Патент на изобретение №2301949

(54) ИНДУКЦИОННАЯ ПЕЧЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к конструкции индукционной печи. Печь включает подину, на которой установлена боковая стенка. Подина снабжена камерами охлаждения. Боковая стенка содержит вертикальные секции, покрытые керамикой. Кромки стыков соединений поверхностей вертикальных секций скруглены. На внутренней и боковых поверхностях вертикальных секций острые кромки скруглены. Верхние поверхности камер охлаждения покрыты керамикой. Острые кромки, ограничивающие верхние поверхности камер охлаждения, выполнены скругленными. Основа керамики выбрана из веществ, включающих муллит, окись алюминия, циркон, цирконий и цирконат. Использование изобретения обеспечивает защиту устройства от химического воздействия газов и предотвращает возникновение дуговых разрядов. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Объектами настоящего изобретения являются тигель и подина индукционной печи для сжигания и остеклования органического вещества, остеклования радиоактивных и нерадиоактивных отходов, остеклования опасных отходов и плавления огнеупорных материалов.

Конструкция указанных печей во многих случаях включает подину из огнеупорного бетона, содержащую каналы для циркуляции охлаждающей воды; на подине смонтирована боковая стенка, называемая тиглем, окруженная индукционной обмоткой, по которой проходит электрический ток с частотой более 1000 Гц, служащий источником энергии, выделяемой внутри тигля и расходуемой на плавление размещенного в нем вещества. Такие печи используют главным образом для сжигания и остеклования органического вещества, остеклования радиоактивных и нерадиоактивных отходов и плавления огнеупорных материалов. Отраслями промышленности, которые, вероятно, нуждаются в таких печах, являются промышленность по утилизации отходов, включающая утилизацию радиоактивных и опасных отходов, а также стекольное производство.

Боковая стенка тигля обычно выполнена из металла, проницаемого для магнитного поля. Она содержит каналы охлаждения, так что такая стенка, во-первых, может выдерживать очень высокие температуры, достигаемые при плавлении огнеупорных материалов, таких как стекло, и, во-вторых, может компенсировать электрическую энергию, рассеиваемую за счет эффекта Джоуля (в виде тепла) внутри конструкции. Указанный тигель называют “холодным тиглем”. Следует отметить, что тигель обычно состоит из отдельных вертикальных секций, соединенных своими поперечными боковыми поверхностями с размещением между ними электроизоляционного материала, предназначенного для ограничения токов, индуцируемых в стенке, которые могут привести к потерям и электромагнитному взаимодействию между индуктором и содержимым тигля. Вертикальные секции расположены и смонтированы подобно известным бочарным клепкам. Контур охлаждения обычно образован вертикальными каналами, просверленными в каждой из секций.

Секции боковой стенки тигля необходимо скреплять вместе. Один, первый используемый для этого метод состоит в окружении тигля кольцевыми бандажными полосами, изготовленными из цемента или стеклянных волокон с наполнителем из эластомера или эпоксидной резины. Другой метод, предполагающий лучшее сцепление, заключается в приваривании секций одна к другой на кольцевом фланце, расположенном над индуктором, там, где напряженность магнитного поля ниже. Последний тип монтажа, предпочтительный для данного изобретения, включает сборку из вертикальных секций и формирование кольцевой обжатой конструкции, осуществляемое на кольцевом фланце, расположенном над индуктором, с помощью болтов. Для облегчения монтажа секции на их части, находящейся снаружи кольцевой обжатой конструкции, предусмотрены монтажные ушки.

Подина, поддерживающая кольцевую обжатую конструкцию, содержит металлические камеры, через которые проходят каналы контура охлаждения, при этом камеры размещены в огнеупорном бетоне, или же она содержит металлические трубы разного сечения (круглого, квадратного, прямоугольного и т.д.), монтируемые параллельно или в виде шевронных слоев и размещенных в огнеупорном бетоне. Камеры или трубы отделены друг от друга слоем огнеупорного бетона. Одна из поверхностей камер расположена точно напротив расплавленного внутри печи содержимого. Подобно трубам камеры могут иметь различную форму: прямоугольную, треугольную и т.д.

Известные тигели и подины имеют следующие недостатки, которые могут быть подробно описаны. При использовании индукционной печи для сжигания – остеклования органического материала с полным его превращением в стекломассу или для плавления тугоплавких тел требуются частоты и теплота намного большие, чем для других случаев использования. При этом может существовать опасность короткого замыкания между металлическими элементами, образующими холодный тигель (сегменты, фланцы) и подину, поддерживающую тигель (охлаждаемые металлические боксы), а также между элементами тигля и подины. Такие замыкания происходят даже в том случае, если электрическая изоляция, расположенная между секциями тигля и камерами, охлаждающими подину, имеет намного большую толщину.

