LV14355B - Kausēšanas krāsns alumīnija sakausējumu ražošanai un rafinēšanai - Google Patents

Description

Izgudrojuma apraksts

Izgudrojums attiecas uz metalurģiskām iekārtām un ir paredzēts siltuma un masas apmaiņas procesu intensifikācijai kausējumā, to intensīvi maisot. Izgudrojumu var izmantot dažāda veida krāsnīs un mikseros metālu un sakausējumu sajaukšanai un rafinēšanai, metāllūžņu un citu cietu piedevu iejaukšanai kausējuma pamatmasā un ātrai kausēšanai, kā ari kausējuma sastāva homogenizācijai un temperatūras izlīdzināšanai visā metalurģiskā agregāta tilpumā.

Ir zināmas krāsnis alumīnija sakausējumu kausēšanai un izgatavošanai, kas satur kausējuma vannu ar karsēšanas un izejas materiāla kausēšanas sistēmām, kuras ir aprīkotas ar elektromagnētiskiem maisītājiem, kas izvietoti zem vannas apakšējās daļas vai tās vertikālās sieniņas tuvumā, kas ir trīsfažu elektromagnētiskās indukcijas sūkņi ar maiņstrāvas frekvenci 0,5 - 2 Hz vai 50 - 60 Hz [1-3]. Visu krāšņu iekārtu kopējie trūkumi, kurās par maisītājiem tiek izmantoti trīsfāžu indukcijas sūkņi, ir to visai augstais energopatēriņš, nepieciešamība izmantot regulējamus lieljaudas barošanas avotus un kondensatoru baterijas reaktīvās jaudas kompensēšanai, kā ari ekspluatācijas un apkalpošanas sarežģītība.

Ir zināma krāsns (mikseris) sakausējumu izgatavošanai ar iebūvētu kausējuma maisīšanas ierici, kas satur apaļu vannu ar padziļinājumu un elektromagnētisko sūkni, kas padziļinājumu savieno ar vannas galveno daļu, pie tam sūkņa ass no vannas centra ir novirzīta par 4° [4]. Šīs iekārtas trūkums ir tā zemā efektivitāte, kas neļauj kausējumu intensīvi maisīt visā vannas tilpumā, un maisīšanas nevienmērigums tās dažādās zonās.

Ir zināma ari kausējamā krāsns (mikseris) ar iebūvētu ierici kausējuma maisīšanai, kas izgatavota metāla kanāla veidā, kura ir izvietota ārpus miksera un kuru no divām pusēm apņem skrejoša magnētiskā lauka induktori, pie kam viens no caurejošā kanāla savienojumiem ar vannu ir izvietots tā, ka tā ass šķērso vannas [5] ģeometrisko centru. Šīs iekārtas trūkums ir nepieciešamība pēc kausējuma papildus sildīšanas caurejošajā kanālā, lai novērstu tā aizsalšanu, tās apgrūtinātā tīrīšana un apkalpošana, kā ari skrejošā magnētiskā lauka elektromagnētisko sūkņu divu elektromagnētisko induktoru augstais energopatēriņš.

Ir zināma ari kausējamā krāsns ar ierici kausēta metāla maisīšanai, kas satur horizontāli izvietotu metāla kanālu, kas izvietots krāsns vannas vertikālajā sieniņā un kuru veido šīs sieniņas profilētā iekšējā virsma kopā ar vannā iebūvētu vertikālu statni, un magnētiskā skrejlauka elektromagnētisko induktoru, kas izvietots caurteces kanāla ārpusē simetriski pret vertikālo statni un paralēli caurteces kanāla asij [6]. Šīs iekārtas trūkums ir augstais energopatēriņš, sarežģītā realizācija esošajās metalurģiskajās iekārtās, kam nepieciešama dārga tā vannu sieniņu oderējuma rekonstrukcija, kā arī tas, ka tās sabojāšanās gadījumā remonts nav iespējams bez pilnīgas apturēšanas un rezervuāra, kurā ir metāls, un vertikālās sieniņas oderējuma pārveidošanas un ekspluatācijas sarežģītība, jo caurteces kanāla iekšpuse tīrīšanai praktiski nav pieejama.

