Электродуговая печь постоянного тока
Полезная модель относится к электрометаллургии, в частности к электродуговой печи постоянного тока, содержащей подовый электрод и средства создания движения ванны расплава. Печь снабжена подовым электродом, горизонтально смещенным по подине относительно оси ванны, а токоподвод к нему - в виде пространственной винтовой линии, имеющей по меньшей мере один виток с возможностью перемещения ферромагнитного сердечника в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Полезная модель относится к области металлургии и литейного производства, а именно к устройству электродуговых печей.
Известна дуговая сталеплавильная печь постоянного тока (ДСППТ), содержащая корпус, образованный металлической оболочкой с футеровкой, свод и один сводовый электрод, сливной желоб, ванну, подину с центральным подовым электродом и рабочее окно (см. Конструкции и проектирование агрегатов сталеплавильного производства / В.П.Григорьев, Ю.М.Нечкин, А.В.Егоров, Л.Е.Никольский. М.: МИСиС, 1995. С.111-115).
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности управлять движением расплава, что приводит к плохому перемешиванию жидкого металла в ванне и снижению качества готового продукта. В результате отклонения дуги от оси ванны до 45% потока излучения поступает в верхнюю полусферу, это приводит к оплавлению футерованной части стен и свода. Кроме того, из-за возникающих устойчивых электровихревых течений около подового электрода, вблизи него повышается износ футеровки подины.
Известна электродуговая печь постоянного тока, включающая основной корпус, подвижный электрод, установленный в центре крыши печи, который генерирует дуги при перемещении электрода, нижний электрод, расположенный в подине в центре ванны, и проводники, связанные с ним так, что отклонение дуги, вызванное магнитным полем от токоподвода, компенсируется магнитным полем других токоподводов, связанных с источником постоянного тока (см. патент на изобретение US 
5138630, МПК7 Н05В 7/144, опубл. 11.08.1992).
Наличие внешних магнитных полей в известной электродуговой печи постоянного тока, вызываемых размещением горизонтальных токоподводов, усиливают вертикальную и горизонтальную составляющие объемных электромагнитных сил, приводящих в движение расплав в ванне. Однако это воздействие компенсируется объемными электромагнитными силами других токоподводов, что приводит к снижению интенсивности перемешивания жидкой ванны. Кроме того, в известной электродуговой печи постоянного тока отсутствует возможность управления перемешиванием расплава.
Известна электродуговая сталеплавильная печь постоянного тока, содержащая корпус, образованный металлической оболочкой с футеровкой, сливной желоб, свод и сводовый электрод, под с центральным подовым электродом, расположенным на одной оси со сводовым электродом, и рабочее окно, причем в подине печи по обе стороны от центрального подового электрода дополнительно установлены два боковых подовых электрода с возможностью поочередного или совместного их включения в конце периода расплавления шихты (см. пат. РФ на изобретение 2410444, МПК7 С21С 5/52, C22B 9/00, F27B 3/08, опубл. 30.04.2009).
Установка в известной электродуговой сталеплавильной печи постоянного тока дополнительно двух боковых подовых электродов позволяет увеличить тепловое излучение дуги на металл и снизить его на свод и стены. В результате чего повышается КПД, снижается расход электроэнергии. Источник питания поочередно подключают то к одному боковому подовому электроду, то к другому боковому подовому электроду, либо совместно к обоим боковым подовым электродам, что обеспечивает отклонение дуги на 35-45°. При подключении центрального подового электрода, вектор плотности электрического тока имеет вертикальное направление, и столб дуги имеет вертикальное расположение. При включении боковых подовых электродов ток меняет направление и протекает под углом 50-55° к оси сводового электрода, что вызывает электромагнитное усилие, выдувающее дугу к стене противоположной расположению электрода.
В известной дуговой печи при асимметричном расположении подовых электродов возникает электромагнитное поле, отклоняющее электрическую дугу, и возникающие при этом объемные электромагнитные силы приводят расплав в ванне в движение. Наиболее эффективно перемешивание происходит на оси между подключенным подовым электродом и пятном дуги.
Недостатком известной электродуговой печи постоянного тока является то, что в остальной области ванны расплав остается малоподвижным, это приводит к возникновению больших застойных зон. Кроме того, в известной электродуговой печи постоянного тока отсутствует возможность управления перемешиванием жидкой ванны.
