Водоохлаждаемый тигель с индукционным нагревом

Заявляемое устройство относится к конструкциям водоохлаждаемых тиглей с индукционным нагревом, которые могут быть использованы для получения расплавов минералов, минералоподобных материалов, керамических материалов, стекол и других стеклоподобных материалов с высокими температурами плавления. Кроме того, заявляемое устройство может быть использовано для включения в стекло- и или керамикоподобные материалы совместимых с ними радиоактивных и нерадиоактивных отходов.

Известен водоохлаждаемый тигель с индукционным нагревом, предназначенный для плавления тугоплавких оксидных материалов, стекол и минералоподобных композиций [1], включающий одновитковый индуктор, охватывающий прямоугольный тигель, выполненный в виде набора U-образных водоохлаждаемых трубок, приваренных к водяному коллектору.

Недостатками известного водоохлаждаемого тигля с индукционным нагревом являются:

1. ограниченная область применения, обусловленная тем, что из-за отсутствия в его составе крышки вышеуказанный водоохлаждаемый тигель нельзя использовать для включения в стекло- и или керамикоподобные материалы радиоактивных и нерадиоактивных отходов;

2. прямоугольная форма, являющаяся причиной повышенных энергозатрат, т.к. при одних и тех же внутренних объемах тигли прямоугольной формы имеют большую внешнюю поверхность по сравнению с тиглями круглой или овальной формы;

3. боковое сливное отверстие и отсутствие перегородки, отделяющей его от остального объема тигля, являющиеся причиной того, что часть загружаемого в тигель материала будет попадать в сливаемый расплав, ухудшая его свойства;

4. цельносваренная конструкция, являющаяся причиной неремонтопригодности тигля.

Известен водоохлаждаемый тигель с индукционным нагревом, предназначенный для плавления оксидных материалов [2], включающий индуктор, охватывающий водоохлаждаемый тигель и внешний сливной водоохлаждаемый узел, выполненный из водоохлаждаемых трубок, а также водоохлаждаемую перегородку и коллектор.

Недостатками известного водоохлаждаемого тигля с индукционным нагревом являются:

1. ограниченная область применения, обусловленная тем, что из-за отсутствия в его составе крышки вышеуказанный водоохлаждаемый тигель нельзя использовать для включения в стекло- и или керамикоподобные материалы радиоактивных и нерадиоактивных отходов;

2. водоохлаждаемая перегородка, являющаяся причиной повышенных тепловых потерь и снижения производительности (снижение рабочей площади зеркала расплава).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является водоохлаждаемый тигель с индукционным нагревом [3], который может быть использован также для получения расплавов нерадиоактивных минералов, минералоподобных материалов, керамических материалов, стекол и других стеклоподобных материалов с высокими температурами плавления (что подтверждается возможностью получения в нем нерадиоактивного стартового расплава) и включающий:

1. подвижной индуктор, охватывающий корпус водоохлаждаемого тигля, выполненный в виде набора сообщающихся с верхним коллектором U-образных водоохлаждаемых трубок, образующих две противоположные плоские параллельные стенки, две противоположные полуцилиндрические стенки и U-образное днище;

2. водоохлаждаемую крышку, снабженную загрузочным узлом, газоотводным патрубком и водоохлаждаемым сливным затвором;

3. внешний питатель;

4. встроенный в боковую стенку и U-образное днище водоохлаждаемого тигля и соосно расположенный с водоохлаждаемым сливным затвором водоохлаждаемый сливной узел;

5. причем водоохлаждаемый сливной затвор состоит из корпуса водоохлаждаемого сливного затвора (внешней трубки) с конусообразным наконечником и внутренней трубки водоохлаждаемого сливного затвора, а водоохлаждаемый сливной узел снабжен крышкой со сливным отверстием, нижняя часть которого окружена выступом, формирующим и направляющим струю сливаемого расплава, и состоит из корпуса водоохлаждаемого сливного узла и сквозной внутренней трубки водоохлаждаемого сливного узла.

