, сводовый и, по меньшей мере, один подовый электроды, а также источник электропитания, к которому подсоединены электроды, и систему регулирования тока, причем на внешней поверхности корпуса печи между уровнем окна загрузки и днищем установлен соленоид, обеспечивающий при подаче тока магнитное насыщение расплавляемого материала. Соленоид предпочтительно снабжен магнитопроводом, один из полюсов которого расположен на уровне расплавленного металла, а другой - на уровне нижней поверхности днища, причем соленоид располагают внутри магнитопровода и снабжают системой воздушного охлаждения.The objective of the utility model is to eliminate these drawbacks. The technical result consists in improving the quality of movement due to the "rotation" of the arc and, as a result, improving the quality of the melt. The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that the DC electric arc furnace for melting contains a lined body with a vault and a bottom, a window for loading source material, a drain hole, a vault and at least one hearth electrodes, as well as a power source, to which electrodes are connected, and a current control system, and on the outer surface of the furnace body between the level of the loading window and the bottom there is a solenoid that ensures magnetic saturation of the melt when the current is applied trolled material. The solenoid is preferably provided with a magnetic circuit, one of the poles of which is located at the level of the molten metal, and the other at the level of the bottom surface of the bottom, the solenoid being located inside the magnetic circuit and equipped with an air cooling system.

На чертеже представлена предлагаемая электродуговая печь.The drawing shows the proposed electric arc furnace.

Электродуговая печь постоянного тока для плавки содержит металлический корпус 1 со сводом и днищем, футированный периклазовым кирпичом 2, шамотным кирпичом 3, набивкой ППЭ-88 4 и асбестовым картоном 5. В корпусе 1 выполнено окно 6 для загрузки исходного материала и сливное отверстие 7. В печи установлены сводовый электрод 8 и подовые электроды 9. Все электроды подсоединены к источнику электропитания и системе регулирования тока (на чертеже не показаны). На внешней поверхности корпуса 1 печи между уровнем окна загрузки 6 и днищем установлен соленоид 10. Более конкретное место расположения соленоида 10 выбирают с учетом экранировки его магнитного поля металлическим корпусом ванны.The DC electric arc furnace for melting contains a metal case 1 with a arch and a bottom, lined with periclase brick 2, fireclay brick 3, packing PPE-88 4 and asbestos cardboard 5. In the case 1 there is a window 6 for loading the source material and a drain hole 7. B the furnace has a vault electrode 8 and hearth electrodes 9. All electrodes are connected to a power source and a current control system (not shown in the drawing). A solenoid 10 is installed on the outer surface of the furnace body 1 between the level of the loading window 6 and the bottom. A more specific location of the solenoid 10 is selected taking into account the screening of its magnetic field by the metal body of the bath.

Число ампер-витков соленоида 10 обеспечивает при подаче тока магнитное насыщение расплавляемого материала. Соленоид может быть помещен в магнитопровод (на чертеже не показан), один из полюсов которого расположен на уровне расплавленного металла, а другой - на уровне нижней поверхности днища. В этом случае соленоид снабжают системой воздушного охлаждения.The number of ampere-turns of the solenoid 10 provides the magnetic saturation of the molten material when the current is applied. The solenoid can be placed in a magnetic circuit (not shown in the drawing), one of the poles of which is located at the level of molten metal, and the other at the level of the bottom surface of the bottom. In this case, the solenoid is equipped with an air cooling system.

Предлагаемая печь функционирует следующим образом.The proposed furnace operates as follows.

Перемещение дуги обеспечивают путем создания индукции дополнительным магнитным полем, имеющим не нулевую радиальную составляющую вектора индукции В внутри дуговой печи. Такая составляющая создается при намотке нескольких (пяти-шести) витков хорошо изолированного медного провода толщиной 2×95 мм на нижнюю часть корпуса снаружи печи и пропусканием через них тока силой в 1000 ампер при напряжении в 80-100 вольт, при этом происходит магнитное насыщение расплавляемого материала. Источником тока может быть обычный сварочный генератор. При этом вектор силы, воздействующий на дугу, определяется формулой ЛоренцаThe movement of the arc is provided by creating induction with an additional magnetic field having a non-zero radial component of the induction vector B inside the arc furnace. Such a component is created by winding several (five to six) turns of a well-insulated copper wire 2 × 95 mm thick onto the lower part of the casing outside the furnace and passing a current of 1000 amperes through them at a voltage of 80-100 volts, while the magnetically saturated melt material. The current source can be a conventional welding generator. In this case, the force vector acting on the arc is determined by the Lorentz formula

F=[IB],F = [IB]

где квадратные скобки означают операцию векторного умножения заключенных внутри них величин, а I - вектор силы тока, проходящего через дугу.where square brackets mean the operation of vector multiplication of quantities enclosed within them, and I is the vector of the current flowing through the arc.

