SE504400C2 - Ugnsanläggning för smältning av metall och/eller varmhållning av smält metall - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 504 400 2 leder ofta till metallförluster genom oxidation och bildning av dross eller slagg. Samtidigt påverkas processens energi- utnyttjande negativt. Metallförluster och låg energieffekti- vitet är ett problem i s.k flamugnar där olje- eller gas- brännare genom konvektion och strålning värmer metallen.

Genom omröring av smältan utjämnas temperatur- och koncent- rationsgradienter i smältan så att övertemperaturer kan minskas och processens energieffektivitet förbättras. Detta kan illustreras genom att, vid elektromagnetisk omröring, det effektiva värmeledningstalet i smältan höjes mer än 10 falt jämfört med värmeledningstalet i en icke omrörd smälta.

Med effektivt värmeledningstal avses i denna patentansökan det värmeledningstal som beskriver värmetransporten i smält- badet med hänsyn taget till såväl det konduktiva värmeflödet i smältan och/eller fasta metallen och det extra bidrag i form av det konvektiva värmeflöde som erhålles i smältan genom omröringen.

Det är känt att, i ugnsanläggningar för smältning och varm- hållning av aluminium, anordna elektromagnetiska omrörare under ugnen för att åstadkomma en bottenomröring. Typiskt ger detta en höjning av det effektiva värmeledningstalet med en faktor 25-35. Dock uppkommer i vissa fall ekonomiska och konstruktiva komplikationer när man önskar anordna botten- omrörare under ugnar eller i anslutning till ugnsbotten enligt känd teknik. Detta är speciellt märkbart i de fall där man avser att installera omrörare i befintliga ugnsan- läggningar för att höja ugnens energieffektivitet, produkti- vitet och minska temperatur- och koncentrationsgradienter i smältan. En sådan kompletterande installation av bottenomrö- rare i en befintlig ugnsanläggning försvåras dessutom i många fall av att ugnen står pà ett golv och att dess botten ej är, utan en omfattande ombyggnad av ugnshallen, tillgäng- lig för en sådan installation. Det är känt att anordna elektromagnetiska medel i eller i anslutning till väggar vilka åtskiljer olika smältbad i en smältugn för att genom att pumpa smälta mellan de olika baden åstadkomma en omrö- ring i smältan. På liknande sätt kan en omröring erhållas 10 15 20 25 30 35 504 400 3 genom att elektromagnetiska medel fár verka pà en i eller i anslutning till ugnskärlets väggar anordnad ränna vilken i bàda sina ändar stàr i förbindelse med i ugnskärlet befintlig smälta.

Utifrån konstruktiva och ekonomiska aspekter vore det önsk- värt att anordna elektromagnetiska omrörare att verka genom ugnens sidoväggar, sidoomrörare, för att åstadkomma en sido- omröring. Sidoomröring medelst sidoomrörare vilka placerats i eller i anslutning till ugnskärlets vägg har ej ansetts ge en tillräckligt effektiv omröring i ett ugnskärl med stor badyta.

Ett ändamål med uppfinningen är att anvisa en ugnsanläggning vilken åtminstone innefattar minst en tvà- eller flerfasig elektromagnetisk omrörare, utformad och anordnad enligt uppfinningen för att åstadkomma en effektiv sidoomröring i ett ugnskärl med stor badyta i förhållande till sitt baddjup varigenom smältans effektiva värmeledningstal ökas med en faktor 10 eller större och därigenom minska temperatur- och koncentrationsgradienter och höja ugnsanläggningens produktivitet och energieffektivitet.