Недостатками известного водоохлаждаемого тигля с индукционным нагревом являются:

1. форма корпуса тигля, являющаяся причиной повышенных тепловых потерь и энергозатрат;

2. образующие корпус тигля трубки, выполненные в виде цилиндров и являющиеся причиной повышенной аварийноопасности вследствие того, что при возможных местных пристеночных перегревах могут иметь место расплавление гарнисажного слоя в зазорах между трубками и протечка расплава через них во внешнюю среду, а также повышенные энергозатраты за счет повышенного экранирующего действия корпуса водоохлаждаемого тигля, снижающего глубину проникновения магнитного поля индуктора в расплав;

3. незаменяемая крышка со сливным отверстием водоохлаждаемого сливного узла, являющаяся причиной невозможности регулирования производительности слива расплава;

4. внешний питатель, являющийся причиной изменения химического состава сливаемого расплава по сравнению с химическим составом подаваемого в водоохлаждаемый тигель материала (за счет улетучивания с зеркала расплава его летучих компонентов в газовую фазу) из-за неспособности внешнего питателя обеспечить равномерное распределение подаваемого материала по всей площади зеркала расплава;

5. водоохлаждаемый сливной узел, являющийся причиной изменения химического состава сливаемого расплава по сравнению с химическим составом подаваемого в водоохлаждаемый тигель материала (за счет улетучивания из сливаемого расплава его летучих компонентов в газовую фазу) из-за его неспособности обеспечить при сливе эффективного отвода тепла;

6. U-образное днище, являющееся причиной пониженного качества сливаемого расплава, обусловленного тем, что при такой форме днища единственно возможным размещением водоохлаждаемого сливного узла является его встраивание в боковую стенку и U-образное днище водоохлаждаемого тигля, т.е. его размещение в пристеночной зоне, где гомогенизация расплава является минимальной;

7. подвижной индуктор, являющийся причиной повышенных энергозатрат и сложности конструкции тигля;

8. водоохлаждаемый сливной затвор, являющийся причиной повышенной аварийноопасности работы водоохлаждаемого тигля вследствие того, что при прочистке сливного отверстия крышки водоохлаждаемого сливного узла и сквозной внутренней трубки водоохлаждаемого сливного узла к водоохлаждаемому сливному затвору требуется приложение повышенных механических усилий, что приводит к его ускоренному абразивному износу и механической деформации корпуса водоохлаждаемого тигля.

Преимуществами заявляемого водоохлаждаемого тигля с индукционным нагревом являются:

1. снижение его тепловых потерь и энергозатрат, а также упрощение конструкции;

2. снижение его аварийноопасности;

3. возможность регулирования производительности слива расплава;

4. обеспечение неизменности химического состава сливаемого расплава по сравнению с химическим составом подаваемого в водоохлаждаемый тигель материала;

5. повышение качества сливаемого расплава.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что заявляемый водоохлаждаемый тигель с индукционным нагревом включает:

1. неподвижный индуктор, охватывающий цилиндрический корпус водоохлаждаемого тигля, выполненный в виде набора сообщающихся с верхним и нижним коллекторами прямых водоохлаждаемых трубок, выполненных в форме усеченных цилиндров, обеспечивающих наличие зазоров прямоугольной формы между каждой парой соседних трубок;

2. водоохлаждаемую крышку с размещенной на ее нижней части гребенкой, выполненной в форме концентрических окружностей, образованных рядами штырей или пластин, размещенным в ее центре внутренним питателем, выполненным в виде вращающегося дискового питателя, загрузочным узлом, газоотводным патрубком и водоохлаждаемым сливным затвором, соосно расположенным над водоохлаждаемым сливным узлом, размещенным в плоском водоохлаждаемое днище;

3. причем водоохлаждаемый сливной затвор состоит из корпуса водоохлаждаемого сливного затвора с конусообразным наконечником, снабженным отверстием, сквозной внутренней трубки водоохлаждаемого сливного затвора и шомпола, водоохлаждаемый сливной узел снабжен сменной крышкой со сливным отверстием, выполненным в форме усеченного конуса, переходящего в цилиндр, нижняя часть которого окружена выступом, формирующим и направляющим струю сливаемого расплава, и состоит из корпуса водоохлаждаемого сливного узла, сквозной внутренней трубки водоохлаждаемого сливного узла, а также шнекового турбулизатора, расположенного между корпусом водоохлаждаемого сливного узла и сквозной внутренней трубкой водоохлаждаемого сливного узла;

