專利名稱:爐子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于熔化金屬和/或存儲(chǔ)熔融金屬的爐子設(shè)備,該設(shè)備至少包括-至少一個(gè)爐子容器,它具有供熔融金屬和/或固態(tài)金屬用的爐壁和爐底,-至少一個(gè)通過對(duì)流和輻射加熱爐子容器內(nèi)的熔融金屬和固態(tài)金屬的熱源,以及-適合于攪拌爐子容器內(nèi)的熔融金屬的電磁裝置。本發(fā)明特別涉及一種用于熔化和/或存儲(chǔ)鋁的爐子設(shè)備,它至少包括-一個(gè)爐腔,它至少具有一個(gè)用于熔融和/或固態(tài)鋁的爐子容器,該爐子容器具有爐壁、爐底及至少一個(gè)設(shè)置在爐子上部的爐頂,-至少一個(gè)設(shè)置在爐頂內(nèi)或爐頂附近的熱源,該熱源通過對(duì)流和輻射加熱爐子容器內(nèi)的鋁,以及-用于攪拌爐子容器內(nèi)的熔融金屬的電磁裝置。
背景技術(shù):
在熔化和/或存儲(chǔ)鋁期間,現(xiàn)已知道可使用放置在爐子容器下方的電磁攪拌器來(lái)完成對(duì)爐子容器內(nèi)的熔融金屬的攪拌,并降低熔融金屬內(nèi)的溫度和濃度梯度以及提高該爐子設(shè)備的生產(chǎn)率。特別是,人們希望降低熔融金屬上表面的過熱溫度。在本專利申請(qǐng)中所謂的過熱溫度指的是在熔化或存儲(chǔ)過程中在對(duì)熔融金屬中的任何部分進(jìn)行加熱的最高溫度與熔融金屬的熔化溫度之間存在著溫度差。較高的過熱溫度常常會(huì)因氧化而導(dǎo)致金屬損失及熔渣和爐渣的形成。同時(shí),會(huì)對(duì)工藝的能量利用產(chǎn)生副作用。在所謂的反射爐中,油和燃?xì)馊紵魇抢脤?duì)流和輻射來(lái)加熱金屬的,在這種爐中會(huì)產(chǎn)生金屬損失和低效率的問題。
通過攪拌熔融金屬,可使熔融金屬內(nèi)的溫度和濃度梯度均衡,從而可降低過熱溫度并提高工藝的能量效率。其原因可以這樣來(lái)解釋在進(jìn)行電磁攪拌過程中,熔融金屬內(nèi)的有效導(dǎo)熱系數(shù)比在未攪拌的熔融金屬內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)增大了9倍以上。在本專利申請(qǐng)中所謂的有效導(dǎo)熱系數(shù)指的是在考慮到熔融金屬和/或固態(tài)金屬中的導(dǎo)熱熱流及通過攪拌在熔融金屬中獲得的以對(duì)流熱流形式存在的附加作用的情況下,表示熔池內(nèi)的熱傳遞。
在熔化和存儲(chǔ)鋁的爐子設(shè)備中,將電磁攪拌器設(shè)置在爐子下面以實(shí)現(xiàn)底部攪拌是已知的布置方式,例如這種方式可從美國(guó)專利US4,294,435中得知。一般來(lái)說(shuō),這樣可使有效導(dǎo)熱系數(shù)增加到原來(lái)的25-35倍。然而,在某些情況下,當(dāng)按照現(xiàn)有技術(shù)的方式需要將爐底攪拌器設(shè)置在爐子下面或靠近爐底的位置時(shí),會(huì)引起經(jīng)濟(jì)上和結(jié)構(gòu)上復(fù)雜化的問題。在打算將攪拌器安裝在現(xiàn)有的爐子設(shè)備中以提高爐的能量效率和生產(chǎn)能力并降低熔融金屬中的溫度和濃度梯度的情況下,這個(gè)問題尤其突出。此外,在許多情況下,在現(xiàn)有的爐子設(shè)備中增設(shè)爐底攪拌器變得較為困難,這是因?yàn)闋t子是豎立在地面上的,并且在不重新擴(kuò)建爐膛的情況下,爐底是無(wú)法適用于這種安裝的。為了通過在不同熔池之間泵送熔融金屬來(lái)實(shí)現(xiàn)熔融金屬的攪拌,可按已知的方式將電磁裝置設(shè)置于在熔化爐內(nèi)分隔不同熔池的壁內(nèi)或壁附近。