Помимо того, короткие замыкания между секциями тигля и камерами подины возможны из-за отложений углерода на внутренних стенках в процессе сжигания органического материала или вследствие образования скопления сульфатов на поверхности стекломасс, вступающих в контакт с различными секциями и электрическими изоляциями, имеющимися в промежутках между секциями, или, например, за счет освобождения большого количества воды во время плавки огнеупорных оксидов. Указанные короткие замыкания представляют собой неустранимую опасность для электрических изоляций, размещенных между элементами, образующими тигель, и для огнеупорного бетона, расположенного между камерами охлаждения подины, или же такие замыкания могут даже проходить через металлические элементы подины и тигля.

Короткие замыкания, кроме того, препятствуют эффективному использованию энергии индукции.

В вышеупомянутых случаях функционирования печи при высокой температуре образуется коррозийная атмосфера, представляющая опасность для металлических элементов печи, состоящей из тигля и подины, что обуславливает необходимость выполнения этих элементов из материалов, имеющих высокое электрическое сопротивление, значительно увеличивающее электрические потери.

Независимо от формы секций, образующих тигель (параллелепипед, Т-образная, треугольная) и формы подины, острые кромки прилегающих друг к другу элементов конструкции, по существу, являются источниками электрических дуговых разрядов (эффект электрических пучков). Режимы работы печи являются основными причинами возникновения дуговых разрядов, в частности, режимы, требующие частот более 100 кГц в случае использования для переработки стекла и отходов в виде полностью расплавленной стекломассы. Эти дуговые разряды являются сильнодействующими и представляют опасность для электрических изоляций тигля и бетона подины. Как было установлено, в случае выполнения секций тигля округлой или овальной формы, пучковые эффекты предотвращаются, но в ущерб сохранению непроницаемости обжимного элемента вследствие слишком заметного уменьшения толщины электрической изоляции между секциями, что создает проблемы утечек вещества и газа из тигля, как только в изолирующем материале появится незначительное повреждение.

Для решения указанных проблем в соответствии с данным изобретением предложен новый тип тигля и подины для индукционной печи.

Предложенное решение, направленное на устранение опасности возникновения дугового разряда, заключается в покрытии металлических секций, образующих тигель, и металлических камер с одной или всех сторон керамическим электроизоляционным материалом, а именно, по меньшей мере, на внутренней и боковой поверхностях секций, обращенных одна к другой, для исключения дуговых разрядов или в зависимости от химического или электрического воздействия на все поверхности, включая верхнюю, нижнюю и обращенную внутрь печи поверхности. Эти керамические покрытия выполнены в дополнение к электрической изоляции, размещенной между секциями тигля и камерами подины, и создают идеальную защиту между различными металлическими элементами печи и даже между этими металлическими элементами и покрытием при проведении плавки. Кроме того, покрытые таким образом секции тигля и камеры подины защищены от химического воздействия благодаря наличию газов, стекла и других разных отходов, поступающих в тигль, поддерживаемый подиной. Огнеупорные керамические покрытия, которые являются идеальными электрическими изоляторами, получают, например, с помощью ацетиленовой горелки или плазменной горелки. Материалы, наиболее часто наносимые в качестве покрытия, содержат окись алюминия, муллит, кордиерит, циркон, цирконий, цирконат кремния и карбид кремния, причем с различными присадками, выбранными в соответствии с действующим электрическим напряжением.

После нанесения покрытия на одну или все поверхности металлических камер их устанавливают в подине с размещением между камерами электрического изолятора, например огнеупорного бетона. Что касается секций тигля, то после покрытия одной или всех их поверхностей керамическим электрическим изолятором секции могут быть закреплены болтами на охлаждаемых фланцах, которые также могут быть покрыты изоляционным материалом. В описании настоящего изобретения будут раскрыты особенности осуществления монтажа тигля с помощью болтов, который ограничивает механические напряжения в сборной конструкции (локальные сжатия) и тепловые напряжения (если имеются сварные швы), однако данное изобретение полностью применимо и к другим типам конструкций, подробно описанным в уровне техники.