4. нижняя часть индуктора расположена над плоским водоохлаждаемым днищем на высоте h₁≥1,2R_инд, верхняя часть сменной крышки водоохлаждаемого сливного узла расположена над плоским водоохлаждаемым днищем на высоте h₂≥h₁+0,1 Н_инд, где R_инд - внутренний радиус индуктора, а Н_инд. - высота индуктора;

5. водоохлаждаемый сливной узел своей вертикальной осью расположен в любой точке кольцевой зоны ("А"), включая ее граничные значения, плоского водоохлаждаемого днища, ограниченной окружностями с радиусами R₁ и R₂ при условии, что R₁=R₄-h₄+R₅, R₂=R₃-R₅ где h₄ - максимальная глубина проникновения магнитного поля индуктора в расплав, R₃ - внутренний радиус гарнисажного слоя ("Б"), R₄ - внутренний радиус корпуса водоохлаждаемого тигля, а R₅ - внешний радиус корпуса водоохлаждаемого сливного узла.

Вышеуказанные условия (h₁≤1,2 R_инд и h₂≥h₁+0,1 Н_инд) обеспечивают расположение нижней части индуктора ниже верхней части сменной крышки водоохлаждаемого сливного узла, что предотвращает разрыв магнитной связи индуктора с расплавом в случае, если скорость слива расплава станет выше скорости загрузки расплавляемого материала, следствием чего может быть остановка работы водоохлаждаемого тигля в результате охлаждения и твердения расплава.

Отличительными признаками заявляемого водоохлаждаемого тигля с индукционным нагревом являются то, что:

1. индуктор выполнен неподвижным;

2. водоохлаждаемый тигель дополнительно содержит нижний коллектор;

3. корпус водоохлаждаемого тигля выполнен цилиндрическим в виде набора сообщающихся также и с нижним коллектором прямых водоохлаждаемых трубок, выполненных в форме усеченных цилиндров, обеспечивающих наличие зазоров прямоугольной формы между каждой парой соседних трубок;

4. на нижней части водоохлаждаемой крышки дополнительно расположена гребенка, выполненная в форме концентрических окружностей, образованных рядами штырей или пластин, а питатель выполнен внутренним в виде вращающегося дискового питателя и расположен в центре водоохлаждаемой крышки;

5. водоохлаждаемое днище выполнено плоским;

6. водоохлаждаемый сливной узел расположен в любой точке кольцевой зоны, включая ее граничные значения, водоохлаждаемого днища, ограниченной окружностями с радиусами R₁ и R₂ при условии, что R₁=R₄-h₄+R₅, R₂=R₃-R₅, где h₄ - максимальная глубина проникновения магнитного поля индуктора в расплав, R₃ - внутренний радиус гарнисажного слоя, R₄ - внутренний радиус корпуса водоохлаждаемого тигля, a R₅ - внешний радиус корпуса водоохлаждаемого сливного узла;

7. водоохлаждаемый сливной затвор дополнительно содержит шомпол, конусообразный наконечник водоохлаждаемого сливного затвора снабжен отверстием, а внутренняя трубка водоохлаждаемого сливного затвора выполнена сквозной;

8. крышка водоохлаждаемого сливного узла выполнена сменной, а ее сливное отверстие выполнено в форме усеченного конуса, переходящего в цилиндр;

9. водоохлаждаемый сливной узел дополнительно содержит шнековый турбулизатор, расположенный между корпусом водоохлаждаемого сливного узла и сквозной внутренней трубкой водоохлаждаемого сливного узла;

10. нижняя часть индуктора расположена над плоским водоохлаждаемым днищем на высоте h₁≥1,2R_инд, верхняя часть сменной крышки водоохлаждаемого сливного узла расположена над плоским водоохлаждаемым днищем на высоте h₂≥h₁+0,1 Н_инд, где R_инд - внутренний радиус индуктора, а Н_инд - высота индуктора.

Заявляемый водоохлаждаемый тигель с индукционным нагревом иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-6.

На фиг.1 представлен общий вид водоохлаждаемого тигля с индукционным нагревом.

На фиг.2 представлена конструкция нижней части водоохлаждаемого сливного затвора.

На фиг.3 представлена конструкция водоохлаждаемого сливного узла.

На фиг.4 представлен один из возможных вариантов конструкции сменной крышки водоохлаждаемого сливного узла.