按類似的方式,通過使電磁裝置作用于一個(gè)通道上來(lái)實(shí)現(xiàn)攪拌,該通道設(shè)置在爐子容器的壁內(nèi)或壁附近,并且該通道的兩端與爐子容器內(nèi)的熔融金屬相通。另外,美國(guó)專利US4,294,435公開了在熔化和存儲(chǔ)鋁的爐子設(shè)備中最好將電磁裝置相互靠近地設(shè)置在爐壁內(nèi),所謂的側(cè)部攪拌器作用在整個(gè)壁上并將電磁攪拌器的應(yīng)力場(chǎng)施加到爐子容器內(nèi)的熔融金屬上,以實(shí)現(xiàn)側(cè)部攪拌。但是,該專利沒有描述當(dāng)爐子容器的熔池表面相對(duì)于其熔池深度較大時(shí)如何設(shè)計(jì)或設(shè)置該側(cè)部攪拌器,以獲得對(duì)爐內(nèi)熔融金屬的有效攪拌。
從制造和經(jīng)濟(jì)上考慮,最好如上所述,在設(shè)置電磁攪拌器時(shí)使其作用于整個(gè)爐子側(cè)壁,即作為側(cè)部攪拌器以實(shí)現(xiàn)側(cè)部攪拌。但是,利用設(shè)置在爐子容器壁內(nèi)或壁附近的側(cè)部攪拌器進(jìn)行攪拌被認(rèn)為在爐子容器內(nèi)、特別是在熔池表面相對(duì)于其熔池深度較大的爐子容器內(nèi)不能進(jìn)行充分的攪拌。
本發(fā)明的目的是建議一種爐子設(shè)備,它包括至少一個(gè)按本發(fā)明設(shè)計(jì)和設(shè)置的雙相或多相電磁攪拌器,它用于在熔池表面相對(duì)于熔池深度較大的爐子容器內(nèi)實(shí)現(xiàn)充分的側(cè)部攪拌,從而將熔融金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)提高到原來(lái)的10倍或更多,因而降低了溫度和濃度梯度并提高了爐子設(shè)備的熱效率和生產(chǎn)能力。
發(fā)明概述一種用于熔化金屬和/或存儲(chǔ)熔融金屬的爐子設(shè)備內(nèi)的有效側(cè)部攪拌器,它至少包括-至少一個(gè)爐子容器,它用于熔融金屬和固態(tài)金屬,它具有側(cè)壁和一個(gè)爐底,爐子容器最好具有相對(duì)于其熔池深度較大的熔池表面,-至少一個(gè)加熱器,它通過輻射和對(duì)流加熱爐子容器內(nèi)的熔融金屬和/或固態(tài)金屬,-至少一個(gè)雙相或多相電磁側(cè)部攪拌器,它設(shè)置在爐子容器的壁內(nèi)或壁附近,以作用于整個(gè)壁上并將電磁傳播交變場(chǎng)施加到熔融金屬上,將電磁攪拌器應(yīng)力場(chǎng)施加到爐子容器內(nèi)的熔融金屬上以攪拌爐子容器內(nèi)的熔融金屬。
該側(cè)部攪拌器包括至少兩個(gè)設(shè)置在鐵芯周圍的相位繞組。按照本發(fā)明,該鐵芯具有基本覆蓋了熔融金屬、即覆蓋了爐底與爐子容器內(nèi)最大熔池深度處的熔融金屬上表面之間區(qū)域的垂直高度。此外,該鐵芯具有的極距τ大于從鐵芯至熔融金屬之間距離的兩倍,即τ>2dw。
所謂最大熔池深度意指正常操作狀態(tài)下爐子設(shè)備內(nèi)所用的最大熔池深度。通常,對(duì)于現(xiàn)有爐子,爐內(nèi)用于熔化和/或存儲(chǔ)鋁的最大熔池深度小于1米;在大多數(shù)情況下,這種爐子的最大熔池深度在0.3至0.9米之間變化。
