专利名称：炉子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于熔化金属和/或存储熔融金属的炉子设备，该设备至少包括-至少一个炉子容器，它具有供熔融金属和/或固态金属用的炉壁和炉底，-至少一个通过对流和辐射加热炉子容器内的熔融金属和固态金属的热源，以及-适合于搅拌炉子容器内的熔融金属的电磁装置。本发明特别涉及一种用于熔化和/或存储铝的炉子设备，它至少包括-一个炉腔，它至少具有一个用于熔融和/或固态铝的炉子容器，该炉子容器具有炉壁、炉底及至少一个设置在炉子上部的炉顶，-至少一个设置在炉顶内或炉顶附近的热源，该热源通过对流和辐射加热炉子容器内的铝，以及-用于搅拌炉子容器内的熔融金属的电磁装置。
背景技术：
在熔化和/或存储铝期间，现已知道可使用放置在炉子容器下方的电磁搅拌器来完成对炉子容器内的熔融金属的搅拌，并降低熔融金属内的温度和浓度梯度以及提高该炉子设备的生产率。特别是，人们希望降低熔融金属上表面的过热温度。在本专利申请中所谓的过热温度指的是在熔化或存储过程中在对熔融金属中的任何部分进行加热的最高温度与熔融金属的熔化温度之间存在着温度差。较高的过热温度常常会因氧化而导致金属损失及熔渣和炉渣的形成。同时，会对工艺的能量利用产生副作用。在所谓的反射炉中，油和燃气燃烧器是利用对流和辐射来加热金属的，在这种炉中会产生金属损失和低效率的问题。
通过搅拌熔融金属，可使熔融金属内的温度和浓度梯度均衡，从而可降低过热温度并提高工艺的能量效率。其原因可以这样来解释在进行电磁搅拌过程中，熔融金属内的有效导热系数比在未搅拌的熔融金属内的导热系数增大了9倍以上。在本专利申请中所谓的有效导热系数指的是在考虑到熔融金属和/或固态金属中的导热热流及通过搅拌在熔融金属中获得的以对流热流形式存在的附加作用的情况下，表示熔池内的热传递。
在熔化和存储铝的炉子设备中，将电磁搅拌器设置在炉子下面以实现底部搅拌是已知的布置方式，例如这种方式可从美国专利US4,294,435中得知。一般来说，这样可使有效导热系数增加到原来的25-35倍。然而，在某些情况下，当按照现有技术的方式需要将炉底搅拌器设置在炉子下面或靠近炉底的位置时，会引起经济上和结构上复杂化的问题。在打算将搅拌器安装在现有的炉子设备中以提高炉的能量效率和生产能力并降低熔融金属中的温度和浓度梯度的情况下，这个问题尤其突出。此外，在许多情况下，在现有的炉子设备中增设炉底搅拌器变得较为困难，这是因为炉子是竖立在地面上的，并且在不重新扩建炉膛的情况下，炉底是无法适用于这种安装的。为了通过在不同熔池之间泵送熔融金属来实现熔融金属的搅拌，可按已知的方式将电磁装置设置于在熔化炉内分隔不同熔池的壁内或壁附近。按类似的方式，通过使电磁装置作用于一个通道上来实现搅拌，该通道设置在炉子容器的壁内或壁附近，并且该通道的两端与炉子容器内的熔融金属相通。另外，美国专利US4,294,435公开了在熔化和存储铝的炉子设备中最好将电磁装置相互靠近地设置在炉壁内，所谓的侧部搅拌器作用在整个壁上并将电磁搅拌器的应力场施加到炉子容器内的熔融金属上，以实现侧部搅拌。但是，该专利没有描述当炉子容器的熔池表面相对于其熔池深度较大时如何设计或设置该侧部搅拌器，以获得对炉内熔融金属的有效搅拌。
从制造和经济上考虑，最好如上所述，在设置电磁搅拌器时使其作用于整个炉子侧壁，即作为侧部搅拌器以实现侧部搅拌。但是，利用设置在炉子容器壁内或壁附近的侧部搅拌器进行搅拌被认为在炉子容器内、特别是在熔池表面相对于其熔池深度较大的炉子容器内不能进行充分的搅拌。
本发明的目的是建议一种炉子设备，它包括至少一个按本发明设计和设置的双相或多相电磁搅拌器，它用于在熔池表面相对于熔池深度较大的炉子容器内实现充分的侧部搅拌，从而将熔融金属的有效导热系数提高到原来的10倍或更多，因而降低了温度和浓度梯度并提高了炉子设备的热效率和生产能力。