На фиг.5 представлено расположение зоны ("А") на плоском водоохлаждаемом днище, где размещение водоохлаждаемого сливного узла обеспечивает повышение качества сливаемого расплава.

На фиг.6 представлены конфигурации поперечных сечений образующих корпус водоохлаждаемого тигля трубок и гарнисажного слоя ("Б").

На фиг.7 и 8 для сравнения представлены конфигурации гарнисажных слоев ("Б") водоохлаждаемого тигля наиболее близкого аналога.

Водоохлаждаемый тигель с индукционным нагревом включает водоохлаждаемую крышку 1, водоохлаждаемый сливной затвор 2, водоохлаждаемый сливной узел 3, крышку водоохлаждаемого сливного узла 4, загрузочный узел 5, внутренний питатель 6, газоотводной патрубок 7, гребенку 8, верхний коллектор 9, цилиндрический корпус 10, нижний коллектор 11, плоское водоохлаждаемое днище 12, индуктор 13.

Водоохлаждаемый сливной затвор 2 включает корпус водоохлаждаемого сливного затвора 14, сквозную внутреннюю трубку водоохлаждаемого сливного затвора 15, конусообразный наконечник 16 и шомпол 17.

Водоохлаждаемый сливной узел 3 включает корпус водоохлаждаемого сливного узла 18, сквозную внутреннюю трубку водоохлаждаемого сливного узла 19 и шнековый турбулизатор 20.

Заявляемый водоохлаждаемый тигель с индукционным нагревом работает следующим образом.

В исходном нерабочем состоянии водоохлаждаемого тигля с индукционным нагревом водоохлаждаемый сливной затвор 2 своим конусообразным наконечником 16 закрывает сливное отверстие крышки водоохлаждаемого сливного узла 4.

Через патрубки для подвода воды в водоохлаждаемую крышку 1, верхний коллектор 9, нижний коллектор 11, плоское водоохлаждаемое днище 12 и внутренние пространства, образованные корпусом водоохлаждаемого сливного затвора 14 и сквозной внутренней трубкой водоохлаждаемого сливного затвора 15, а также корпусом водоохлаждаемого сливного узла 18 и сквозной внутренней трубкой водоохлаждаемого сливного узла 19, подают охлаждающую воду.

Включают внутренний питатель 6 и через загрузочный узел 5 на вращающийся диск внутреннего питателя 6 подают измельченный стартовый стеклообразуюший материал. При этом за счет вращения диска внутреннего питателя 6, а также за счет наличия гребенки 8 (рассеивающей разлетающийся с вращающегося диска внутреннего питателя 6 измельченный стартовый стеклообразующий материал) обеспечивается равномерное распределение стартового стеклообразующего материала по всей площади поперечного сечения цилиндрического корпуса 10 водоохлаждаемого тигля.

Стартовый стеклообразующий материал загружают в количестве, обеспечивающем создание его слоя в цилиндрическом корпусе 10 высотой не менее чем h₁+h₃, где h₃=(0,2-0,8)Н_инд.

В случае если высота слоя стартового стеклообразующего материала будет меньше указанной, то создание стартового расплава придется вести при более высоких температурах (повышенные энергозатраты) и, что самое главное, вследствие усадки образующегося стартового расплава им может быть потеряна магнитная связь с индуктором 13.

После этого на поверхность стартового стеклообразующего материала подают электропроводящий материал, например графит, выключают внутренний питатель 6, включают индуктор 13 и известным способом [4] создают стартовый расплав, а образующиеся отходящие газы отводят в систему газоочистки через газоотводной патрубок 7.

Снова включают внутренний питатель 6 и путем подачи через загрузочный узел 5 измельченного расплавляемого материала на зеркало стартового расплава доводят его объем до величины рабочего объема, зеркало которого должно находиться на уровне верхней части индуктора 13, причем количество подаваемого в единицу времени расплавляемого материала таково, что зеркало рабочего объема расплава при открытом водоохлаждаемом сливном узле 3 постоянно находится на вышеуказанном уровне.

