Трехфазный электромагнитный реактор

(51) 05 7/22 (2006.01) 05 7/18 (2006.01) 05 7/08 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Лтка может быть изготовлена из неэлектропроводного материала и закреплена в токопроводящую обойму, на которую и замыкаются пульсирующие токи, протекающие от концов силовых электродов. Угол наклона силовых стержневых электродов относительно оси камеры составляет 7,59,5, что ускоряет время образования первоначальной линзы расплава во время розжига реактора при опущенных электродах и определяет их оптимальное положение в рабочем режиме, когда концы электродов подняты в район плоскости лежащей поперк камеры выше середины полюсов электромагнита. Предлагается форма реакционной камеры, в е поперечном сечении имеющей неравносторонний шестиугольник с коэффициентом соотношения сторон 2,53,5, что позволяет сблизить три полюса электромагнита и усилить величину индукции магнитного поля при максимальном расстоянии между электродами, а также увеличить напряжение между электродами и тем самым снизить рабочие токи основного источника при заданной мощности,при этом мощность трхфазной системы определяется, как Р 3 кВт. Также предлагается электропитание основного источника от сети 0,4 кВ через разделительный трансформатор 0,4/0,4 кВ,а питание дополнительного источника от той же сети, но через понижающий разделительный трансформатор. В варианте исполнения по оси реакционной камеры расположен дополнительный стержневой электрод с механизмом его осевого перемещения,расположенным на крышке реактора, который служит для затвора лтки и е косвенного прогрева во время розжига реактора. Предлагается надежно работающий по схеме электропитания от двух регулируемых источников питания для плавки и переработки минерального сырья с электромагнитным перемешиванием расплава по всей зоне нагрева реакционной камеры с повышенным КПД и реализации возможности стабилизации необходимой температуры выпускаемой струи расплава продукта через лтку реактора.(72) Лукьященко Валерий Григорьевич Мессерле Владимир Ефремович Акназаров Сестагер Хусаинович Мансуров Зулхаир Аймухаметович Устименко Александр Бориславович Умбеткалиев Куаныш Аскарович Шевченко Виктор Николаевич(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт проблем горения Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан(57) Изобретение относится к электротермии для плавки и переработки минеральных сыпучих веществ и может использоваться, в частности, для плавления базальтовых и диабазовых пород с целью получения в последующем из струи расплава минерального базальтового волокна путм раздува,а также для переработки монохроматного шлама токсичных отходов хромового производства. Предложенный трехфазный электромагнитный реактор содержит реакционную камеру с размещнными в ней наклонно е оси, по меньшей мере, тремя силовыми стержневыми электродами,боковые стенки камеры, дно и крышку, с размещнными на ней механизмами перемещения электродов и устройств ввода перерабатываемого материала, лтку выпуска расплава, расположенную снизу по оси камеры, охваченную трхполюсным электромагнитом с обмотками, соединнными последовательно с электродами к основному трхфазному регулируемому источнику силового электропитания переменного тока и дополнительный трехфазный источник питания с разделительным трансформатором. Дополнительный трехфазный источник питания выполнен в виде однополупериодного выпрямителя,три выхода которого соединены с тремя силовыми электродами синфазно по отношению к схеме электропитания основного источника,его электропитание осуществляется от разделительного трансформатора, обмотки которого соединены звездой, а нулевая точка вторичной обмотки соединена с обоймой лтки выпуска расплава. Изобретение относится к электротермии для плавки и переработки минеральных сыпучих веществ и может использоваться, в частности, для плавления базальтовых и диабазовых пород с целью получения в последующем из струи расплава минерального базальтового волокна путм раздува,а также для переработки монохроматного шлама токсичных отходов хромового производства. Известен электромагнитный технологический реактор и способ его пуска (Патент 2225685 РФ,МПК Н 05 В 7/22, опубл. 