发明概述一种用于熔化金属和/或存储熔融金属的炉子设备内的有效侧部搅拌器，它至少包括-至少一个炉子容器，它用于熔融金属和固态金属，它具有侧壁和一个炉底，炉子容器最好具有相对于其熔池深度较大的熔池表面，-至少一个加热器，它通过辐射和对流加热炉子容器内的熔融金属和/或固态金属，-至少一个双相或多相电磁侧部搅拌器，它设置在炉子容器的壁内或壁附近，以作用于整个壁上并将电磁传播交变场施加到熔融金属上，将电磁搅拌器应力场施加到炉子容器内的熔融金属上以搅拌炉子容器内的熔融金属。
该侧部搅拌器包括至少两个设置在铁芯周围的相位绕组。按照本发明，该铁芯具有基本覆盖了熔融金属、即覆盖了炉底与炉子容器内最大熔池深度处的熔融金属上表面之间区域的垂直高度。此外，该铁芯具有的极距τ大于从铁芯至熔融金属之间距离的两倍，即τ＞2dw。
所谓最大熔池深度意指正常操作状态下炉子设备内所用的最大熔池深度。通常，对于现有炉子，炉内用于熔化和/或存储铝的最大熔池深度小于1米；在大多数情况下，这种炉子的最大熔池深度在0.3至0.9米之间变化。
电流通过侧部搅拌器并在熔融金属内产生电磁场，该电磁场势必在熔融金属内形成垂直方向的电流。该电流在熔融金属的上表面和炉子容器的底部发生偏转。为了实现有效的搅拌，在上述侧部搅拌器内的铁芯具有大于从铁芯至熔融金属之间距离的垂直高度，在熔化和/或存储铝的炉内该垂直高度通常在0.5至1米之间。在本发明的一个实施例中，铁芯的垂直高度设置为该距离的1至3倍之间，最好是该距离的1.5至3倍之间。铁芯和熔融金属之间的距离由炉衬的厚度来决定，并因此由不受本发明影响的参数如熔融金属的特性及所选择的炉衬材料等来确定。
按照本发明的一个实施例，属于该炉子设备的侧部搅拌器的极距设置为2.5至5倍于从铁芯至熔融金属之距离的区间内。
为了进一步提高搅拌能力，在本发明的某些实施例中，侧部搅拌器适合于将频率为0.2至2.0Hz、最好是0.4至1.6Hz的磁搅拌器场施加在熔融金属上。
按照本发明的另一个实施例，属于炉子设备的侧部搅拌器适合于向熔融金属施加周期性换向的搅拌器场。由于熔融金属流动是较为迟缓的现象，因此周期性重复发生的转向会导致搅拌能力的额外增高。当侧部搅拌器适合于改变所施加搅拌器场的强度和方向，以便在需要沿一个方向给熔融金属赋予最大旋转速度的周期基本上过去之后使得搅拌方向变反向时，可获得最大搅拌能力。可根据各炉子设备的已知量，如炉子容器的几何尺寸、熔融金属的质量及磁场特性等来预先确定每次反向搅拌与下次反向搅拌之间的周期长度。
为了利用侧搅拌器向熔融金属施加一个具有较高生产能力的磁搅拌器场，炉子容器靠近侧搅拌器的壁最好这样设置，即所施加搅拌器场中的至少那部分能在熔融金属内进行所需搅拌的磁场强度分量可以以较小的损失和较小的阻尼穿过壁。在本发明的一个实施例中，这可通过将非磁性材料炉子容器壁靠近侧部搅拌器设置来实现。最好通过设置一个靠近一侧部搅拌器的、不锈钢的炉子容器金属壳体的窗口来实现。由于各种不同的原因，另一个实施例在炉子设备中是特别有用的，它可有利地避免重新修建炉子容器的壁，尽管这些壁具有一层磁性材料。在搅拌器场内由侧部搅拌器施加到熔融金属上并对熔融金属进行所需搅拌的那些磁场强度分量在该实施例中可穿过壁，并只有较小的损失和较小的阻尼，这是由于设置了至少一个通以直流的线圈或至少一个永久磁铁，以便将定向磁场(magnetic direct field)作用到壁内磁性材料层上的缘故。这样便在部分上述壁内沿某一个方向、即饱和方向达到各向异性的磁饱和，该方向基本上处在壁的平面上并且基本上平行于所需的搅拌方向。低频磁搅拌器场具有若干磁场强度分量，它们处在平行于上述饱和方向并垂直于壁所在平面的平面内，因此该低频磁搅拌器场可以以较小的损失和较小的阻尼穿过壁的饱和部分，同时在铝液内产生磁交变场形式的搅拌器场，该场的各分量基本上平行于并垂直于饱和方向。
附图简述下面将更详细地解释本发明并通过参照附图中具有若干炉子几何尺寸的一个优选实施例进行举例说明。