При этом за счет того, что на всем зеркале расплава образуется равномерный фильтующий слой измельченного расплавляемого материала, а также за счет того, что воздушный объем над зеркалом расплава заполняется частицами подаваемого на поверхность расплава измельченного расплавляемого материала, играющего роль взвешенного в воздухе фильтра, обеспечивается неизменность химического состава сливаемого расплава по сравнению с химическим составом подаваемого в водоохлаждаемый тигель измельченного расплавляемого материала за счет практически полной адсорбции ими летучих компонентов расплава и возвращения их в расплав.

После этого поднимают водоохлаждаемый сливной затвор 2 и осуществляют слив расплава через сливное отверстие крышки водоохлаждаемого сливного узла 4 и сквозную внутреннюю трубку водоохлаждаемого сливного узла 19.

За счет наличия между корпусом водоохлаждаемого сливного узла 18 и сквозной внутренней трубкой водоохлаждаемого сливного узла 19 шнекового турбулизатора 20 обеспечивается повышенная эффективность отвода тепла от сливаемого расплава, что также обеспечивает неизменность его химического состава по сравнению с химическим составом подаваемого в водоохлаждаемый тигель измельченного расплавляемого материала за счет более эффективного, подавляющего улетучивание, снижения температуры.

При остановке водоохлаждаемого тигля с индукционным нагревом перестают подавать расплавляемый материал через загрузочный узел 5, выключают внутренний питатель 6 и сливают расплав до уровня верхней части крышки водоохлаждаемого сливного узла 4, после чего опускают водоохлаждаемый сливной затвор 2 до закрытия его конусообразным наконечником 16 сливного отверстия крышки водоохлаждаемого сливного узла 4 и выключают индуктор 13.

При этом за счет возможности предварительной замены одной крышки водоохлаждаемого сливного узла на другую, с другим диаметром сливного отверстия, обеспечивается возможность регулировки производительности слива расплава, а за счет конфигурации сливного отверстия крышки водоохлаждаемого сливного узла 4 обеспечивается устойчивая фиксация в нем водоохлаждаемого сливного затвора 2, позволяющая с помощью шомпола 17 прочистить как само сливное отверстие, так и сквозную внутреннюю трубку водоохлаждаемого сливного узла 19, не прилагая при этом к водоохлаждаемому сливному затвору 2 повышенных механических нагрузок.

При возобновлении цикла плавления после прочистки сливного отверстия крышки водоохлаждаемого сливного узла 4 и сквозной внутренней трубки водоохлаждаемого сливного узла 19 все вышеуказанные операции повторяют.

Испытания показали, что:

1. цилиндрический корпус водоохлаждаемого тигля, имеющий наименьшую внешнюю поверхность (при одних и тех же внутренних объемах) по сравнению не только с формой корпуса водоохлаждаемого тигля наиболее близкого аналога, но и с другими возможными его формами, обеспечивает минимальные теплопотери;

2. образующие корпус тигля прямые трубки, выполненные в форме усеченных цилиндров, обеспечивающие наличие прямоугольных зазоров между каждой парой соседних трубок, снижают энергозатраты на плавление за счет снижения экранирующего действия корпуса водоохлаждаемого тигля, а также снижают аварийноопасность за счет уменьшения вероятности расплавления гарнисажного слоя в прямоугольных зазорах и протечки расплава во внешнюю среду за счет того, что при прямоугольных зазорах расстояние h₅ у заявляемого водоохлаждаемого тигля всегда будет превышать аналогичные расстояния h₆ и h₇ у водоохлаждаемого тигля наиболее близкого аналога;

3. сменная крышка водоохлаждаемого сливного узла обеспечивает возможность регулировки производительности слива расплава за счет возможности ее замены на другую, с другим диаметром сливного отверстия;

4. внутренний питатель, в качестве которого используют вращающийся дисковый питатель, и кольцеобразная гребенка, а также шнековый турбулизатор обеспечивают неизменность химического состава сливаемого расплава по сравнению с химическим составом подаваемого в водоохлаждаемый тигель измельченного расплавляемого материала за счет предотвращения перехода летучих компонентов расплава в газовую фазу и возвращения их в расплав;

5. плоское водоохлаждаемое днище делает возможным размещение водоохлаждаемого сливного узла в точках, отличных от пристеночных, что обеспечивает улучшение качества сливаемого расплава за счет повышения его гомогенизации;

