RU2371652C1 - Electric furnace for preparation of alloys of nonferrous metals - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: electric furnace contains lined bath with side walls and bottom, contacting to melt, installed in bottom electric heating unit, consisting of refractory heat-conducting block and heating elements, and source of electric energy. Heating elements are implemented in the form of current-carrying electrodes, installed in lining of bottom, refractory heat-conducting block is implemented from electroconductive resistance material on the basis of carbon and is a part of lining of bottom of furnace, herewith top surface of refractory heat-conducting block is in contact to current-carrying cooled electrode through melt of metal, and its bottom surface - to other current-carrying electrode through source of electric energy.

EFFECT: increasing serviceability of electric fire ensured by increasing of reliability of electric heating unit and lining of bottom as a result of reduction of gradient of temperatures by thickness of refractory heat-conducting block.

2 cl, 2 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии и электротехнологии, а именно к электропечам, используемым для приготовления сплавов цветных металлов.The invention relates to the field of metallurgy and electrical technology, namely to electric furnaces used for the preparation of non-ferrous metal alloys.

В электрических печах и им подобных установках, предназначенных для приготовления сплавов, существует потребность в электронагревателе - источнике тепловой энергии, который бы обеспечивал подвод тепловой энергии к нижней части расплава жидкого металла, находящегося в ванне электрической печи, и обладал высокой степенью эксплуатационной надежности.In electric furnaces and similar installations intended for the preparation of alloys, there is a need for an electric heater - a source of thermal energy, which would provide thermal energy to the lower part of the molten liquid in the bath of an electric furnace and have a high degree of operational reliability.

Известны дуговые электрические печи с подовыми электродами (патент РФ №2097947, опубл. 27.11.97, Кл. Н05В 7/20, 7/11, F27D 11/10, F27B 3/10), в которых в качестве источника тепловой энергии используется электрический разряд, представляющий собой горящую электрическую дугу.Known arc electric furnaces with hearth electrodes (RF patent No. 2097947, publ. 11/27/97, Cl. H05B 7/20, 7/11, F27D 11/10, F27B 3/10), in which an electric source of thermal energy is used discharge, which is a burning electric arc.

В данном типе электрических печей основная часть тепловой энергии выделяется над верхними слоями расплава, за счет чего возникает температурный перепад между его верхними и нижними слоями.In this type of electric furnace, the bulk of the thermal energy is released above the upper layers of the melt, due to which a temperature difference occurs between its upper and lower layers.

Известна также электрическая печь Таммана, принцип действия электронагревателя которой основан на выделении тепловой энергии в электронагревателе сопротивления, который одновременно является и элементом ограждающей конструкции (Зуев В.М. Термическая обработка металлов / В.М.Зуев. М.: Высш. школа, 1976. с.240, рис.127).Tamman's electric furnace is also known, the principle of operation of an electric heater which is based on the release of thermal energy in a resistance electric heater, which is also an element of the enclosing structure (Zuev V.M. Heat treatment of metals / V.M. Zuev. M .: Higher school, 1976 p. 240, fig. 127).

При приготовлении электропроводящих расплавов, каковыми являются сплавы цветных металлов, в такой электрической печи возникает необходимость электрической изоляции электронагревателя от расплава. С данной целью между электронагревателем и электропроводящим сплавом создается промежуточный электроизоляционный слой. Это ведет к снижению надежности электронагревателя и его тепловой эффективности.In the preparation of electrically conductive melts, such as non-ferrous metal alloys, in such an electric furnace there is a need for electrical isolation of the electric heater from the melt. For this purpose, an intermediate electrical insulating layer is created between the electric heater and the electrically conductive alloy. This leads to a decrease in the reliability of the electric heater and its thermal efficiency.

Наиболее близкой к заявляемой электрической печи для приготовления сплавов металлов является электрическая печь (патент Норвегии № WO 9716051, опубл. 1997.05.01, Кл. Н05В 3/10, Н05В 3/62), содержащая футерованную ванну с боковыми стенками и подиной, контактирующими с расплавом, электронагреватель, состоящий из огнеупорного теплопроводного блока, расположенного в подине, в отверстиях которого установлены нагревательные элементы, а также источник электрической энергии.Closest to the claimed electric furnace for the preparation of metal alloys is an electric furnace (Norwegian patent No. WO 9716051, publ. 1997.05.01, Cl. H05B 3/10, H05B 3/62) containing a lined bath with side walls and a hearth in contact with melt, an electric heater, consisting of a refractory heat-conducting block located in the hearth, in the openings of which are installed heating elements, as well as a source of electrical energy.