Vistuvāk piedāvātajam izgudrojumam ir firmas Zmag Ltd. (Zmag America, Ltd.) risinājums [7], kas turpmāk tiek izmantots par prototipu un kurā ir piedāvāta alumīnija sakausējumu kausējamā krāsns, kas satur kausējuma vannu ar izejas materiāla karsēšanas un kausēšanas sistēmu un ir aprīkota ar elektromagnētisku maisītāju cilindriska rotora veidā ar pastāvīgiem magnētiem, kuru no ārpuses pusloka veidā aptver kanāls, kas izvietots krāsns vannas ārpusē, un ar to ir savienots ar kanāliem, kas iebūvēti vienā no vannas sieniņām. Šī risinājuma trūkums ir nepieciešamība papildus sildīt kausējumu pusloka kanālā un kanālos, kas to savieno ar krāsns vannu, iespēja kausējumam tajos sasalt, kad maisītājs ir izslēgts, grūtības šos kanālus iztīrīt un bīstamība, ka uz rotora uzstādītie pastāvīgie magnēti var sakarst līdz to magnētisko īpašību zudumam.

Izgudrojuma mērķis ir likvidēt minētos trūkumus, it īpaši, kausējuma maisīšanas efektivitātes paaugstināšana, kausējuma sasalšanas iespējas novēršana, konstrukcijas vienkāršošana un pastāvīgo magnētu aizsardzība pret pārkāršanu.

Izvirzītais uzdevums ir sasniegts tādā veidā, ka viena no krāsns vannas vertikālajām sieniņām no iekšpuses ir izgatavota ar puscilindra formas izvirzījumu, kura vertikālā ass atrodas apmēram vannas sieniņas iekšējās virsmas līmenī un kura garums apmēram atbilst kausējuma maksimālajam dziļumam vannā, bet rotors ar uz tā virsmas uzstādītajiem pastāvīgajiem magnētiem ir uzstādīts koaksiāli vannas sieniņas cilindriskajam izvirzījumam un tam ir iespēja vertikāli pārvietoties. Turklāt:

- puscilindra formas izvirzījums uz vannas vertikālās sieniņas var būt izgatavots ar horizontālu asi, bet ar izvirzījumu koaksiāli uzstādītais rotors ar pastāvīgajiem magnētiem ir izgatavots ar iespēju to pārvietot horizontālā virzienā;

- puscilindra formas izvirzījums uz krāsns sieniņas ir izgatavots sendviča veidā, kas sastāv no ugunsizturīga materiāla slāņa, kas ir noturīgs alumīnija kausējumā, un materiāla ar augstām siltumizolējošām īpašībām;

- starp puscilindrisko izvirzījumu un rotoru tiem koaksiāli ir uzstādīts nekustīgs, piespiedu kārtā dzesējams ekrāns;

- rotors ar pastāvīgajiem magnētiem ir uzstādīts uz platformas, kura var pārvietoties virzienā, kas ir perpendikulārs krāsns vannas sieniņai;

- platforma ar rotoru ir izvietota krāsns sieniņai cieši pieguļošā padziļinājumā, kura vertikālās sieniņas no ārpuses ir apšūtas ar materiālu, kuram piemīt magnētiskas īpašības un kura biezums ir ne mazāks par 5 mm;

- pastāvīgie magnēti uz rotora ir izvietoti vienmērīgi pa tā perimetru un aizņem ne mazāk kā 50% tā cilindriskās virsmas.