UPPFINNINGEN En effektiv sidomröring àstadkommes i en ugnsanläggning vilken åtminstone innefattar; - minst ett för smälta och fast metall avsett ugnskärl med sidoväggar och botten, företrädesvist ett ugnskärl med en ekvivalent diameter uppgående till mer än X gånger baddjupet, - minst en värmare vilken genom strålning och konvektion värmer i nämnda ugnskärl befintlig smälta och/eller fast metall, - minst en tvá- eller flerfasig elektromagnetisk sidoomrö- rare är anordnad i eller i anslutning till ugnskärlets vägg för att verka genom nämnda vägg och pàlägga smältan ett magnetisk vandringsväxelfält, ett magnetiskt omrörarfält att omröra i ugnskärlet befintlig smälta. 10 15 20 25 30 35 504 400 4 Sidoomröraren är anordnad att innefatta åtminstone två fas- lindningar, vilka är anordnade i anslutning till en järn- kärna. Enligt uppfinningen har järnkärnan en vertikal ut- sträckning som väsentligen täcker, smältan, dvs området mellan botten och smältans överyta vid maximalt baddjup i ugnskärlet. Vidare är sidoomröraren enligt uppfinningen anordnad med en poldelning I vilken överstiger två gånger avståndet från järnkärna till smälta, t>2 dw_ Med maximalt baddjup avses det maximala baddjup som under normala driftsbetingelser används i ugnsanläggningen.

Normalt understiger maximalt baddjup i en ugn för smältning och/eller varmhållning av aluminium normalt l meter i kända ugnar, oftast varierar maximalt baddjup för denna typ av ugnar inom intervallet 0.3 och 0.9 meter.

Elektriska strömmar genomflyter sidoomröraren och generar ett elektromagnetisk fält i smältan som strävar efter att skapa vertikalt riktade elektriska stömmar i smältan. Dessa elektriska strömmar viker av vid smältans överyta och vid ugnskärlets botten. För att uppnå den önskade effektiva omröringen är järnkärnan i nämnda sidoomrörare anordnad med en vertikal utsträckning vilken överstiger avståndet från järnkärna till smälta, vilket i ugnar för smältning och/ eller varmhållning av aluminium ofta uppgår till mellan 0.5 och 1 meter. I en utföringsform av uppfinningen är järnkär- nan anordnad med en vertikal utsträckning vilken uppgår till mellan 1 och 3 gånger detta avstånd, företrädesvis till mellan 1.5-3 gånger detta avstånd. Avståndet mellan järn- kärna och smälta bestäms av infodrings tjocklek och är således fastlagt av parametrar som ej påverkas av den före- liggande uppfinningen såsom smältans egenskaper och valet av infodringsmaterial.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, är en i ugnsanläggningen ingående sidoomrörare anordnad med en poldelning vilken överstiger två gånger avståndet från järnkärna till smälta, företrädesvis en poldelning inom 10 15 20 25 30 35 504 400 5 avstándsintervallet 2.5 till 5 gånger avståndet frán järnkärna till smälta.

För att ytterligare höja omröringseffekten är i vissa utfö- ringsformer av uppfinningen sidoomröraren anordnad att på- lägga smältan ett magnetiskt omrörarfält med en frekvens av 0.2-2.0 Hz, företrädevis med en frekvens av 0.4-1.6 Hz.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen är en i ugns- anläggningen ingående sidoomrörare anordnad att pàlägga smältan ett periodiskt reverserat omrörarfält. Då strömning i en smälta är en relativt trög företelse ger en periodiskt återkommande reversering en ytterligare förhöjning av omrö- ringseffekten. Störst effekt uppnås när sidoomröraren är anordnad att ändra styrka och riktning pá det pálagda omrö- rarfältet så att omröringsriktningen reverseras efter väsentligen den tidsperiod som krävs för att bibringa smältan maximal rotationshastighet i en riktning. Längden på en sådan tidsperiod mellan reverseringarna kan förutbestämmas utifrån för varje ugnsanläggning kända storheter, såsom ugnskärlets geometri, smältans massa och magnetfältets egenskaper.

