Способ стартового нагрева неэлектропроводных материалов в индукционной печи

 

Сущность изобретения: в исходную шихту вводят неохлаждаемый проводящий контур, который нагревают до образования расплава вокруг контура, нагревают последний до разрыва с возникновением на концах контура электрической дуги и поддерживают горение дуги до полного сгорания или расплавления контура. 3 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к технологии индукционного плавления непроводящих материалов, например оксидных керамических, стекольных, петрургических шихт. Наиболее эффективно оно может быть использовано в технологии переработки радиоактивных отходов методом остекловывания в химически и механически стабильные матрицы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ стартового плавления, реализуемый с помощью устройства.

Сущность способа-прототипа заключается в следующем. После засыпки шихты в индукционную печь и включения источника питания, в тигель вводятся графитовые электроды, электрически и механически соединенные с концами металлического водоохлаждаемого замкнутого контура. Возникающее потокосцепление между электромагнитным полем индуктора и контуром приводит к возникновению на его концах ЭДС взаимоиндукции. Между концами электродов возбуждают электрическую дугу, соединяя электроды между собой. За счет выделения энергии в дуге шихта плавится и образует ванну расплава. По мере увеличения ванны расплава электроды разводят для еще большего увеличения ванны. О завершении стартового нагрева судят по площади, занимаемой зеркалом расплава, которая должна составлять 0,5-0,75 плавильной площади тигля. Затем разомкнутый контур с электродами выводят из тигля и ведут процесс плавления только за счет энергии электромагнитного поля индуктора, выделяющейся в расплаве.

Описанный способ обладает следующими существенными недостатками. Во-первых, для формирования стартовой ванны расплава, способной самостоятельно поглощать энергию электромагнитного поля индуктора, необходимо раздвигать электроды относительно друг друга. При этом следует постоянно следить за тем, чтобы они были заглублены в расплав. В противном случае дуга может погаснуть и стартовый нагрев не состояться. Кроме того, свободному разведению электродов мешают корки и настыли, образующиеся в процессе формирования расплава. Графитовый электрод может сломаться, а следовательно, прекратиться и стартовый нагрев. Во-вторых, горение дуги поддерживают до тех пор, пока расплав не займет 0,5-0,75% плавильной площади тигля. Высокая температура расплава в местах горения электрической дуги в совокупности с длительным временем горения способствует повышенному уносу легколетучих компонентов шихты.

Следовательно способ не обладает достаточной надежностью стартового нагрева и характеризуется повышенным уносом легколетучих компонентов шихты.

Целью изобретения является увеличение надежности стартового нагрева и снижение уноса легколетучих компонентов шихты.

Изобретение позволяет избавиться от операции перемещения электродов и контроля за их заглублением в расплав. Повышается надежность стартового нагрева. Поскольку проводящий контур находится под слоем шихты и не извлекается из тигля в течение всего процесса плавки, снижается унос легколетучих компонентов шихты, включая радионуклеиды при плавлении радиоактивных отходов. Это обусловлено также тем, что происходит фильтрация отходящих газов и паров слоем шихты. Легколетучие компоненты остаются в шихте, расплавляются и включаются в структуру плавленого оксидного материала.

На фиг. 1 изображен первый этап стартового нагрева шихты; на фиг. 2 - второй этап; на фиг. 3 - третий этап.

Водоохлаждаемый тигель индукционной печи состоит из набора изолированных друг от друга металлических секций 1. Тигель окружен металлическим водоохлаждаемым индуктором 2, к которому подводится ток высокой частоты. Полость тигля заполнена шихтой 3, подлежащей плавлению. Там же располагается короткозамкнутый электропроводный контур 4, который нагревается токами высокой частоты до возникновения первичного расплава 5.

Второй этап стартового нагрева шихты включает период, когда контур 4 перегорел в каком-либо одном месте с возникновением его на концах электрической дуги 6, замыкающейся через первичный расплав 5.