В технической литературе приведены обоснования того, что предпочтительно снимать фаску с острых кромок с тем, чтобы избежать ослабления керамического покрытия и его выкрашивания (или отслаивания). Однако, хотя снятие фаски с острых кромок секций может способствовать удовлетворительному нанесению керамической электрической изоляции на поверхность секций, этого совсем недостаточно для выдерживания электрических дуговых разрядов, возникающих при частотах свыше 100 кГц между камерами подины и поверхностями тех секций, формирующих внутреннюю зону тигля, которые расположены, например, напротив пылевидного углерода, образующегося в результате сжигания органического вещества и находящегося поверх расплавленной стекломассы, или же расположены напротив элементов, которые необходимо подвергнуть стеклованию.

Острые кромки, направленные к внутренней поверхности печи, скруглены до определенного радиуса кривизны. Исключение всех острых кромок посредством радиусов скругления касается тех острых кромок, которые обращены внутрь индукционной печи. На других острых кромках, расположенных снаружи тигля, может быть достаточным (но не обязательным) наличие фасок. Размер радиусов скругления удовлетворяет следующим условиям:

радиус скругления не должен быть слишком малым (например, менее 1 мм), чтобы избежать захвата какого-либо вещества в свободный воздушный зазор между секциями при изменении высоты стекловидной массы;

как и в некоторых конструкциях, описанных в уровне техники, в межсекционном зазоре может быть размещен электрический изолятор, такой, как слюда (толщина слюды составляет от 0,1 до 4 мм), или же соединяемые элементы (секции) могут быть установлены без дополнительных электрических изоляторов помимо нанесенного керамического покрытия. Радиус кривизны должен быть малым (менее 5 мм), чтобы охлаждаемые металлические секции были расположены достаточно близко с тем, чтобы предотвратить контактирование расплавленной стекломассы с электрической изоляцией, размещенной в указанных зазорах, что могло бы повредить эту изоляцию и позволило бы веществу вытекать из тигля.

Настоящее изобретение занимает отдельное место в характерных случаях сжигания и стеклования органического материала, стеклования отходов и плавления огнеупорных тел благодаря низкой величине, в этих случаях, коэффициента теплообмена между веществом, подвергаемым стеклованию, и стенками печи. Например, величины коэффициента теплоотдачи на один порядок ниже, чем в холодных тиглях для плавления металла за счет самообразования на стенке печи слоя стекла, твердого и огнеупорного. При этих условиях керамические материалы, используемые для электрической защиты, предпочтительно охлаждают, предотвращая ухудшение их качества, выкрашивание и предотвращая сверх всего загрязнение остеклованного материала.

Изобретение далее будет более подробно раскрыто, и каждый аспект соответствует фигурам чертежей.

Фиг.1 – сварной тигель, соответствующий известному аналогу.

Фиг.2 и 3 – воплощение тигля согласно данному изобретению.

Фиг.4 и 5 – иллюстрация метода изготовления тигля.

Фиг.6 и 7 – подина согласно данному изобретению.

Представленный на фиг.1 тигель содержит подину из огнеупорного бетона, обозначенную на фигуре позицией 1, боковую стенку 2, секции 3 которой изготовлены из нержавеющей стали, промежуточные слои 4 из электрического изоляционного материала, витки 5 индуктора. Особенности конструкции и расположение этих элементов соответствуют вышеизложенному описанию. Боковая стенка 2 показана лишь частично, однако понятно, что она проходит по всей окружности, как и в любом другом тигле, включая и тигель, соответствующий данному изобретению. Тракт 6 охлаждения выполнен в каждой секции 3 и проходит практически по ее высоте, и в данном примере представляет собой два параллельных канала, соединенных в нижнем участке секций 3 (в показанном сечении виден только один из этих каналов). Посредством входного и выходного отверстий 7 и 8 для охлаждающей жидкости эти каналы сообщены снаружи секций 3 и ведут к расположенным один над другим коллекторам 9 и 10, выполненным в одном и том же фланце 11, к которому секции 3 приварены с помощью сварного шва, проходящего по окружности, по верхней наружной кромке секций. Несмотря на наличие такой сварки конструкцию дополнительно можно снабдить внешним бандажом 13, установленным под фланцем 11, для улучшения прочности сцепления элементов боковой стенки 2 и обеспечения газоплотности. Отмеченные выше недостатки двух известных типов сборной конструкции боковой стенки 2 не исключены даже при комбинировании этих конструкций. Следует отметить, что подина 1 охлаждается водой, циркулирующей через металлические камеры, которые на фиг.1 не показаны.

Воплощение данного изобретения далее будет раскрыто с помощью фиг.2 и 3.