Известна электродуговая печь постоянного тока, содержащая корпус плавильной камеры, образованный металлической оболочкой со слоем футеровки из огнеупорного неэлектропроводящего материала, сливной желоб, свод и сводовый электрод, расположенный по оси плавильной камеры, по меньшей мере один подовый электрод, смещенный относительно оси плавильной камеры, электромагниты с катушками, множество термочувствительных элементов и соединенный с источником тока блок управления электромагнитами, число входов которого равно числу термочувствительных элементов, а число выходов равно числу электромагнитов так, что все его входы подсоединены к соответствующим выводам термочувствительных элементов, а выводы катушек электромагнитов подсоединены к выходам указанного блока. Причем в качестве источника тока блока управления электромагнитами используется низковольтный источник постоянного тока. Электромагниты расположены на боковых сторонах корпуса плавильной камеры, множество термочувствительных элементов установлены выше максимального рабочего уровня расплавленного металла с возможностью измерения температуры на поверхности слоя футеровки корпуса плавильной камеры, причем блок управления электромагнитами соединен с дополнительным низковольтным источником постоянного тока. Известная дуговая печь содержит блок управления электромагнитами, который представляет собой многовходовый программируемый микроконтроллер и имеет выходы, выполненные в виде коммутирующих элементов типа твердотельное реле (см. пат. РФ на ПМ 115453 МПК7 F27B 3/08. опубл. 27.04.2012).
Недостатком известной электродуговой печи постоянного тока является то, что для увеличения срока износа футеровки и интенсификации процесса плавки за счет оперативности центрирования дуги при ее отклонении в плавильных печах различных габаритов необходима установка внешних электромагнитов, что требует защиты их от высокой температуры, увеличения потребления электроэнергии и дополнительных капиталовложений. Электромагниты дают возможность управлять положением электрической дуги в широких пределах. Однако их установка выше уровня расплава не позволяет эффективно воздействовать на процессы перемешивания объема жидкой ванны, они практически не влияют на электровихревые течения в области подовых электродов, что приводит к возникновению больших застойных зон в жидкой ванне и износу футеровки в области подового электрода.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является дуговая электропечь постоянного тока, содержащая вертикально расположенный катод и подину, выполненную, по крайней мере с частью в виде кольцевой электропроводной каменной кладки, соединенной с кольцевым медным токоподводом, расположенным с внешней стороны подины печь, причем корпус печи выполнен из немагнитного металла, токоподвод, выполненный из медной шины и содержащий по крайней мере один и более витков, имеет вид пространственной винтовой линии с возможностью ввода по ее оси сердечника из ферромагнитного материала. Токоподвод может быть выполнен в виде пространственной винтовой линии, имеющей витки разного диаметра, или в виде плоской спирали (см. пат. РФ на ПМ 119556 МКИ7 Н05В 7/20, опубл. 20.08.2012).
Недостатком известной электродуговой печи постоянного тока является неоднородный характер распределения магнитного поля в ванне в фиксированном в пространстве. Использование токоподвода предложенной конструкции и сердечника из ферромагнитного материала дает высокую напряженность магнитного поля на оси ванны и существенное уменьшение поля при движении к боковым стенкам ванны. Поэтому объемные электромагнитные силы, действующие на токонесущий расплав, интенсивно его перемешивают в центральных областях ванны и слабо влияют на перемешивание периферийных ее областей. Кроме того, известная электродуговая печь постоянного тока имеет сложную конструкцию подины из строго определенных материалов и не позволяет выплавлять весь перечень марок углеродистой стали и некоторые цветные металлы.
В основу полезной модели положено решение следующих задач: достижение возможности управления движением расплава в различные периоды плавки; снижение влияния электровихревых течений в области подового электрода.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемой полезной модели, заключается в обеспечении возможности управления движением расплава в различные периоды плавки без дополнительных источников силового тока, управления наклоном дуги по отношению к расплаву, снижения влияния электровихревых течений в области подового электрода, интенсификации процессов перемешивания и увеличения срока службы футеровки подины в области подового электрода.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в конструкции электродуговой печи постоянного тока, имеющей корпус, вертикально расположенный катод, подину и подовый электрод, токоподвод, выполненный из медной шины и содержащий по крайней мере один и более витков и имеющий вид пространственной винтовой линии с возможностью вертикального ввода по ее оси сердечника из ферромагнитного материала, подовый электрод горизонтально смещен по подине относительно оси ванны, а сердечник из ферромагнитного материала выполнен с возможностью перемещения в горизонтальном направлении.
При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а, следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 показан общий вид печи.