6. неподвижной индуктор (за счет того, что на него не расходуется дополнительная энергия и отсутствуют механизмы, обеспечивающие его подвижность), а также то, что нижняя часть индуктора расположена над нижней водоохлаждаемой крышкой на высоте h₁≥1,2R_инд (при этом на водоохлаждаемом днище образуется слой нерасплавленного материала, играющий роль теплоизолятора), обеспечивают снижение тепловых потерь, энергозатрат и упрощает конструкцию водоохлаждаемого тигля;

7. конструкции водоохлаждаемого сливного затвора и крышки водоохлаждаемого сливного узла повышают аварийнобезопасность работы водоохлаждаемого тигля за счет предотвращения абразивного износа корпуса водоохлаждаемого сливного затвора и деформации корпуса водоохлаждаемого тигля.

ЛИТЕРАТУРА

1. SU 1654267 A1, С 03 В 5/027, оп. 07.06.91, Бюл. №21.

2. RU 2065413 С1, С 03 В 5/027, оп. 20.08.96, Бюл. №23.

3. RU 2115182 C1, G 21 F 9/16, оп. 10.07.98, Бюл. №19.

4. А.С.Увров, “Производство базальтового штапельного волокна бесфильерным методом”, “Базальтоволокнистые материалы”. Сборник статей, Информкон-версия, Москва, 2001, с.71-75.

Водоохлаждаемый тигель с индукционным нагревом, включающий корпус и днище, выполненные в виде набора сообщающихся с верхним коллектором водоохлаждаемых трубок, индуктор, охватывающий корпус водоохлаждаемого тигля, питатель, водоохлаждаемую крышку, снабженную загрузочным узлом, газоотводным патрубком и водоохлаждаемым сливным затвором, состоящим из корпуса водоохлаждаемого сливного затвора с конусообразным наконечником и внутренней трубки водоохлаждаемого сливного затвора и соосно расположенным с водоохлаждаемым сливным узлом, снабженным крышкой со сливным отверстием, нижняя часть которого окружена выступом, и состоящим из корпуса водоохлаждаемого сливного узла и сквозной внутренней трубки водоохлаждаемого сливного узла, отличающийся тем, что индуктор выполнен неподвижным, водоохлаждаемый тигель дополнительно содержит нижний коллектор, корпус водоохлаждаемого тигля выполнен цилиндрическим в виде набора сообщающихся также и с нижним коллектором прямых водоохлаждаемых трубок, выполненных в форме усеченных цилиндров, образующих зазоры прямоугольной формы между каждой парой соседних трубок, на нижней части водоохлаждаемой крышки дополнительно расположена гребенка, выполненная в форме концентрических окружностей, образованных рядами штырей или пластин, а питатель выполнен в виде вращающегося дискового питателя и расположен в центре водоохлаждаемой крышки, водоохлаждаемое днище выполнено плоским, водоохлаждаемый сливной узел расположен в любой точке кольцевой зоны, включая ее граничные значения, водоохлаждаемого днища, ограниченной окружностями с радиусами R₁ и R₂ при условии, что R₁=R₄-h₄+R₅, R₂=R₃-R₅, где h₄ - максимальная глубина проникновения магнитного поля индуктора в расплав, R₃ - внутренний радиус гарнисажного слоя, R₄ - внутренний радиус корпуса водоохлаждаемого тигля, а R₅ - внешний радиус корпуса водоохлаждаемого сливного узла, водоохлаждаемый сливной затвор дополнительно содержит шомпол, конусообразный наконечник водоохлаждаемого сливного затвора снабжен отверстием, а внутренняя трубка водоохлаждаемого сливного затвора выполнена сквозной, крышка водоохлаждаемого сливного узла выполнена сменной с отверстием, выполненным в форме усеченного конуса, переходящего в цилиндр, водоохлаждаемый сливной узел дополнительно содержит шнековый турбулизатор, расположенный между корпусом водоохлаждаемого сливного узла и сквозной внутренней трубкой водоохлаждаемого сливного узла, нижняя часть индуктора расположена над плоским водоохлаждаемым днищем на высоте h₁≥1,2R_инд, а верхняя часть сменной крышки водоохлаждаемого сливного узла расположена над плоским водоохлаждаемым днищем на высоте h₂≥h₁+0,1Н_инд, где R_инд - внутренний радиус индуктора, а Н_инд - высота индуктора.