图1表示用于解释本发明基本原理的一种炉子的垂直剖面图；图2a，2b和2c表示本发明的具有大致呈圆形的炉子容器之炉子的水平剖面图；
图3a和3b表示本发明的具有大致呈矩形的炉子容器之炉子的水平剖面图。
优选实施例描述图1表示按照本发明一个优选实施例的炉子设备中的炉腔1。炉腔1包括一个适合于充注熔融金属25和/或固态金属26并具有侧壁21和炉底22的炉子容器2。在熔融金属上方有一个炉顶3，在炉顶3内或附近设有适合于通过辐射和对流加热炉子容器内的熔融金属25和/或固态金属26的燃烧器31。对本发明来说，热源的选择显然是不重要的，在可达到足够加热能力的情况下，可采用其它类型的热源，如电阻元件。将至少一个双相或多相电磁侧部搅拌器4设置在炉子容器壁21的附近，使之作用于整个壁21并向熔融金属施加一个磁搅拌器场。该侧部搅拌器4包括至少两个设置在铁芯(图中未示出)周围的相位绕组(图中未示出)。铁芯的垂直距离、即高度H基本上覆盖了熔融金属，也就是说，覆盖了炉底22与炉子容器内最大熔池深度Dmax处的熔融金属上表面之间的区域。所谓最大熔池深度意指在正常操作状态下炉子设备内所用的最大熔池深度。一般说来，用于熔化和存储铝的炉子的最大熔池深度小于1米；在大多数情况下，这种炉子的最大熔池深度在0.3到0.9米之间变化。
电流流过侧部搅拌器4并在熔融金属25内产生电磁场，该电磁场在熔融金属内产生垂直方向的电流。电流在熔融金属的上表面和炉子容器的炉底发生偏转。为了达到图2a，2b，2c，3a和3b中循环流250，251，252，253，350，351，352所示的有效搅拌位置，所使用侧部搅拌器4，24，24a，24b，24c，34，34a，34b的铁芯的垂直高度H应大于从铁芯至熔融金属的距离dw。在本发明的一个实施例中，H的值1至3倍于dw，最好1.5至3倍于dw。铁芯和熔融金属之间的距离dw主要由炉衬的厚度来决定，并且因而由不受本发明影响的参数、如熔融金属的特性和炉衬材料的选择来确立。为了在熔融金属内实现更有效的搅拌，按照本发明的一个实施例，使所使用的侧部搅拌器4，24，24a，24b，24c，34，34a和34b具有极距τ，该极距大于2dw，最好在2.5dw至5dw之间。侧部搅拌器2，24，24a，24b，24c，34，34a和34b可成直线、成一角度或弯曲地设置，并且它们可与炉子容器的外部形状相适配，这主要是为了将铁芯和熔融金属之间的距离dw尽可能减至最小。
为了进一步提高搅拌能力，在某些实施例中，所使用的侧部搅拌器4，24，24a，24b，24c，34，34a和34b适用于将频率为0.2-2.0Hz的磁搅拌器场施加到熔融金属上。在一个优选实施例中，将频率为0.4-1.6Hz的磁搅拌器场施加给熔融金属。
为了进一步提高搅拌效率并由于熔融金属25内的流动是较为迟缓的现象，所以所使用的侧部搅拌器4，24，24a，24b，24c，34，34a和34b特别适合于周期性地使所施加的搅拌器场反向并因而实现搅拌250，251，252，253，350，351，352。当侧部搅拌器4，24，24a，24b，24c，34，34a和34b适合于改变所施加搅拌器场的强度和方向时达到最大搅拌能力，因而当熔融金属沿一个方向达到最大旋转速度时，搅拌器4，24，24a，24b，24c，34，34a和34b以基本上相同的转矩反向旋转。实际上，在向熔融金属25施予沿一个方向的最大转动速度所需的周期过去之后，通过改变搅拌方向便可适当地实现反向。一次反向与下次反向之间的周期所持续的时间可根据炉子设备的已知量、如炉子容器的几何尺寸、熔融金属的质量及磁场特性来预先确定。
为了以较高的生产率给熔融金属25施加磁搅拌器场，应使炉子容器的壁21靠近侧搅拌器4，24，24a，24b，24c，34，34a和34b，从而使至少那些在所施加的搅拌器场中能在熔融金属25内进行所需搅拌的磁场强度分量可以以较小的损失和较小的阻尼穿过壁21。在本发明的一个实施例中，这可通过在侧部搅拌器4，24，24a，24b，24c，34，34a和34b的附近设置非磁性材料210的炉子容器壁21来实现。在图1中所示的炉子设备中，可通过在侧部搅拌器4，24，24a，24b，24c，34，34a和34b附近的炉子容器的金属壳体上设置一个非磁性不锈钢的窗口210来实现。