Недостатком такой конструкции является установка нагревательных элементов в отверстиях огнеупорного теплопроводного блока, что приводит к недопустимому градиенту температур в нем, образованию трещин и последующему проходу расплава к нагревательным элементам. Замена электронагревателя существенно снижает эксплуатационную надежность электрической печи.The disadvantage of this design is the installation of heating elements in the holes of the refractory heat-conducting block, which leads to an unacceptable temperature gradient in it, the formation of cracks and the subsequent passage of the melt to the heating elements. Replacing an electric heater significantly reduces the operational reliability of an electric furnace.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение эксплуатационной надежности электрической печи за счет увеличения надежности электронагревателя и футеровки подины в результате снижения градиента температур по толщине огнеупорного теплопроводного блока.The problem solved by the invention is to increase the operational reliability of the electric furnace by increasing the reliability of the electric heater and the lining of the hearth as a result of a decrease in the temperature gradient across the thickness of the refractory heat-conducting block.

Для решения поставленной задачи в предлагаемой электрической печи для приготовления сплавов цветных металлов, содержащей футерованную ванну с боковыми стенами и подиной, контактирующими с расплавом, установленный в подине электронагреватель, включающий огнеупорный теплопроводный блок и нагревательные элементы, и источник электрической энергии, согласно изобретению нагревательные элементы выполнены в виде токоподводящих электродов, установленных в футеровке подины, огнеупорный теплопроводный блок выполнен из электропроводящего резистивного материала на основе углерода и является частью футеровки подины печи, причем верхняя поверхность огнеупорного теплопроводного блока находится в контакте с токоподводящим охлаждаемым электродом через расплав металла, а его нижняя поверхность - с другим токоподводящим электродом через источник электрической энергии. При этом электрод, контактирующий с расплавом, может быть выполнен из материала, являющегося основой приготавливаемого сплава.To solve the problem in the proposed electric furnace for the preparation of non-ferrous metal alloys, containing a lined bath with side walls and a hearth in contact with the melt, an electric heater installed in the hearth, including a refractory heat-conducting block and heating elements, and an electric energy source, according to the invention, the heating elements are made in the form of current-carrying electrodes installed in the lining of the hearth, the refractory heat-conducting block is made of electrically conductive A carbon-based resistive material is part of the lining of the furnace hearth, with the upper surface of the refractory heat-conducting block in contact with the current-carrying cooled electrode through the metal melt, and its lower surface with the other current-conducting electrode through the electric energy source. In this case, the electrode in contact with the melt can be made of a material that is the basis of the alloy being prepared.

В соответствии с предлагаемым техническим решением установленный в подине огнеупорный теплопроводный блок является источником тепловой энергии - электронагревателем, способным обеспечить выделение требуемого количества тепловой энергии при протекании через него электрического тока для нагрева расплава металла. Это происходит за счет выполнения огнеупорного теплопроводного блока из электропроводящего резистивного материала. При этом блок одновременно является и частью футеровки подины электрической печи.In accordance with the proposed technical solution, a refractory heat-conducting block installed in the bottom is a source of thermal energy - an electric heater, capable of providing the required amount of thermal energy when an electric current flows through it to heat the metal melt. This is due to the implementation of the refractory heat-conducting block of an electrically conductive resistive material. At the same time, the block is simultaneously part of the lining of the hearth of the electric furnace.

С этой целью огнеупорный теплопроводный блок располагается в футеровке электрической печи так, что одна из его поверхностей электроизолирована от расплава и подсоединена к одному из полюсов источника электрической энергии через токоподвод, а другая контактирует с расплавом. Второй полюс источника электрической энергии подсоединен к токоподводящему электроду, контактирующему с расплавом, который выполнен из материала, являющегося основой приготавливаемого сплава. При таком расположении огнеупорного теплопроводного блока обеспечивается наиболее равномерное выделение в нем тепловой энергии.For this purpose, the refractory heat-conducting block is located in the lining of the electric furnace so that one of its surfaces is electrically insulated from the melt and connected to one of the poles of the electric energy source through a current lead, and the other is in contact with the melt. The second pole of the electric energy source is connected to a current-conducting electrode in contact with the melt, which is made of material that is the basis of the alloy being prepared. With this arrangement of the refractory heat-conducting block, the most uniform release of thermal energy in it is ensured.