Третий завершающий этап стартового нагрева включает период, когда контур 4 полностью сгорел, образовав стартовый объем расплава в виде тора. Образованный стартовый объем расплава способен самостоятельно поглощать энергию электромагнитного поля индуктора 2 и позволяет сформировать ванну расплава во всем объеме тигля.

Способ стартового нагрева реализуется следующим образом. В тигель 1, окруженный индуктором 2, помещают шихту переплавляемого материала. На шихте или под слоем шихты размещают электропроводный замкнутый контур 4 таким образом, чтобы он располагался в регулярной зоне индуктора 2. Включают источник питания индукционной печи и подают высокое напряжение высокой частоты на индуктор 2. Возникающее при этом переменное электромагнитное поле индуцирует в электропроводном контуре 4 вихревые токи, которые нагревают контур 4. Регулировкой подводимого к индуктору 2 напряжения поддерживают температуру контура 4 выше температуры ликвидус одного из компонентов шихты. Вокруг контура 4 образуется первичный расплав 5. Увеличением напряжения на индукторе добиваются перегорания или расплавления контура 4 с образованием на его концах электрической дуги 6. Поддерживают устойчивое горение дуги до полного сгорания или расплавления контура с образованием тора 7 из оксидного расплава.

П р и м е р. Стартовый нагрев шихты боросиликатного стекла состава, мас. % : 15 N₂О; 20 Аl₂О₃; 7В₂О₃; 39,4 SiО₂; 17,4 СаО; 1,2 Fе₂О₃. Стартовый нагрев осуществляют в индукционной печи с металлическим водоохлаждением тиглем внутренний диаметр тигля, мм 300 внешний диаметр тигля, мм 330 внутренний диаметр индуктора, мм 400 высота индуктора, мм 200 число витков индуктора 5 Источник питания индукционной печи - высокочастотный ламповый генератор ВЧГ-60-60/0,44 с колебательной мощностью 60 кВт и частотой тока 0,44 МГц.

Для проведения стартового нагрева в тигель помещают 10 кг шихты. Под слоем шихты в 10 мм в регулярной зоне индуктора размещают металлическое замкнутое кольцо диаметром 250 мм. Кольцо изготовлено из трех миллиметровой стальной проволоки. Включают источник питания и подают на индуктор высокочастотное напряжение. Нагревают кольцо до 900^оС, что на 200^о превышает температуру размягчения боросиликатного стекла указанного состава. Формируют под кольцом первичный расплав. Затем увеличивают напряжение на индукторе и перегревают кольцо до перегорания с возникновением на его концах электрической дуги, замыкающейся через расплав в месте разрыва. По мере сгорания кольца происходит его замещение расплавом образующейся стекломассы. После сгорания кольца в тигле находится тор из стекломассы, способный самостоятельно греться, поглощая энергию электромагнитного поля индуктора. На этом этап стартового нагрева заканчивается и начинается этап формирования ванны расплава.

Электрические режимы работы источника питания, отражающие этапы стартового нагрева приведены в таблице.

Данные таблицы свидетельствуют о том, что с начала стартового нагрева и до его завершения происходит постепенное устойчивое увеличение электромагнитной связи расплава стекломассы с индуктором, что свидетельствует о надежности предложенного способа стартового нагрева.

Достигают снижение времени стартового нагрева в 1,5-3 раза, в 4 раза уменьшается унос радионуклеидов. (56) Авторское свидетельство СССР N 1329308, кл. F 27 D 11/06, 1987.

Формула изобретения

СПОСОБ СТАРТОВОГО НАГРЕВА НЕЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ИНДУКЦИОННОЙ ПЕЧИ, включающий введение внутрь тигля электропроводящего контура, возбуждение электрической дуги, формирование стартового объема расплава, отличающийся тем, что контур нагревают выше температуры ликвидус одного из компонентов шихты и выдерживают до образования расплава вокруг контура, продолжают нагревать до разрыва контура с возникновением на его концах электрической дуги, поддерживают устойчивое горение дуги до полного сгорания или расплавления контура.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3