電流通過側(cè)部攪拌器并在熔融金屬內(nèi)產(chǎn)生電磁場(chǎng),該電磁場(chǎng)勢(shì)必在熔融金屬內(nèi)形成垂直方向的電流。該電流在熔融金屬的上表面和爐子容器的底部發(fā)生偏轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)有效的攪拌,在上述側(cè)部攪拌器內(nèi)的鐵芯具有大于從鐵芯至熔融金屬之間距離的垂直高度,在熔化和/或存儲(chǔ)鋁的爐內(nèi)該垂直高度通常在0.5至1米之間。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,鐵芯的垂直高度設(shè)置為該距離的1至3倍之間,最好是該距離的1.5至3倍之間。鐵芯和熔融金屬之間的距離由爐襯的厚度來(lái)決定,并因此由不受本發(fā)明影響的參數(shù)如熔融金屬的特性及所選擇的爐襯材料等來(lái)確定。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,屬于該爐子設(shè)備的側(cè)部攪拌器的極距設(shè)置為2.5至5倍于從鐵芯至熔融金屬之距離的區(qū)間內(nèi)。
為了進(jìn)一步提高攪拌能力,在本發(fā)明的某些實(shí)施例中,側(cè)部攪拌器適合于將頻率為0.2至2.0Hz、最好是0.4至1.6Hz的磁攪拌器場(chǎng)施加在熔融金屬上。
按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例,屬于爐子設(shè)備的側(cè)部攪拌器適合于向熔融金屬施加周期性換向的攪拌器場(chǎng)。由于熔融金屬流動(dòng)是較為遲緩的現(xiàn)象,因此周期性重復(fù)發(fā)生的轉(zhuǎn)向會(huì)導(dǎo)致攪拌能力的額外增高。當(dāng)側(cè)部攪拌器適合于改變所施加攪拌器場(chǎng)的強(qiáng)度和方向,以便在需要沿一個(gè)方向給熔融金屬賦予最大旋轉(zhuǎn)速度的周期基本上過去之后使得攪拌方向變反向時(shí),可獲得最大攪拌能力。可根據(jù)各爐子設(shè)備的已知量,如爐子容器的幾何尺寸、熔融金屬的質(zhì)量及磁場(chǎng)特性等來(lái)預(yù)先確定每次反向攪拌與下次反向攪拌之間的周期長(zhǎng)度。
為了利用側(cè)攪拌器向熔融金屬施加一個(gè)具有較高生產(chǎn)能力的磁攪拌器場(chǎng),爐子容器靠近側(cè)攪拌器的壁最好這樣設(shè)置,即所施加攪拌器場(chǎng)中的至少那部分能在熔融金屬內(nèi)進(jìn)行所需攪拌的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量可以以較小的損失和較小的阻尼穿過壁。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,這可通過將非磁性材料爐子容器壁靠近側(cè)部攪拌器設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。最好通過設(shè)置一個(gè)靠近一側(cè)部攪拌器的、不銹鋼的爐子容器金屬殼體的窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于各種不同的原因,另一個(gè)實(shí)施例在爐子設(shè)備中是特別有用的,它可有利地避免重新修建爐子容器的壁,盡管這些壁具有一層磁性材料。在攪拌器場(chǎng)內(nèi)由側(cè)部攪拌器施加到熔融金屬上并對(duì)熔融金屬進(jìn)行所需攪拌的那些磁場(chǎng)強(qiáng)度分量在該實(shí)施例中可穿過壁,并只有較小的損失和較小的阻尼,這是由于設(shè)置了至少一個(gè)通以直流的線圈或至少一個(gè)永久磁鐵,以便將定向磁場(chǎng)(magnetic direct field)作用到壁內(nèi)磁性材料層上的緣故。這樣便在部分上述壁內(nèi)沿某一個(gè)方向、即飽和方向達(dá)到各向異性的磁飽和,該方向基本上處在壁的平面上并且基本上平行于所需的攪拌方向。低頻磁攪拌器場(chǎng)具有若干磁場(chǎng)強(qiáng)度分量,它們處在平行于上述飽和方向并垂直于壁所在平面的平面內(nèi),因此該低頻磁攪拌器場(chǎng)可以以較小的損失和較小的阻尼穿過壁的飽和部分,同時(shí)在鋁液內(nèi)產(chǎn)生磁交變場(chǎng)形式的攪拌器場(chǎng),該場(chǎng)的各分量基本上平行于并垂直于飽和方向。