För att medelst sidoomrörare med gott utbyte pàlägga smältan ett magnetiskt omrörarfält är ugnskärlets vägg i anslutning till sidoomrörarna företrädesvis anordnad så att àtminstone de magnetiska fältstyrkekomponenter i det pálagda omrörar- fältet, passera väggen med små förluster och liten dämpning. vilka ger upphov till önskad omröring i smältan, kan I en utföringsform av uppfinningen har detta åstadkommits genom att ugnskärlets vägg i anslutning till sidoomrörarna är anordnade i ett omagnetsikt material. Företrädesvis har detta åstadkommits genom att ett fönster av ugnskärlets metalliska hölje, i anslutning till en sidoomrörare, har anordnats i ett rostfritt stål. En annan utföringsform är speciellt användbar i en ugnsanläggningar där man av skilda anledningar önskar undvika ombyggnad av ugnskärlets väggar trots att dessa innefattar ett skikt av ett magnetiskt mate- rial. De magnetiska fältstyrkekomponenter i det av sidoomrö- 10 15 20 25 30 35 504 400 rarna på smältan pàlagda omrörarfältet vilka ger upphov till önskad omröring i smältan kan i denna utföringsform passera väggen med små förluster och liten dämpning genom att minst en likströmsmatad spole eller en permanentmagnet är anordnad att applicera ett magnetiskt likfält att verka pá skiktet av magnetiskt material i väggen. Härigenom har en anisotropiskt riktad magnetisk mättnad àstadkommits i en del av nämnda vägg, gen är orienterad i väggens plan och riktad väsentligen i en riktning, mättnadsriktningen, vilken huvudsakli- parallellt med önskad omrörarriktning. Ett làgfrekvent magnetiskt omrörarfält innefattande magnetiska fältstyrke- komponenter orienterade i ett plan parallellt med nämnda mättnadsriktning och vinkelrätt mot väggens plan, kan härmed passera den mättade delen av väggen med smà förluster och liten dämpning och genererar ett omrörarfält i aluminium- smältan i form av ett magnetiskt växelfält med komponenter riktade väsentligen parallellt med och vinkelrätt med mättnadsriktningen.

FIGURER Uppfinningen ska i det följande förklaras mer ingående och exemplifieras med föredragna utföringsformer för ett antal ugnsgeometrier under hänvisning till bifogade figurer.

Figur 1 visar ett vertikalt tvärsnitt av en ugn för att illustrera grundprincipen för uppfinningen, figurerna 2a, 2b och 2c visar horisontella tvärsnitt av ugnar enligt uppfin- ningen med väsentligen cirkulära ugnsfat medan figurena 3a och 3b visar horisontella tvärsnitt av ugnar enligt uppfin- ningen med väsentligen rektangulära ugnsfat.

FIGURBESKRIVNING I figur l visas en ugnskammare 1 i en ugnsanläggning enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen. Ugnskammaren 1 innefattar ett ugnskärl 2 vilket är anordnat att fyllas med smälta 25 och/ eller fast metall 26 och innefattar sidoväg- gar 21 och botten 22. Ovanför smältan är ett ugnsvalv 3 och i eller i anslutning till nämnda valv 3 brännare 31 vilka är 10 15 20 25 30 35 504 400 7 anordnade att genom strålning och konvektion värma i ugns- kärlet befintlig smälta 25 och/eller fast metall 26. Valet av värmekälla har ingen betydelse för den föreliggande upp- finningen och naturligtvis kan andra typer av värmekällor, såsom elektriska motstàndselement, användas i de fall tillräcklig värmningseffekt kan uppnås med sådana. Minst en två- eller flerfasig elektromagnetisk sidoomrörare 4 är anordnad i anslutning till ugnskärlets vägg 21 för att verka genom väggen 21 och pálägga smältan ett magnetisk omrörar- fält. faslindningar anordnade i anslutning till en icke-visad Sidoomröraren 4 innefattar åtminstone två icke-visade järnkärna. Järnkärnan har en vertikal utsträckning, höjd H, som väsentligen täcker smältan, dvs täcker området mellan botten 22 och smältans överyta 23, vid maximalt baddjup Dmax i ugnskärlet. Med maximalt baddjup Dmax avses det maximala baddjup som under normala driftsbetingelser används i ugns- anläggningen. Normalt understiger maximalt baddjup i en ugn för smältning och varmhállning av aluminium normalt 1 meter, oftast varierar maximalt baddjup Dmax för denna typ av ugnar mellan 0.3 och 0.9 meter.