Piedāvājamā iekārta ir paskaidrota pievienotajos piecos zīmējumos, pie kam:

- l.zīm. ir attēlota kausējamās krāsns shēma, kurā uz krāsns vannas sieniņas ir vertikāli novietots puscilindrisks izvirzījums, attiecībā pret kuru koaksiāli ir uzstādīts rotors ar pastāvīgajiem magnētiem;

- 2.zīm. ir attēlota analoģiskas kausējamās krāsns shēma ar puscilindrisku izvirzījumu un rotoru, kas uz krāsns vannas vertikālās sieniņas ir novietots horizontāli;

- 3.zīm. ir attēlota kausējamās krāsns sieniņā ievietotā puscilindriskā izvirzījuma, rotora ar pastāvīgajiem magnētiem un starp tiem novietotā dzesēšanas ekrāna izvietojuma shēma;

- 4.zīm. ir parādīts krāsns vannas iecirkņa ar puscilindrisku izvirzījumu un ar elektropiedziņu darbināma rotora ar pastāvīgajiem magnētiem, kuri ir uzstādīti uz īpašas platformas, kas var pārvietoties perpendikulāri krāsns vannas sieniņas virzienam, aksonometrisks attēls;

- 5.zīm. ir attēlota kausējamās krāsns shēma, kurai cieši klāt vietai, kurā ir uzstādīts puscilindriskais izvirzījums un rotors ar pastāvīgajiem magnētiem, ir piestiprināts īpašs padziļinājums, kura vertikālās sieniņas ir apšūtas ar materiālu, kuram piemīt magnētiskas īpašības.

Kausējamā krāsns (l.zīm., 2.zīm.) satur kausējuma vannu 1 ar izejmateriāla karsēšanas un kausēšanas sistēmām (shēmās nav attēlotas). Viena no vannas vertikālajām sieniņām 1 ir aprīkota ar puscilindra formas izvirzījumu 2 ar vertikālu (l.zīm.) vai horizontālu (2.zīm.) asi, kas atrodas apmēram vannas sieniņas iekšējās virsmas līmenī.

Puscilindriskais izvirzījums 2 ir izveidots divkārtaina sendviča (3 .zīm.) veidā, kurā ar kausējumu saskarē esošais slānis 3 ir izgatavots no materiāla, piemēram, silicēta grafīta, kas ir termiski un ķīmiski noturīgs šķidra alumīnija agresīvajā vidē, bet otrs slānis 4 ir izgatavots no termoizolējoša materiāla, kas nodrošina pastāvīgo magnētu darbspēju saglabāšanai nepieciešamo temperatūras starpību. Izvirzījuma 2 izvietojuma zonā tam koaksiāli ir uzstādīts rotors 5 (3 .zīm.) ar uz tā virsmas izvietotiem pastāvīgajiem magnētiem 6, kurus darbina elektropiedziņā 7 (4.zīm.). Rotors 5 ir uzstādīts uz platformas 8 (4.zīm.) ar tā pārvietošanas iespēju vertikālā (vai horizontālā) virzienā. Savukārt platforma 8 ir izvietota uz atbalsta rāmja 9, kuru var pārvietot perpendikulāri krāsns 1 vannas sieniņai.

Gadījumā, ja ir nepieciešama papildu aizsardzība pret rotora 5 ar pastāvīgajiem magnētiem 6 pārkāršanu, rotoru 5 var aptvert ar nekustīgu piespiedu kārtā atdzesējamu ekrānu 10 (3.zīm.). Drošības prasību nodrošināšanai gadījumā, ja rodas šķidrā metāla noplūde izvirzījuma 2 savienojuma vietās ar vannas 1 sieniņu, platforma 8 ar rāmi 9 ir izvietota pie krāsns 1 cieši piestiprinātā īpašā padziļinājumā 11 (5.zīm.). Pastāvīgā magnētiskā lauka ekranizēšanai (personāla aizsardzībai pret magnētisko starojumu), rotoru 5 izvietojot padziļinājumā 11, tā vertikālās sieniņas ir apšūtas ar plāksnēm 12 no materiāla ar magnētiskām īpašībām un ar biezumu, ne mazāku par 5 mm. Magnētiskā lauka indukcijas nepieciešamās (maksimālās) vērtības sasniegšanai ap rotoru 5 ar pastāvīgajiem magnētiem 6, pastāvīgie magnēti ir vienmērīgi izvietoti pa rotora 5 perimetru un aizņem ne mazāk par 50% no tā cilindriskās virsmas laukuma.