附圖簡(jiǎn)述下面將更詳細(xì)地解釋本發(fā)明并通過參照附圖中具有若干爐子幾何尺寸的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行舉例說(shuō)明。
圖1表示用于解釋本發(fā)明基本原理的一種爐子的垂直剖面圖;圖2a,2b和2c表示本發(fā)明的具有大致呈圓形的爐子容器之爐子的水平剖面圖;
圖3a和3b表示本發(fā)明的具有大致呈矩形的爐子容器之爐子的水平剖面圖。
優(yōu)選實(shí)施例描述圖1表示按照本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的爐子設(shè)備中的爐腔1。爐腔1包括一個(gè)適合于充注熔融金屬25和/或固態(tài)金屬26并具有側(cè)壁21和爐底22的爐子容器2。在熔融金屬上方有一個(gè)爐頂3,在爐頂3內(nèi)或附近設(shè)有適合于通過輻射和對(duì)流加熱爐子容器內(nèi)的熔融金屬25和/或固態(tài)金屬26的燃燒器31。對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō),熱源的選擇顯然是不重要的,在可達(dá)到足夠加熱能力的情況下,可采用其它類型的熱源,如電阻元件。將至少一個(gè)雙相或多相電磁側(cè)部攪拌器4設(shè)置在爐子容器壁21的附近,使之作用于整個(gè)壁21并向熔融金屬施加一個(gè)磁攪拌器場(chǎng)。該側(cè)部攪拌器4包括至少兩個(gè)設(shè)置在鐵芯(圖中未示出)周圍的相位繞組(圖中未示出)。鐵芯的垂直距離、即高度H基本上覆蓋了熔融金屬,也就是說(shuō),覆蓋了爐底22與爐子容器內(nèi)最大熔池深度Dmax處的熔融金屬上表面之間的區(qū)域。所謂最大熔池深度意指在正常操作狀態(tài)下爐子設(shè)備內(nèi)所用的最大熔池深度。一般說(shuō)來(lái),用于熔化和存儲(chǔ)鋁的爐子的最大熔池深度小于1米;在大多數(shù)情況下,這種爐子的最大熔池深度在0.3到0.9米之間變化。
電流流過側(cè)部攪拌器4并在熔融金屬25內(nèi)產(chǎn)生電磁場(chǎng),該電磁場(chǎng)在熔融金屬內(nèi)產(chǎn)生垂直方向的電流。電流在熔融金屬的上表面和爐子容器的爐底發(fā)生偏轉(zhuǎn)。為了達(dá)到圖2a,2b,2c,3a和3b中循環(huán)流250,251,252,253,350,351,352所示的有效攪拌位置,所使用側(cè)部攪拌器4,24,24a,24b,24c,34,34a,34b的鐵芯的垂直高度H應(yīng)大于從鐵芯至熔融金屬的距離dw。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,H的值1至3倍于dw,最好1.5至3倍于dw。鐵芯和熔融金屬之間的距離dw主要由爐襯的厚度來(lái)決定,并且因而由不受本發(fā)明影響的參數(shù)、如熔融金屬的特性和爐襯材料的選擇來(lái)確立。為了在熔融金屬內(nèi)實(shí)現(xiàn)更有效的攪拌,按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,使所使用的側(cè)部攪拌器4,24,24a,24b,24c,34,34a和34b具有極距τ,該極距大于2dw,最好在2.5dw至5dw之間。側(cè)部攪拌器2,24,24a,24b,24c,34,34a和34b可成直線、成一角度或彎曲地設(shè)置,并且它們可與爐子容器的外部形狀相適配,這主要是為了將鐵芯和熔融金屬之間的距離dw盡可能減至最小。