Elektriska strömmar genomflyter sidoomröraren 4 och generar ett elektromagnetisk fält i smältan 25 som strävar efter att skapa vertikalt riktade elektriska stömmar i smältan. Dessa elektriska strömmar viker av vid smältans överyta och vid ugnskärlets botten. För att uppnå en de effektiva omrörings- situationer som illustreras med cirkulationsströmningarna 250,25l,252,253,350,35l,352 i figurerna 2a,2b,2c,3a och 3b är järnkärnorna i använda sidoomrörare 4,24,24a,24b,24c,34, 34a och 34b anordnade med en vertikal utsträckning H vilken överstiger avståndet från järnkärna till smälta, dw. I en utföringsform av uppfinningen uppgår H till mellan l och 3 gånger dw, företrädesvis 1.5-3 gånger dw. Avståndet mellan järnkärna och smälta, dw, bestäms bland annat av tjockleken på infodringen och är således fastlagt av parametrar som ej påverkas av den föreliggande uppfinningen såsom smältans egenskaper och valet av infodringsmaterial. För att få en mer effektiv omröring i smältan är använda sidoomrörare 4,24,24a,24b,24c,34, 34a och 34b enligt en utföringsform av 10 15 20 25 30 35 504 400 s uppfinningen anordnade med en poldelning I vilken överstiger Zdw, företrädesvis en poldelning 1 inom avstàndsintervallet 2.5dw till 5dw. Siodoomrörarna 4,24,24a,24b,24c,34, 34a och 34b är anordnade raka, vinklade eller krökta och de kan vara anpassade till ugnskärlets yttre form bland annat för att minimera avståndet mellan järnkärna och smälta, dw.

För att ytterligare höja omröringseffekten är använda sido- omrörare 4,24,24a,24b,24c,34, former anordnade att pàlägga smältan ett magnetiskt omrörar- 34a och 34b i vissa utförings- fält med en frekvens av 0.2-2.0 Hz. I en föredragen utfö- ringsform ett omrörarfält med en frekvens av 0.4-1.6 Hz.

Använda sidoomrörare 4,24,24a,24b,24c,34,34a och 34b är med fördel, för att ytterligare höja omröringens effektivitet och då strömning i en smälta 25 är en relativt trög företel- se, anordnade att periodiskt reversera pàlagt omrörarfält och därigenom erhàllen omröring 250,25l,252,253,350,35l,352.

Störst effekt uppnås när en sidoomrörare 4,24,24a,24b,24c, 34,34a och 34b är anordnad att ändra styrka och riktning på det pàlagda omrörarfältet så att riktningen på omröringen 4,24, 24a,24b,24c,34,34a och 34b reverseras i väsentligen samma stund som smältan når maximala rotationshastighet i en riktning. I praktiken uppnås reverseringen lämpligen genom att omröringsriktning växlas efter den tidsperiod som krävs för att bibringa smältan 25 maximal rotationshastighet i en riktning. Längden på en sådan tidsperiod mellan reverse- ringar kan förutbestämmas utifrån för ugnsanläggningen kända storheter, såsom ugnskärlets geometri, smältans massa och magnetfältets egenskaper.

För att med gott utbyte pàlägga smältan 25 ett magnetiskt omrörarfält är ugnskärlets vägg 21 i anslutning till en sidoomrörare 4,24,24a,24b,24c,34,34a och 34b anordnad så att åtminstone de magnetiska fältstyrkekomponenter i det pàlagda omrörarfältet, vilka ger upphov till önskad omröring i smäl- tan 25, kan passera väggen 21 med små förluster och liten dämpning. I en utföringsform av uppfinningen har detta àstadkommits genom att ugnskärlets vägg 21 i anslutning till 504 400 9 en sidoomrörare 4,24,24a,24b,24c,34,34a och 34b är anordnad i ett omagnetsikt material 210. Detta har i ugnsanläggningen som visas i figur l ástadkommits genom att ett fönster 210 i ett omagnetiskt rostfritt stàl har anordnats i ugnskärlets metalliska skal, i anslutning till en sidoomrörare 4,24,24a, 24b,24c,34,34a och 34b.