权利要求
1.一种炉子设备，它至少包括-至少一个用于熔融金属和固态金属的炉子容器(2)，它具有侧壁(21)和炉底(22)，-至少一个通过辐射和对流加热所述炉子容器内的熔融金属和/或固态金属的加热器(31)，-至少一个设置在炉子容器壁(21)内或壁(21)附近的双相或多相电磁侧部搅拌器(4，24，24a，24b，24c，34，34a，34b)，该侧部搅拌器作用在整个所述壁上并将搅拌器场施加到炉子容器内的熔融金属上，其特征在于，电磁侧部搅拌器包括至少两个设置在一铁芯周围的相位绕组；并且该铁芯具有垂直高度H，该高度H基本上覆盖了炉底与炉子容器内最大熔池深度处的熔融金属上表面之间的区域Dmax；并且侧部搅拌器具有极距τ，该极距大于从铁芯至熔融金属之间距离的2倍，即τ＞2dw。
2.按照权利要求1的炉子设备，其特征在于所述铁芯的垂直高度H为从铁芯至熔融金属之间距离的1至3倍，即dw＜H＜3dw。
3.按照权利要求1或2的炉子设备，其特征在于所述侧部搅拌器(4，24，24a，24b，24c，34，34a，34b)的极距τ在从铁芯至熔融金属之间距离的2.5至5倍的区间内，即2.5dw＜τ＜5dw。
4.按照前述权利要求中任何一项的炉子设备，其特征在于所述侧部搅拌器(4，24，24a，24b，24c，34，34a，34b)适合于将频率为0.25至2.0Hz的磁性搅拌器场、磁性交变场施加给熔融金属。
5.按照前述权利要求中任何一顶的炉子设备，其特征在于所述侧部搅拌器(4，24，24a，24b，24c，34，34a，34b)适合于将周期性反向的磁性搅拌器场施加给熔融金属。
6.按照前述权利要求中任何一项的炉子设备，其特征在于靠近所述侧部搅拌器(4，24，24a，24b，24c，34，34a，34b)的炉子容器的壁(21)被设置成至少使那些在搅拌器场内由侧部搅拌器施加给熔融金属以便在熔融金属内形成所需循环的磁场强分量以较小的损失和较小的阻尼穿过壁。
7.按照权利要求6的炉子设备，其特征在于所述侧部搅拌器(4，24，24a，24b，24c，34，34a，34b)附近的炉子容器壁采用了非磁性材料(210)。
8.按照权利要求6的炉子设备，其特征在于炉子容器的壁(21)包括一层磁性材料，至少一个由通过直流的线圈或至少一个永久磁铁适合于施加定向磁场，以便作用到壁内的磁性材料上并在部分所述壁内沿某一个方向、即饱和方向达到各向异性的磁饱和，该方向基本上处在壁的平面上并基本上平行于所需的搅拌方向，因而低频磁传播交变场具有若干磁场强度分量，它们处在平行于所述饱和方向并且垂直于壁所在平面的平面上，该低频磁搅拌器场以较小的损失和较小的阻尼穿过壁的饱和部分，并且在铝液内产生磁交变场形式的搅拌器场，该场的各分量基本上平行于并垂直于饱和方向。
全文摘要
一种炉子设备,它包括至少一个具有侧壁(21)和炉底(22)的炉子容器(2)以及至少一个通过辐射和对流加热所述炉子容器内的熔融金属和/或固态金属的热源(31)。至少一个双相或多相电磁侧部搅拌器(4,24,24a,24b,24c,34,34a,34b)设置在炉子容器壁(21)内或壁(21)附近,以作用在整个该壁上并将搅拌器场施加到熔融金属上。侧部搅拌器包括至少两个设置在一铁芯周围的相位绕组,该铁芯具有垂直高度H,该高度H基本上覆盖了炉底与炉子容器内最大熔池深度处的熔融金属上表面之间的区域D
文档编号F27D3/00GK1187878SQ9619474
公开日1998年7月15日 申请日期1996年4月24日 优先权日1995年4月25日
发明者M·艾德姆, P·亨里克森, L·卡尔森, L·诺尔得维斯特, P·奥斯卡尔森, G·瑟尔堡, G·塔尔贝克 申请人:瑞典通用电器勃朗勃威力公司