Kausēšanas krāsns tiek sagatavota darbam un darbojas sekojoši. Vannas 1 sieniņā iebūvētā puscilindriskā izvirzījuma 2 zonā tiek izveidots padziļinājums 11, kurā tiek uzstādīts atbalsta rāmis 9, uz kura tiek nostiprināta platforma 8, uz kuras savukārt tiek uzstādīts ar elektropiedziņu 7 darbināms rotors 5 ar pastāvīgajiem magnētiem 6. Krāsns vannā 1 tiek iepildīts izejas materiāls (cietā vai šķidrā stāvoklī), kas ar sildīšanas sistēmas (ar gāzes liesmu vai elektrosildītāju) palīdzību tiek izkausēts un novests līdz nepieciešamajai temperatūrai. Vannas papildu piepildīšanu daļēji var veikt ar metālu un leģējošām piedevām cietā veidā. Kausējuma maisīšanai puscilindriskajā izvirzījumā 2 ar platformu 8 tiek ievietots rotors 5 ar pastāvīgajiem magnētiem 6 un tiek ieslēgta rotora elektropiedziņā 7. Iepriekš, ja pastāv pastāvīgo magnētu 6 pārkāršanas iespēja, starp izvirzījumu 2 un rotoru 5 tiek uzstādīts piespiedu kārtā atdzesējams (ar gaisu vai ūdeni) ekrāns 10. Rotora griešanās ātrums tiek regulēts, mainot strāvas, kas no standarta frekvenču pārveidotāja baro elektromotoru, frekvenci.

Rotoram 5 griežoties, magnētiskā lauka spēka līnijas B (3.zīm.) rada pārmaiņus rotējošu magnētisko lauku (N-S, S-N), kas šķidrajā metālā izraisa strāvas j. Šķidrajā metālā radušos strāvu j un iepriekš minēto skrejošo magnētisko lauku B mijiedarbe šķidrajā metālā izraisa elektromagnētiskos spēkus/, kas vērsti rotējošā magnētiskā lauka (f = jxB) virzienā. Elektromagnētisko spēku ietekmē metāls vannā sāk pārvietoties un rezultātā kausējumā rodas intensīvas sajaukšanās plūsmas Ψ, kuru shēma ir attēlota 1. un 2. zīm. Ja rotora 5 ass ir vērsta vertikālā virzienā, sajaukšanās plūsmas galvenokārt atrodas horizontālās plaknēs, bet, ja rotora 5 ass ir vērsta horizontālā virzienā, sajaukšanās plūsmas galvenokārt atrodas vertikālās plaknēs. Turklāt sajaukšanās plūsmu ātrumu var regulēt, mainot rotora apgriezienu skaitu, bet maisīšanas intensitāti visā kausējuma apjomā, mainoties tā augstumam vannā 1, var regulēt pārvietojot rotoru 5 vertikālā vai horizontālā virzienā. Nepieciešamās vērtības magnētiskā lauka indukcijas iegūšanai pastāvīgajiem magnētiem 6 ir jāaizņem ne mazāk kā 50% no rotora 5 cilindriskās virsmas.

Nepieciešamības gadījumā rotora 5 griešanās virziens var tikt mainīts uz pretējo, piemēram, lai radītu īpašas plūsmas, kas ietekmē oksīda plēvītes atrašanos uz kausējuma virsmas.