Индукция магнитного поля (в расплаве) имеет две составляющие B_r - радиальную и B_z - вертикальную. Соответственно, сила тока также будет две составляющие I_z и I_r, причем составляющая I_r обусловлена смещением подовых электродов от оси печи, при этом I_z>I_r. Поэтому для перемешивания необходимо иметь возможно более высокое значение В_r. С этой целью выбирают ширину намотки соленоида более тонкой и размещают на уровне подовых электродов или даже ниже их. Как показывают расчеты, при радиальной составляющей индукции (до 0,2-0,3 мТл) появляется сила F, приводящая в движение дугу со скоростью u. При этом аэродинамическое сопротивление, оказываемое средой, в которой движется дуга, равно этой силе:Induction of the magnetic field (in the melt) has two components B _r - radial and B _z - vertical. Accordingly, the current strength will also be two components I _z and I _r , and the component I _r is due to the displacement of the bottom electrodes from the axis of the furnace, while I _z > I _r . Therefore, for mixing, it is necessary to have the highest possible value of B _r . To this end, choose a thinner winding width of the solenoid and place it at the level of the bottom electrodes or even below them. As calculations show, with a radial component of induction (up to 0.2-0.3 mT), a force F appears, which sets the arc in motion at a speed u. In this case, the aerodynamic drag exerted by the medium in which the arc moves is equal to this force:

F=0,5C_xSρu²,F = 0.5C _x Sρu ² ,

где С_х=1 - опытный коэффициент аэродинамического сопротивления, S=dh - площадь миделя движущегося цилиндра дуги, d=0,1 м - диаметр сечения дуги, h=0,5 м - высота цилиндра вращающейся дуги, u=100 м/с - линейная скорость движения дуги, ρ=0,2 кг/м³ - плотность газа над расплавом газовой среды. Как показывают оценки, аэродинамическая сила сопротивления примерно равна F=50 Н и в данном случае дуга вращается с частотой около 10 Гц. В принципе, этой скорости вполне достаточно для перемешивания расплава.where C _x = 1 is the experimental coefficient of aerodynamic drag, S = dh is the midship area of the moving cylinder of the arc, d = 0.1 m is the diameter of the arc section, h = 0.5 m is the height of the cylinder of the rotating arc, u = 100 m / s is the linear velocity of the arc, ρ = 0.2 kg / m ³ is the density of the gas above the melt of the gas medium. According to estimates, the aerodynamic drag force is approximately equal to F = 50 N and in this case the arc rotates with a frequency of about 10 Hz. In principle, this speed is quite sufficient for mixing the melt.

Перемешивание металла в плавильной печи происходит за счет воздействия составляющей внешнего магнитного поля В_r на ток текущий в расплаве I_z. Возникающая при этом пондермоторная сила Лоренца F будет направлена по касательной, перпендикулярно векторам I_z и В_r и приводить в движение весь объем расплава. Причем, в силу зависимости B_r и I_r от радиуса, она будет изменяться по радиусу, создавая тем самым касательные напряжения между слоями расплава. Наличие касательных сдвиговых напряжений приводит к возникновению малых вихрей, способствующих лучшему перемешиванию расплава. Из оценок электромагнитных сил, действующих на дугу плотности газа над расплавленным металлом следует, что для вращения дуги величина сила Лоренца должна несколько превышать 50 Н. Сила тока в соленоиде и продолжительность его использования зависят от режима работы плавильной печи, и для каждой печи должны подбираться экспериментально.Mixing of the metal in the melting furnace occurs due to the influence of the external magnetic field component B _r on the current flowing in the melt I _z . The resulting Pondermotor Lorentz force F will be directed along the tangent, perpendicular to the vectors I _z and B _r and set in motion the entire volume of the melt. Moreover, due to the dependence of B _r and I _r on the radius, it will vary in radius, thereby creating tangential stresses between the layers of the melt. The presence of tangential shear stresses leads to the appearance of small vortices, which contribute to better mixing of the melt. From the estimates of the electromagnetic forces acting on the arc of gas density over the molten metal it follows that for rotation of the arc the Lorentz force should slightly exceed 50 N. The current strength in the solenoid and the duration of its use depend on the operating mode of the melting furnace, and for each furnace should be selected experimentally .