Секции боковой стенки обозначены на этих фигурах позицией 20. Секции имеют одинаковую внешнюю форму и подобным образом содержат два проходящих через них канала 21 охлаждения, концы которых ведут за пределы секций с помощью трубопроводов 23а и 23b (фиг.3). Но в отличие от известного аналога, не имеющего наружного покрытия, секции 20 согласно данному изобретению футерованы керамическим покрытием 22, которое может быть выбрано из числа составов, содержащих окись алюминия, муллит, кордиерит, циркон, цирконий, цирконат, а также различные примеси, добавляемые в зависимости от тепловых, химических и электрических нагрузок, которым может подвергаться тигель. На фиг.2 показана с покрытием 22 лишь одна секция 20, но в действительности покрыты все секции. Подобным же образом покрытие 22 имеется на поверхности секции 20, показанной на фиг.3, хотя оно и не показано для упрощения чертежа. Рекомендуется покрывать, по меньшей мере, внутреннюю поверхность 24 секций 20 и их боковые поверхности 25 и 26, которые подвержены коррозии и возникновению электрических дуговых разрядов; однако целесообразно также покрывать и наружную поверхность 27, как это показано на чертеже, или даже верхнюю и нижнюю поверхности. Поскольку химическое воздействие или опасность коротких замыканий, являющиеся причиной использования покрытия 22, обусловлены наличием газов, находящихся над расплавленным веществом, а также присутствующих в этих газах твердых частиц и выделившихся веществ, а не воздействием самого расплавленного материала, то одна из функций этих холодных тиглей заключается в поддерживании на боковой стенке твердого слоя содержимого тигля, при этом покрытие 22 проходит до верха секций 20. Толщина этого покрытия составляет от 50 мкм до 500 мкм в зависимости от конкретного применения. Одно дополнительное средство уменьшения вероятности возникновения дугового разряда, обеспечивающее в то же время лучшее сцепление покрытия 22, заключается в ликвидации острых кромок, разграничивающих соответствующие поверхности 24-27 секций 20: в данном случае острые кромки 28 и 29 на внутренней поверхности печи (между внутренней поверхностью 24 и боковыми поверхностями 25 и 26) могут быть скруглены до радиуса кривизны от 1 до 5 мм, а на других острых кромках 30 и 31 (между наружной поверхностью 27 и другими боковыми поверхностями 25 и 26) просто снимают фаски, что необходимо только для улучшения сцепления покрытия 22 в месте соединения двух покрываемых поверхностей. Горизонтальные острые кромки секций 20 сверху и снизу могут быть также скруглены или обработаны путем снятия фаски, если дуговые разряды представляют опасность для соседних элементов конструкции.

Из фиг.3 можно видеть, что фланец 11 (см. фиг.1) отсутствует и каналы 21 охлаждения не соединены с коллекторами 9 и 10, примыкающими к тиглю, а полностью обособлены, при этом трубы 23а и 23b проходят наружу за пределы тигля. Секции 20, кроме того, на участке по окружности содержат верхнее ушко 32, выступающее за пределы наружной поверхности 27. В ушке с наружной стороны прорезан паз 33. На все ушки 32 сверху наложен плоский фланец 34 кольцеобразной формы, который содержит резьбовые отверстия 35. В контактном зацеплении с резьбовыми отверстиями 35 находятся болты 36, которые опираются на нижнюю поверхность ушек 32, закрепляя их на плоском фланце 34. Таким образом, секции 20 фиксируются в определенном положении и образуют единую сборную конструкцию. Для обеспечения воздухонепроницаемости тигля и придания сборке большей прочности может быть добавлен, но не обязательно, наружный кожух 37, выполненный из прочной стеклоткани, наполненной эластомером или эпоксидной резиной. Наконец, между боковыми поверхностями 25 и 26 соседних секций 20 могут быть размещены слои электрической изоляции 38, например, из слюды.

Кроме того, керамическое покрытие 57 может быть осаждено на фланце 34 и, помимо всего, на его нижней поверхности 58, контактирующей с ушками секций 20. Здесь также целесообразно снять фаску с острых кромок, соединяющих две поверхности, покрытые керамическим материалом.

Другое воплощение, которое можно осуществить с использованием плоского фланца 34, заключается в дополнении конструкции крышкой 39, расположенной на поверхности фланца и фиксируемой с помощью двух струбцин 40 с болтами 41, ввинченными в резьбовые отверстия плоского фланца 34 с тем, чтобы обеспечить размещение содержимого тигля в замкнутом объеме и при этом хорошую герметичность.