Pēc tehnoloģiskā procesa beigām un rotora 5 izslēgšanas platforma 8 ar rotoru 5 tiek izvirzīta no puscilindriskā izvirzījuma zonas un tiek fiksēta padziļinājumā 11. Turklāt padziļinājumā 11 uzstādītās feromagnētiskās plāksnes (ekrāni) 12 aizsargā personālu no magnētiskā lauka ietekmes.

Kausējuma iztecēšanas gadījumā puscilindriskā izvirzījuma 2 savienojuma vietā ar vannas 1 sieniņām šķidrais metāls nonāk padziļinājumā 11 un tur sacietē, neradot bīstamu situāciju.

Saskaņā ar izgudrojumu izgatavotās krāsns izmēģinājumi tika veikti 15 tonnu krāsnī/mikseri ar alumīnija kausējumu. Izmēģinājuma laikā tika salīdzināti dati, kas bija iegūti parastos apstākļos (bez kausējuma piespiedu maisīšanas), ar datiem, kas tika iegūti izmantojot krāsni ar maisītāju, kura bija aprīkota ar piedāvātājam izgudrojumam atbilstošu iekārtu. Izmēģinājumu rezultāti, kur plūsmu vidējais ātrums krāsns centrālajā daļā bija 0,5 - 0,7 m/s, parādīja: noteiktā sakausējuma sagatavošanas laiks pēc noteikta cietās šihtas daudzuma izkausēšanas samazinājās no 30 minūtēm uz 20 minūtēm; krāsns ražība palielinājās par 20-25%; degvielas patēriņš noteikta šihtas daudzuma izkausēšanai samazinājās par 15%; metāla nodegums samazinājās par 1,5-2 kg/t; izliešanai sagatavotā metāla daudzums sakarā ar tā homogenizāciju palielinājās par 6%; temperatūru sadalījuma neviendabīgums kausējumā nepārsniedza + 4°C; radās iespēja izgatavot augsti leģētus sakausējumus par 50-150°C zemākā temperatūrā nekā parasti, nepalielinot laiku to sagatavošanai; radās iespēja maisīt kausējumu, nebojājot oksīda aizsargplēvīti uz tā virsmas.

Šajā izgudrojumā piedāvātā iekārta metāla un sakausējumu maisīšanai nodrošina iespēju izgatavot sakausējumus (it īpaši alumīnija sakausējumus) krāsnīs-mikseros ar vannu tilpumu līdz 150 t izkausēta metāla, nepatērējot roku darbu un bez jebkādu priekšmetu (maisītāju) ievietošanas kausējumā. Turklāt piedāvātajā risinājumā, atšķirībā no zināmā risinājuma, nav nepieciešama papildu karsēšana jebkādā metāla kanālā ārpus krāsns, tā ir viegli tīrāma no piesārņojuma un oksīdiem, kas pielīp pie sieniņām un puscilindriskajam izvirzījumam krāsns vannā, un atšķiras ar to, ka tai ir vienkārša un ekonomiska apkalpošana. Pie tam, salīdzinājumā ar iepriekš zināmajiem risinājumiem, kuros tiek izmantoti skrejošā magnētiskā lauka indukcijas elektromagnētiskie maisītāji., visai būtiski (7-10 reizes) samazinās energopatēriņš, tiek nodrošināts minimāls siltuma zudums un metāla nodegums, palielinās metalurģisko agregātu darba ražīgums un paaugstinās izgatavojamā lējuma kvalitāte.

Izmantotie infotrmācijas avoti:

1. A. Peel. A look at the history and some recent developments in the use of electromagnetic devices for improving operational efficiency in the aluminium cast house. - Aluminium Cast House Technology - Eight Australian Conference. Ed. by P.R.Whitaley, TMS (The Minerāls, Metals & Material Society), 2003, p.71-100;

2. A. Peel. Electromagnetic pumping and stirring Solutions for the aluminium industry. - Aluminium Times, 2005, vol. 7, no. 1, p.32-33;

3. G. Hertwich, V. Foliforov. Electromagnetic stirring and pumping of aluminium melts. Aluminium, December 2001;

4. Patents US 3490896;

5. Autorapliecība SU Nr. 629429;

6. Patents EP1021574 Bl;

7. www.zmag.co.jp.