На чертеже изображено поперечное сечение предлагаемой электрической печи для приготовления сплавов цветных металлов, в которую входят: футерованная ванна 1, огражденная с боков футерованными стенами 2, огнеупорный теплопроводный блок 3, расположенный в электроизоляционной футеровке подины 4 таким образом, что верхняя поверхность огнеупорного теплопроводного блока 3 контактирует через расплав металла с токоподводящим электродом 5, а нижняя поверхность - с токоподводящим электродом 6. При помощи токоподвода 7, выполненного из материала с низким удельным электрическим сопротивлением, токоподводящий электрод 6 подсоединяется к источнику электрической энергии 8. Второй полюс источника электрической энергии 8 посредством токоподвода 9 соединяется с охлаждаемой частью токоподводящего электрода 5. В охлаждаемой части токоподводящего электрода 5 предусмотрена полость 10 для охлаждающей жидкости, поступающей в нее через систему охлаждения 11. Температурный режим токоподводящего электрода 5 поддерживается на требуемом уровне системой автоматического регулирования 12, регулирующей расход охлаждающей жидкости. При включении источника электрической энергии 8 через токоподводы 7, 9 начинает протекать электрический ток. Часть тепловой энергии выделяется в токоподводящем электроде 5. С целью обеспечения требуемого температурного режима токоподводящего электрода 5 через полость 10 пропускается охлаждающая жидкость, за счет чего его форма и физические свойства поддерживаются стабильными. При этом основная часть тепловой энергии выделяется в огнеупорном теплопроводном блоке 3 и передается расплаву, нагревая его до заданной температуры.The drawing shows a cross section of the proposed electric furnace for the preparation of non-ferrous metal alloys, which includes: a lined bath 1, fenced from the sides by lined walls 2, a refractory heat-conducting block 3 located in the insulating lining of the hearth 4 so that the upper surface of the refractory heat-conducting block 3 it contacts through a metal melt with a current-supplying electrode 5, and the lower surface - with a current-conducting electrode 6. Using a current-supply 7 made of material with n With a specific electrical resistivity, the current-supplying electrode 6 is connected to the electric energy source 8. The second pole of the electric energy source 8 is connected to the cooled part of the current-supplying electrode 5 by means of the current-supplying 5. In the cooled part of the current-supplying electrode 5, a cavity 10 is provided for the cooling liquid entering it through the system cooling 11. The temperature of the current-supplying electrode 5 is maintained at the required level by the automatic control system 12, regulating her coolant flow rate. When you turn on the source of electrical energy 8 through the current leads 7, 9 begins to flow electric current. Part of the thermal energy is released in the current-supplying electrode 5. In order to ensure the required temperature conditions of the current-supplying electrode 5, a cooling fluid is passed through the cavity 10, due to which its shape and physical properties are maintained stable. In this case, the bulk of the thermal energy is released in the refractory heat-conducting block 3 and transferred to the melt, heating it to a predetermined temperature.

В качестве материала огнеупорного теплопроводного блока предлагается использовать электропроводящие резистивные материалы на основе углерода, обладающие высокой температурой плавления: карбид кремния, силицированный графит (таблица 1). В таблице 1 приведены физические свойства электропроводящих резистивных материалов, подтверждающие возможность их применения в качестве материала огнеупорного теплопроводного блока.It is proposed to use carbon-based electrically conductive resistive materials with a high melting point as a material of a refractory heat-conducting block: silicon carbide, siliconized graphite (table 1). Table 1 shows the physical properties of electrically conductive resistive materials, confirming the possibility of their use as a material of a refractory heat-conducting block.

В применении к конкретному примеру исполнения для сравнения относительной эксплуатационной надежности электронагревателей, конструктивно выполненных в соответствии с предложенным техническим решением и прототипом, были созданы их математические и физические модели. На моделях были исследованы характеристики электронагревателей, определяющие их относительную эксплуатационную надежность. При этом для электронагревателей использовались электропроводяще резистивные материалы, указанные в таблице 1. Соответствующие полученные результаты приведены в таблице 2. Из приведенных в таблице 2 характеристик следует, что эксплуатационная надежность электронагревателей, выполненных согласно предложенному техническому решению, существенно выше, чем у прототипа.As applied to a specific performance example, to compare the relative operational reliability of electric heaters, structurally made in accordance with the proposed technical solution and prototype, their mathematical and physical models were created. The characteristics of electric heaters that determine their relative operational reliability were investigated on the models. At the same time, electrically conductive resistive materials were used for electric heaters, shown in table 1. The corresponding results are shown in table 2. From the characteristics given in table 2, it follows that the operational reliability of electric heaters made according to the proposed technical solution is significantly higher than that of the prototype.