Согласно предложению в электродуговой электропечи постоянного тока, содержащей корпус 1, вертикально расположенный катод 2, подину 3, подовый электрод 4, токоподвод 5, выполненный из медной шины и содержащий по крайней мере один и более витков и имеющей вид пространственной винтовой линии с возможностью вертикального ввода по ее оси сердечника 6 из ферромагнитного материала. Катод 2, размещенный в центре над расплавом 7, подовый электрод 4 горизонтально смещен по подине 3 относительно оси ванны, а печь дополнительно снабжена источником питания постоянного тока 8 и электроприводом 9 для перемещения ферромагнитного сердечника 6 в горизонтальном направлении.
Электродуговая электропечь постоянного тока работает следующим образом. Электропитание дуговой печи постоянного тока осуществляется от источника питания 7 постоянного тока. Его отрицательный полюс соединен с катодом 2, а положительный полюс присоединен к шине токоподвода 5, выполненного из медной шины и содержащего по крайней мере один и более витков. Между катодом 2 и шихтой возникает электрическая дуга, начинаются процессы нагрева и плавления, образуется расплав 7, который нагревается дугой сверху. Под пятном дуги развивается интенсивное течение металла за счет возникновения электровихревого течения под воздействием объемных электромагнитных сил. Холодный металл набегает под дугу и уходит внутрь расплава 7. Для выравнивания температуры расплава 7 и равномерного распределения легирующих веществ по объему ванны происходит вынужденное перемешивание металла. Взаимодействие осевой составляющей магнитного поля, создаваемое шиной токоподвода 5, выполненной виде винтовой линии, и ферромагнитного сердечника 6 с радиальной составляющей тока вызывает вращение расплава 7. Кондуктивное и электровихревое перемешивание металла в ванне дуговой печи постоянного тока возникает за счет взаимодействия протекающих через расплав 7 токов с собственным и внешним магнитным полем, обеспечивая равномерность тепловой нагрузки на подину 3 печи. Интенсивность электромагнитного перемешивания по ходу плавки регулируется вводом ферромагнитного сердечника 6 в токоподвод 5, выполненный в виде винтовой линии и имеющего по меньшей мере один виток, при помощи электропривода 9 для перемещения ферромагнитного сердечника 6. Введение и перемещение ферромагнитного сердечника 6 позволяет регулировать магнитогидродинамические течения вблизи подового электрода 4 и в объеме ванны. Причем перемещение ферромагнитного сердечника 6 в горизонтальном направлении по подине 3 дает возможность его использования для повышения напряженности магнитного поля, а значит, и объемных электромагнитных сил в разных частях ванны, то есть управления движением расплава для его равномерного перемешивания и сброса «вихрей» в районе подового электрода. В результате улучшается однородность расплава по всему объему ванны, а за счет разрушения устойчивых электровихревых течений, возникающих в области подового электрода 4, увеличивается срок службы футеровки. Кроме того, перемещение ферромагнитного сердечника 6 позволяет менять интенсивность горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля в районе столба дуги, позволяя воздействовать на столб дуги: центрировать его по оси ванны или наклонять к боковой стенке печи, в зависимости от технологических задач.
Таким образом, электродуговая печь имеет простую конструкцию подины 3, в результате взаимодействия тока, проходящего через расплав 7 (под действием разности потенциалов между катодом 2 и подовым электродом 4), и магнитного поля, создаваемого шиной токоподвода 5 и ферромагнитным сердечником 6, посредством электромагнитного взаимодействия осуществляется управление движением расплава в различные периоды плавки. В результате перемещения ферромагнитного сердечника 6 в горизонтальном направлении снижается влияние электровихревых течений в области подового электрода, усиливаются объемные электромагнитные силы в периферийных областях ванны, увеличивается срок службы футеровки в области подового электрода и улучшается равномерность перемешивания жидкой ванны за счет лучшего перемешивания периферийных ее областей.
В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений, а также решений с указанной совокупностью отличительных признаков.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемая электродуговая печь постоянного тока позволяет управлять вручную или автоматически движением расплава в различные периоды плавки и снижать влияние электровихревых течений в области подового электрода, является работоспособной и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе. Соответственно заявляемая электродуговая печь постоянного тока может быть применена в электрометаллургии и соответствует условию «промышленной применимости».
Электродуговая печь постоянного тока, содержащая корпус, вертикально расположенный катод, подину и подовый электрод, токоподвод, выполненный из медной шины и содержащий по крайней мере один и более витков и имеющий вид пространственной винтовой линии с возможностью вертикального ввода по ее оси сердечника из ферромагнитного материала, отличающаяся тем, что подовый электрод горизонтально смещен по подине относительно оси ванны, а сердечник из ферромагнитного материала выполнен с возможностью перемещения в горизонтальном направлении.