Claims (7)

1. Pretenzijas

   1. Kausēšanas krāsns alumīnija sakausējumu izgatavošanai un rafinēšanai, kas satur kausēšanas vannu ar izejmateriāla karsēšanas un kausēšanas sistēmām un piestiprinātu pie vienas no vannas vertikālajām sieniņām elektromagnētisko maisītāju cilindriska rotora veidā, uz kura ir uzstādīti pastāvīgie magnēti, kas raksturīga ar to, ka, ar mējķi paaugstināt maisīšanas efektivitāti, samazināt energopatēriņu un vienkāršot ekspluatācijas, vannas vertikālās sieniņas iekšpusē ir izveidots puscilindra formas izvirzījums, kura vertikālā ass atrodas apmēram vannas sieniņas iekšējās virsmas līmenī un kura garums apmēram atbilst kausējuma dziļumam vannā, bet rotors ar pastāvīgajiem magnētiem ir uzstādīts koaksiāli vannas sieniņas cilindriskajam izvirzījumam un tam ir iespēja pārvietoties vertikālā virzienā.
2. 2. Kausēšanas krāsns saskaņā ar 1. pretenziju, kas raksturīga ar to, ka puscilindra formas izvirzījums uz vannas vertikālās sieniņas ir izveidots ar horizontālu asi, bet attiecībā pret izvirzījumu koaksiāli uzstādītais rotors ar pastāvīgajiem magnētiem ir izgatavots tā, ka to var pārvietot horizontālā virzienā.
3. 3. Kausēšanas krāsns saskaņā ar 1. vai 2. pretenziju, kas raksturīga ar to, ka, lai pagarinātu puscilindriskā izvirzījuma kalpošanas laiku agresīvajā alumīnija vidē un nodrošinātu siltumizolāciju, puscilindra formas izvirzījums uz krāsns sieniņas ir izgatavots sendviča veidā, kas sastāv no alumīnija kausējumā noturiga ugunsizturīga materiāla slāņa un materiāla ar augstām siltumizolējošām īpašībām.
4. 4. Kausēšanas krāsns saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 3. pretenziju, kas raksturīga ar to, ka, lai novērstu pastāvīgo magnētu sakaršanu, starp puscilindrisko izvirzījumu un rotoru tiem koaksiāli ir uzstādīts piespiedu kārtā atdzesējams ekrāns.
5. 5. Kausēšanas krāsns saskaņā ar 1. vai 2. pretenziju, kas raksturīga ar to, ka apkalpošanas ērtību nolūkos rotors ar pastāvīgajiem magnētiem ir uzstādīts uz platformas, kura var pārvietoties krāsns vannas sieniņai perpendikulārā virzienā.
6. 6. Kausēšanas krāsns saskaņā ar 1., 2. vai 5. pretenziju, kas raksturīga ar to, ka, lai nodrošinātu drošības prasības, platforma ar rotoru ir izvietota krāsns sieniņai cieši pieguļošajā padziļinājuma, kura vertikālās sieniņas ārpusē ir apšūtas ar materiālu, kuram piemīt magnētiskas īpašības un kura biezums ir ne mazāks par 5 mm.
7. 7. Kausēšanas krāsns saskaņā ar 1. vai 2. pretenziju, kas raksturīga ar to, ka, lai intensificētu maisīšanas režīmu, pastāvīgie magnēti ir izvietoti uz rotora vienmērīgi pa tā perimetru un aizņem ne mazāk kā 50% tā cilindriskās virsmas.