Для увеличения напряженности магнитной индукции соленоид можно заключить в магнитопровод. Это позволяет значительно увеличить напряженность индукции. При протекании тока в проводах обмотки соленоида выделяется тепло. Кроме этого, имеет место дополнительный их нагрев за счет теплоотдачи от внешних стенок ванны, имеющих температуру во время плавки 150-180°С. Для предотвращения их теплового разрушения в соленоид подают сжатый воздух, который выходит из отверстий в магнитопроводе по образующей к стенкам камеры. Расход воздуха определяют по величине и длительности тока в соленоиде в зависимости от режима работы плавильной печи. В соответствии с вышесказанным расход воздуха может быть подобран экспериментально.To increase the magnetic induction, the solenoid can be enclosed in a magnetic circuit. This can significantly increase the induction intensity. When current flows in the wires of the coil of the solenoid, heat is generated. In addition, there is their additional heating due to heat transfer from the outer walls of the bath having a temperature during melting of 150-180 ° C. To prevent their thermal destruction, compressed air is fed into the solenoid, which leaves the holes in the magnetic circuit along the generatrix to the chamber walls. Air consumption is determined by the magnitude and duration of the current in the solenoid, depending on the operating mode of the melting furnace. In accordance with the above, the air flow can be selected experimentally.

Воздействие внешнего магнитного поля на ток, текущий в расплаве, приводит к росту напряжения при той же силе тока, а следовательно, к увеличению вкладываемой в плавку мощности. Тем самым предлагаемое решение увеличивает производительность дуговой печи. Этому же способствует уменьшение времени, необходимого для перемешивания металла. При этом отпадает необходимость создания пульсационного режима работы подовых электродов, что уменьшает тепловые нагрузки на подовые электроды путем исключения конвективных потоков расплава.The effect of an external magnetic field on the current flowing in the melt leads to an increase in voltage at the same current strength, and, consequently, to an increase in the power invested in the melting. Thus, the proposed solution increases the productivity of the arc furnace. This also contributes to a reduction in the time required for mixing the metal. In this case, there is no need to create a pulsating operation mode of the hearth electrodes, which reduces the thermal load on the hearth electrodes by eliminating convective melt flows.

Таким образом, благодаря снабжению печи соответствующим соленоидом, в процессе плавки дуга обходит все зоны, находящиеся внутри корпуса, в результате чего весь расплав оказывается равномерно проваренным и перемешанным за счет воздействия на него пондермоторной силы Лоренца. Предлагаемое устройство обеспечивает генерацию магнитного поля внутри расплава определенной геометрии от источников магнитного поля, расположенного вне корпуса печи. Такое решение позволяет перемешивать металл во всем объеме, при этом сокращая время плавки, уменьшая тепловое воздействие расплава на подовые электроды, и предотвращая воздействие дуги на футеровку печи.Thus, due to the supply of the furnace with the corresponding solenoid, in the process of melting, the arc bypasses all the areas inside the body, as a result of which the entire melt is evenly boiled and mixed due to the Pondermotor force of Lorentz acting on it. The proposed device provides the generation of a magnetic field inside the melt of a certain geometry from sources of a magnetic field located outside the furnace body. This solution allows you to mix the metal in the entire volume, while reducing the melting time, reducing the thermal effect of the melt on the hearth electrodes, and preventing the impact of the arc on the lining of the furnace.

Предлагаемое устройство было осуществлено в результате доработки дуговой электропечи ДППТУ-20 организации ОАО «Тяжпрессмаш», город Рязань.The proposed device was implemented as a result of the completion of the electric arc furnace DPPTU-20 of the organization of OJSC Tyazhpressmash, the city of Ryazan.