Таким образом, исполнение электрической печи в соответствии с предлагаемым техническим решением и результаты исследований на математических и физических моделях подтверждают, что эксплуатационная надежность электрической печи может быть существенно повышена за счет увеличения надежности электронагревателя и футеровки подины.Thus, the design of the electric furnace in accordance with the proposed technical solution and the results of studies on mathematical and physical models confirm that the operational reliability of the electric furnace can be significantly improved by increasing the reliability of the electric heater and the lining of the hearth.

Еще одним преимуществом предлагаемого технического решения является то, что его можно использовать в таком металлургическом оборудовании, как лотковые системы, ковши, установки рафинирования, в выпускных отверстиях и соплах металлургических сосудов, а также в лабораторных печах. В этих случаях размеры и форму огнеупорного теплопроводного блока выбирают в зависимости от конкретных требований к вышеперечисленному оборудованию.Another advantage of the proposed technical solution is that it can be used in metallurgical equipment such as tray systems, ladles, refining plants, in the outlet openings and nozzles of metallurgical vessels, as well as in laboratory furnaces. In these cases, the dimensions and shape of the refractory heat-conducting block are selected depending on the specific requirements for the above equipment.

Таблица 1Table 1 №No. МатериалMaterial Огнеупор-
ность, °CRefractory
° C Удельное электрические сопротивление при (20÷1200)°C, мкОм·мElectrical resistivity at (20 ÷ 1200) ° C, μOhm · m Температурный коэффициент линейного расширения, 10^-6°С^-1 The temperature coefficient of linear expansion, 10 ^-6 ° C ^-1 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С)The coefficient of thermal conductivity, W / (m · ° C) 1one Карбид кремния, SiCSilicon Carbide, SiC 22002200 10÷10510 ÷ 105 5,055.05 4÷354 ÷ 35 22 Силицированный графитSiliconized Graphite 18001800 3÷23 ÷ 2 4,24.2 20÷20020 ÷ 200

Таблица 2table 2 №No. Материал огнеупорного теплопроводного блокаMaterial of refractory heat-conducting block Силицированный графитSiliconized Graphite Карбид кремния, SiCSilicon Carbide, SiC Техническое решениеTechnical solution ПредлагаемоеProposed ПрототипPrototype ПредлагаемоеProposed ПрототипPrototype 1one Полная выделяемая мощность, ВтTotal allocated power, W 1464014640 1464014640 1464014640 1464014640 22 Максимальный температурный градиент, °С/мThe maximum temperature gradient, ° C / m 26002600 48604860 30923092 67536753 33 Термостойкость (сравнительнаяHeat resistance (comparative ХорошаяGood ХорошаяGood Удовлетворитель-
наяSatisfactory
naya Удовлетворитель-
наяSatisfactory
naya

Claims (2)

1. Электрическая печь для приготовления сплавов цветных металлов, содержащая футерованную ванну с боковыми стенами и подиной, контактирующие с расплавом, установленный в подине электронагреватель, состоящий из огнеупорного теплопроводного блока и нагревательных элементов, и источник электрической энергии, отличающаяся тем, что нагревательные элементы выполнены в виде токоподводящих электродов, установленных в футеровке подины, огнеупорный теплопроводный блок выполнен из электропроводящего резистивного материала на основе углерода и является частью футеровки подины печи, причем верхняя поверхность огнеупорного теплопроводного блока находится в контакте с токоподводящим охлаждаемым электродом через расплав металла, а его нижняя поверхность - с другим токоподводящим электродом через источник электрической энергии.1. An electric furnace for the preparation of non-ferrous metal alloys, containing a lined bath with side walls and a hearth, in contact with the melt, an electric heater installed in the hearth, consisting of a refractory heat-conducting block and heating elements, and an electric energy source, characterized in that the heating elements are made in in the form of current-carrying electrodes installed in the lining of the hearth, the refractory heat-conducting block is made of an electrically conductive resistive material based on carbon and is part of the lining of the hearth of the furnace, the upper surface of the refractory heat-conducting block being in contact with the current-carrying cooled electrode through the molten metal, and its lower surface is in contact with another current-conducting electrode through the electric energy source. 2. Электрическая печь по п.1, отличающаяся тем, что токоподводящий охлаждаемый электрод, контактирующий с расплавом, выполнен из материала, который является основой приготавливаемого сплава. 2. The electric furnace according to claim 1, characterized in that the current-conducting cooled electrode in contact with the melt is made of material that is the basis of the alloy being prepared.