為了進(jìn)一步提高攪拌能力,在某些實(shí)施例中,所使用的側(cè)部攪拌器4,24,24a,24b,24c,34,34a和34b適用于將頻率為0.2-2.0Hz的磁攪拌器場(chǎng)施加到熔融金屬上。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,將頻率為0.4-1.6Hz的磁攪拌器場(chǎng)施加給熔融金屬。
為了進(jìn)一步提高攪拌效率并由于熔融金屬25內(nèi)的流動(dòng)是較為遲緩的現(xiàn)象,所以所使用的側(cè)部攪拌器4,24,24a,24b,24c,34,34a和34b特別適合于周期性地使所施加的攪拌器場(chǎng)反向并因而實(shí)現(xiàn)攪拌250,251,252,253,350,351,352。當(dāng)側(cè)部攪拌器4,24,24a,24b,24c,34,34a和34b適合于改變所施加攪拌器場(chǎng)的強(qiáng)度和方向時(shí)達(dá)到最大攪拌能力,因而當(dāng)熔融金屬沿一個(gè)方向達(dá)到最大旋轉(zhuǎn)速度時(shí),攪拌器4,24,24a,24b,24c,34,34a和34b以基本上相同的轉(zhuǎn)矩反向旋轉(zhuǎn)。實(shí)際上,在向熔融金屬25施予沿一個(gè)方向的最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度所需的周期過去之后,通過改變攪拌方向便可適當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)反向。一次反向與下次反向之間的周期所持續(xù)的時(shí)間可根據(jù)爐子設(shè)備的已知量、如爐子容器的幾何尺寸、熔融金屬的質(zhì)量及磁場(chǎng)特性來(lái)預(yù)先確定。
為了以較高的生產(chǎn)率給熔融金屬25施加磁攪拌器場(chǎng),應(yīng)使?fàn)t子容器的壁21靠近側(cè)攪拌器4,24,24a,24b,24c,34,34a和34b,從而使至少那些在所施加的攪拌器場(chǎng)中能在熔融金屬25內(nèi)進(jìn)行所需攪拌的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量可以以較小的損失和較小的阻尼穿過壁21。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,這可通過在側(cè)部攪拌器4,24,24a,24b,24c,34,34a和34b的附近設(shè)置非磁性材料210的爐子容器壁21來(lái)實(shí)現(xiàn)。在圖1中所示的爐子設(shè)備中,可通過在側(cè)部攪拌器4,24,24a,24b,24c,34,34a和34b附近的爐子容器的金屬殼體上設(shè)置一個(gè)非磁性不銹鋼的窗口210來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種爐子設(shè)備,它至少包括-至少一個(gè)用于熔融金屬和固態(tài)金屬的爐子容器(2),它具有側(cè)壁(21)和爐底(22),-至少一個(gè)通過輻射和對(duì)流加熱所述爐子容器內(nèi)的熔融金屬和/或固態(tài)金屬的加熱器(31),-至少一個(gè)設(shè)置在爐子容器壁(21)內(nèi)或壁(21)附近的雙相或多相電磁側(cè)部攪拌器(4,24,24a,24b,24c,34,34a,34b),該側(cè)部攪拌器作用在整個(gè)所述壁上并將攪拌器場(chǎng)施加到爐子容器內(nèi)的熔融金屬上,其特征在于,電磁側(cè)部攪拌器包括至少兩個(gè)設(shè)置在一鐵芯周圍的相位繞組;并且該鐵芯具有垂直高度H,該高度H基本上覆蓋了爐底與爐子容器內(nèi)最大熔池深度處的熔融金屬上表面之間的區(qū)域Dmax;并且側(cè)部攪拌器具有極距τ,該極距大于從鐵芯至熔融金屬之間距離的2倍,即τ>2dw。