Ток в цепи электропитания менялся в зависимости от выбранного режима плавки от 7000 А в ее начале до 34000 А в конце. В качестве источника питания был использован сварочный трансформатор с максимальным значением тока ~ 1000 А. На нижнюю часть ванны были намотаны 6 витков провода, выдерживающего без нагрева ток до 1000 А. Перед началом плавки в пространстве внутри печи были установлены датчики Холла для измерения напряженности магнитного поля таким образом, чтобы можно было определить составляющие его величины B_r, B_z. Измеренные значения оказались близкими к теоретически рассчитанным. По известным соотношениям были рассчитаны силы, действующие на расплав, при значениях тока, протекающей в печи. Установлено, что они значительно больше сил, имеющих место в расплаве при взаимодействии тока расплава с собственным магнитным полем. Кроме этого из теоретических оценок и из измеренных значений магнитных полей следует, что воздействие на ток в расплаве будет наибольшим у краев ванны, что исключает образование около них застойных зон, как это имеет место в прототипе.The current in the power supply circuit varied depending on the selected melting mode from 7000 A at its beginning to 34000 A at the end. A welding transformer with a maximum current value of ~ 1000 A was used as a power source. 6 turns of wire were wound on the lower part of the bath, which could withstand a current of up to 1000 A. without heating, Hall sensors were installed in the space inside the furnace to measure the magnetic field strength. so that it is possible to determine its constituent values B _r , B _z . The measured values were close to theoretically calculated. By the known relations, the forces acting on the melt were calculated for the values of the current flowing in the furnace. It has been established that they are significantly greater than the forces that occur in the melt upon interaction of the melt current with its own magnetic field. In addition, from theoretical estimates and from the measured values of the magnetic fields, it follows that the effect on the current in the melt will be greatest at the edges of the bath, which eliminates the formation of stagnant zones around them, as is the case in the prototype.

В результате применения предложенного устройства качество металла улучшилось по уровню содержания примесей в металле. Осмотр подины и футеровки показал отсутствие разрушений. Использование в прототипе пульсирующего токового режима по расчетам увеличивает продолжительность плавки на 7% процентов. Таким образом, использование внешнего магнитного поля позволяет сократить время плавки на 10 минут и повысить качество расплавленного материала за счет уменьшения эрозии футеровки печи, а также улучшить его перемешивание.As a result of the application of the proposed device, the metal quality has improved in terms of the content of impurities in the metal. Inspection of the hearth and lining showed no damage. The use of a pulsating current mode in the prototype is estimated to increase the melting time by 7%. Thus, the use of an external magnetic field reduces the smelting time by 10 minutes and improves the quality of the molten material by reducing erosion of the furnace lining, as well as improving its mixing.

Согласно данным расчета, индукция магнитного поля в зоне горения дуги в области подовых электродов составит величину для B_r≈10^-3 Tl. Сила Лоренца F=(I×B), как показывают расчеты, величиной 50-80 Н, при этом будет приводить дугу в круговое движение по камере со скоростью около 100 м/с.According to the calculation data, the magnetic field induction in the arc burning zone in the region of the hearth electrodes will amount to B _r ≈10 ^-3 Tl. The Lorentz force F = (I × B), as shown by calculations, of 50-80 N, at the same time it will lead the arc into circular motion along the chamber at a speed of about 100 m / s.

Claims (3)

1. Электродуговая печь постоянного тока для плавки металла, содержащая футерованный корпус со сводом и днищем, окно для загрузки исходного материала, сливное отверстие, сводовый и, по меньшей мере, один подовый электроды, а также источник электроэнергии, к которому подсоединены электроды, и систему регулирования тока, отличающаяся тем, что на внешней поверхности корпуса печи между уровнем окна загрузки и днищем установлен соленоид, обеспечивающий при подаче тока магнитное насыщение расплавленного металла.1. DC electric arc furnace for melting metal, comprising a lined housing with a vault and a bottom, a window for loading source material, a drain hole, a vault and at least one hearth electrodes, as well as an electric power source to which the electrodes are connected, and a system current regulation, characterized in that on the outer surface of the furnace body between the level of the loading window and the bottom there is a solenoid that ensures the magnetic saturation of the molten metal when the current is applied. 2. Электродуговая печь по п.1, отличающаяся тем, что соленоид снабжен магнитопроводом, один из полюсов которого расположен на уровне расплавленного металла, а другой - на уровне нижней поверхности днища.2. The electric arc furnace according to claim 1, characterized in that the solenoid is equipped with a magnetic circuit, one of the poles of which is located at the level of the molten metal, and the other at the level of the bottom surface of the bottom. 3. Электродуговая печь по п.2, отличающаяся тем, что соленоид расположен внутри магнитопровода и снабжён системой воздушного охлаждения.

3. The electric arc furnace according to claim 2, characterized in that the solenoid is located inside the magnetic circuit and is equipped with an air cooling system.

Images