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 504 400 PATENTKRAV 10

1. En ugnsanläggning för smältning av metall och/eller varm- hållning av smält metall vilken åtminstone innefattar; - minst ett för smälta och fast metall avsett ugnskärl (2) med sidoväggar (21) och botten (22) och med en stor badyta, - minst en värmare (31) vilken genom strålning och konvek- tion värmer i nämnda ugnskärl befintlig smälta och/eller fast metall, - att minst en två- eller flerfasig elektromagnetisk sidoomrörare (4,24,24a,24b, 24c,34,34a,34b) är anordnad i eller i anslutning till ugnskärlets vägg (21) för att verka genom väggen och pålägga i ugnskärlet befintlig smälta ett omrörarfält, kannetecknad av att den elektromagnetiska sidoomröraren innefattar åtminstone två faslindningar anordnade kring en järnkärna, att järnkärnan är anordnad med en vertikal utsträckning, H, vilken väsentligen täcker området, Dmax, mellan botten och smältans överyta vid maximalt använt baddjup i ugnskärlet och att sidoomröraren är anordnad med en poldelning I vilken överstiger två gånger avståndet från järnkärna till smälta, 1>2 dw. kännetecknad av att nämnda järnkärna har en vertikal utsträckning, H, vilken

2. Ugnsanlâggning enligt patentkrav 1, uppgår till 1 till 3 gånger avståndet från järnkärna till smälta, dw

3. Ugnsanlâggning enligt patentkrav 1 eller patentkrav 2, kännetecknad av att nämnda sidoomrörare (4,24,24a,24b, 24c,34,34a,34b) är anordnad med en poldelning I inom ett intervall av 2.5 till 5 gånger avståndet från järnkärna till smälta, 2.5dw

4. Ugnsanlâggning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att nämnda sidoomrörare (4,24,24a,24b, 24c,34,34a,34b) är anordnad att pålägga smältan ett magnetiskt omrörarfält, ett magnetiskt växelfält, med en frekvens av 0.25-2.0 Hz. 10 15 20 25 30 35 504 400 11

5. Ugnsanläggning enligt något av föregående patentkrav, (4,24,24a,24b, 24c,34,34a,34b) är anordnad att pàlägga smältan ett kännetecknad av att nämnda sidoomrörare periodiskt reverserat magnetsiskt omrörarfält.

6. Ugnsanläggning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att ugnskärlets väggar (21) i anslutning till nämnda sidoomrörare (4,24,24a,24b, 24c,34,34a,34b) är anordnade så att åtminstone de magnetiska fältstyrkekompo- nenter, i det av nämnda sidoomrörare på smältan pàlagda omrörarfältet, vilka ger önskad cirkulation i smältan passerar väggen med små förluster och liten dämpning. kånnetecknad av att ugnskärlets väggar i anslutning till sidoomrörarna (4,24,24a,24b, 24c,34,34a,34b) är anordnade i ett omagnetsikt material (210).

7. Ugnsanläggning enligt patentkrav 6,

8. Ugnsanläggning enligt patentkrav 6, kännetecknad av att ugnskärlets väggar (21) innefattar ett skikt av ett magne- tiskt material och att minst en likströmsmatad spole eller en permanentmagnet är anordnad att applicera ett magnetiskt likfält att verka pà det magnetiska materialet i väggen och åstadkomma en anisotropiskt riktad magnetisk mättnad i en del av nämnda vägg, i en riktning, mättnadsriktningen, vilken huvudsakligen är orienterad i väggens plan och riktad väsentligen parallellt med önskad omrörarriktning, varigenom ett lågfrekvent magnetiskt vandringsväxelfält vilket inne- fattar magnetiska fältstyrkekomponenter orienterade i ett plan parallellt med nämnda mättnadsriktning och vinkelrätt mot väggens plan, passerar den mättade delen av väggen med små förluster och liten dämpning och genererar ett omrörar- fält i en aluminiumsmälta i form av ett magnetiskt växelfält med komponenter riktade väsentligen parallellt med och vinkelrätt med mättnadsriktningen.