2.按照權(quán)利要求1的爐子設(shè)備,其特征在于所述鐵芯的垂直高度H為從鐵芯至熔融金屬之間距離的1至3倍,即dw<H<3dw。
3.按照權(quán)利要求1或2的爐子設(shè)備,其特征在于所述側(cè)部攪拌器(4,24,24a,24b,24c,34,34a,34b)的極距τ在從鐵芯至熔融金屬之間距離的2.5至5倍的區(qū)間內(nèi),即2.5dw<τ<5dw。
4.按照前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的爐子設(shè)備,其特征在于所述側(cè)部攪拌器(4,24,24a,24b,24c,34,34a,34b)適合于將頻率為0.25至2.0Hz的磁性攪拌器場(chǎng)、磁性交變場(chǎng)施加給熔融金屬。
5.按照前述權(quán)利要求中任何一頂?shù)臓t子設(shè)備,其特征在于所述側(cè)部攪拌器(4,24,24a,24b,24c,34,34a,34b)適合于將周期性反向的磁性攪拌器場(chǎng)施加給熔融金屬。
6.按照前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的爐子設(shè)備,其特征在于靠近所述側(cè)部攪拌器(4,24,24a,24b,24c,34,34a,34b)的爐子容器的壁(21)被設(shè)置成至少使那些在攪拌器場(chǎng)內(nèi)由側(cè)部攪拌器施加給熔融金屬以便在熔融金屬內(nèi)形成所需循環(huán)的磁場(chǎng)強(qiáng)分量以較小的損失和較小的阻尼穿過壁。
7.按照權(quán)利要求6的爐子設(shè)備,其特征在于所述側(cè)部攪拌器(4,24,24a,24b,24c,34,34a,34b)附近的爐子容器壁采用了非磁性材料(210)。
8.按照權(quán)利要求6的爐子設(shè)備,其特征在于爐子容器的壁(21)包括一層磁性材料,至少一個(gè)由通過直流的線圈或至少一個(gè)永久磁鐵適合于施加定向磁場(chǎng),以便作用到壁內(nèi)的磁性材料上并在部分所述壁內(nèi)沿某一個(gè)方向、即飽和方向達(dá)到各向異性的磁飽和,該方向基本上處在壁的平面上并基本上平行于所需的攪拌方向,因而低頻磁傳播交變場(chǎng)具有若干磁場(chǎng)強(qiáng)度分量,它們處在平行于所述飽和方向并且垂直于壁所在平面的平面上,該低頻磁攪拌器場(chǎng)以較小的損失和較小的阻尼穿過壁的飽和部分,并且在鋁液內(nèi)產(chǎn)生磁交變場(chǎng)形式的攪拌器場(chǎng),該場(chǎng)的各分量基本上平行于并垂直于飽和方向。
全文摘要
一種爐子設(shè)備,它包括至少一個(gè)具有側(cè)壁(21)和爐底(22)的爐子容器(2)以及至少一個(gè)通過輻射和對(duì)流加熱所述爐子容器內(nèi)的熔融金屬和/或固態(tài)金屬的熱源(31)。至少一個(gè)雙相或多相電磁側(cè)部攪拌器(4,24,24a,24b,24c,34,34a,34b)設(shè)置在爐子容器壁(21)內(nèi)或壁(21)附近,以作用在整個(gè)該壁上并將攪拌器場(chǎng)施加到熔融金屬上。側(cè)部攪拌器包括至少兩個(gè)設(shè)置在一鐵芯周圍的相位繞組,該鐵芯具有垂直高度H,該高度H基本上覆蓋了爐底與爐子容器內(nèi)最大熔池深度處的熔融金屬上表面之間的區(qū)域D
文檔編號(hào)F27D3/00GK1187878SQ9619474
公開日1998年7月15日 申請(qǐng)日期1996年4月24日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月25日
發(fā)明者M·艾德姆, P·亨里克森, L·卡爾森, L·諾爾得維斯特, P·奧斯卡爾森, G·瑟爾堡, G·塔爾貝克 申請(qǐng)人:瑞典通用電器勃朗勃威力公司