Уже было отмечено, что при точной, неизменяемой установке секций 20, которая стала возможной за счет монтажа, осуществляемого с помощью болтов и плоского фланца 34, секции 20 могут быть покрыты керамическим материалом без какой-либо опасности для этого покрытия. Ниже будет описан способ монтажа боковой стенки, при котором керамика не подвержена опасности повреждения как раз при такой форме сегментов; это описание будет приведено со ссылками на фиг.4 и фиг.5. Секции 20 после их обработки в необходимых местах с достаточной точностью (в особенности, нижней поверхности, лежащей на бетонной подине 1, верхней поверхности ушек 32 и боковых поверхностей 25 и 26) и после нанесения керамического покрытия путем плазменного осаждения и абразивной шлифовки с приблизительной точностью устанавливают на плоском фланце, сверху на них кладут центрирующий элемент 42, сегменты охватывают стягивающими хомутами 43 и затягивают эти хомуты так, чтобы обеспечить контактирование сегментов со всей конической боковой поверхностью центрирующего элемента 42. Слои электрической изоляции 38 в это время уже установлены. В зависимости от высоты центрирующего элемента 42 и усилия затягивания хомутов 43 могут быть отрегулированы диаметр боковой стенки и предварительная стяжка элементов, образующих боковую стенку. Затем затягивают болты 36 для соединения ушек 32 с нижерасположенным плоским фланцем 34. После этого монтаж конструкции завершается. Наружный кожух 37 может быть сформирован сначала с помощью поясной изоляции 371, расположенной между стягивающими хомутами 43, а затем за счет наложения дополнительной поясной изоляции, осуществляемой после удаления хомутов 43. Такое двухступенчатое наложение кожуха дает возможность не ослаблять предварительную стяжку элементов боковой стенки из-за преждевременного разблокирования хомутов 43.

На фиг.6 и 7 показана подина 46 для данного воплощения изобретения. Она содержит опорную плиту 47, имеющую внутреннюю центральную полость, в которой размещены камеры 48 охлаждения. Каждая камера 48 содержит канал 49 подвода воды и канал 50 отвода воды.

Как и в отношении секций 20 тигля, в данном изобретении предприняты меры по защите камер 48 от нежелательного химического и теплового воздействия и противодействию дуговым разрядам, возникающим между ними. Камеры также покрыты керамикой, по меньшей мере, на верхней поверхности (обращенной к расплавленному веществу) 51. Покрытие показано на чертеже позицией 52. Острые кромки 53, ограничивающие верхнюю поверхность 51, скруглены, причем также до радиуса округления от 1 до 5 мм. Другие острые кромки 56 (вертикальные и ограничивающие нижнюю поверхность 55) также могут быть скруглены или, по меньшей мере, выполнены с фаской, особенно, если боковые поверхности 54 и нижние поверхности 55, которые разграничены этими кромками, также покрыты керамикой.

Формула изобретения

1. Индукционная печь, включающая боковую стенку (2), содержащую расположенные рядом вертикальные секции (20), образующие тигель, отличающаяся тем, что секции (20) покрыты керамикой (22), по меньшей мере, на внутренней (24) и боковых поверхностях (25, 26) и, по меньшей мере, острые кромки (28, 29), соединяющие указанные внутренние поверхности с боковыми поверхностями, скруглены.

2. Индукционная печь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит подину, на которой установлена боковая стенка, при этом подина снабжена камерами (48) охлаждения, по меньшей мере, верхние поверхности (51) которых покрыты керамикой и, по меньшей мере, острые кромки (53), ограничивающие верхнюю поверхность (51), выполнены скругленными.

3. Индукционная печь по п.2, отличающаяся тем, что нижние поверхности (54) и боковые поверхности (55) камер (48) охлаждения покрыты керамикой.

4. Индукционная печь по п.1, отличающаяся тем, что секции (20) снабжены ушками (32) с верхним фланцем для монтажа и, по меньшей мере, поверхность фланца, контактирующая с секциями (20), покрыта керамикой.

5. Индукционная печь по п.2, отличающаяся тем, что поверхности секций и камер (48) охлаждения, которые покрыты керамикой, соединены друг с другом кромками, выполненными с округлением или с фасками (28, 29, 30, 31).

6. Индукционная печь по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что основа керамики выбрана из веществ, включающих муллит, окись алюминия, циркон, цирконий и цирконат.

7. Тигель для индукционной печи, отличающийся тем, что он выполнен по пп.1-5 и, кроме того, наружные поверхности секций (20) покрыты керамикой.

РИСУНКИ