10.03.2004 г.), содержащий реакционную камеру, имеющую боковые стенки,дно и крышку, устройство для выпуска расплава,расположенное выше дна камеры, устройство для ввода перерабатываемых материалов,три стержневых электрода, размещенных в реакционной камере, электромагнит с сериесными обмотками,охватывающий по периметру реакционную камеру,трехфазный тиристорный регулятор, работающий в режиме источника тока, подключенный через обмотки электромагнита к стержневым электродам. Мощность данного реактора задается трехфазным тиристорным регулятором переменного тока. Благодаря перемешиванию расплава в результате взаимодействия токов проводимости,протекающих по расплаву между электродами, с поперечным магнитным полем, создаваемым трехполюсным электромагнитом с обмотками,обеспечивается увеличение скорости нагрева перерабатываемого материала, и создаются условия для улучшения однородности расплава. Но при установившемся режиме работы указанного реактора максимальная температура расплава будет непосредственно вокруг стержневых электродов, а в области ввода струи расплава через летку температура расплава недостаточна. Это объясняется повышенным падением напряжения и большим выделением тепловой энергии на границе электрод - расплав. Известен также электромагнитный технологический реактор (варианты) и стержневой электрод, используемый в реакторе (Патент 18229 РК, МПК Н 05 В 7/20, МПК Н 05 В 7/08, опубл. 16.05.2011 г.,бюл. 1). Он содержит металлическую реакционную камеру с боковыми стенками, дном и крышкой, по меньшей мере, одно устройство для ввода перерабатываемого материала,устройство для выпуска расплава, по крайней мере,три стержневых электрода, размещенных в реакционной камере, охватывающий реакционную камеру электромагнит с обмотками, соединенными последовательно с электродами с трехфазным тиристорным регулятором переменного тока,подключенным к сети питания, и трехфазный управляемый выпрямитель, подключенный к сети питания, один из выходов которого соединен со стержневыми электродами через развязывающие диоды. Отличие заявляемого реактора заключается в том, что он снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным электродом, установленным в нижней части реакционной камеры и соединенным со вторым выходом трехфазного управляемого выпрямителя. 2 В данном реакторе, кроме плавления в объме реакционной камеры при его электромагнитном перемешивании, предусмотрен прогрев донной части камеры с помощью дополнительного электрода, подключенного ко второму источнику питания постоянного тока, второй вывод которого включн через развязывающие диоды на силовые электроды. Расположение донного электрода не по оси камеры не обеспечивает требуемый прогрев лтки выпуска расплава минеральной части,расположенной в центре дна реактора. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является электродуговой реактор для переработки сыпучих материалов в волокно (Предварительный патент 11894 РК,МПК Н 05 В 7/20, опубл. 15.08.2002 г., бюл. 8),содержащий реакционную камеру, имеющую боковые стенки, дно и крышку, устройство для выпуска расплава с диафрагмой (лтку), устройство ввода перерабатываемых материалов,три стержневых электрода, размещенных в реакционной камере, снабженных устройством перемещения,охватывающий реакционную камеру трехполюсный электромагнит с обмотками, основной трехфазный регулируемый источник силового электропитания переменного тока, подключенный через обмотки электромагнита к стержневым электродам,управляемый тиристорный выпрямитель, один выход которого подключен к электродам через развязывающие диоды, а второй заземлен и имеет возможность подключения либо к диафрагме устройства для выпуска минеральной фазы, либо к раздувающему соплу. В варианте исполнения известного реактора диафрагма и сопло могут быть подключены к независимому источнику тока. В этом реакторе нагрев перерабатываемого материала определяется суммарным тепловыделением переменного тока, протекающего между тремя стержневыми электродами, и постоянного тока выпрямителя, протекающего от концов этих электродов по расплаву к диафрагме. Наличие двух источников тепла и электромагнитное перемешивание позволяет эффективно вести процесс плавки минеральных веществ и поддерживать оптимальный уровень температуры на выходе из реакционной камеры. Кроме того,благодаря управляемому тиристорному выпрямителю можно иметь достаточную по объему реакционную зону при погружении в расплав только концов электродов, что обеспечивает их износ с торца, а, следовательно, возможность подачи наращиваемых электродов без их замены. Одним из недостатков указанного электродугового реактора является ненаджность схемы электропитания дополнительного тиристорного выпрямителя. Как показали экспериментальные исследования подобного реактора в некоторых режимах при регулировании величины выпрямленного тока, протекающего через расплав от силовых электродов на диафрагму,тиристоры выпрямителя оставались полностью открытыми, что вело к неуправляемому режиму работы в этой цепи и резкому увеличению тока через диафрагму, что приводило к перегреву лтки и сбросу струи расплава при повышенных температурах. Это объясняется взаимовлиянием токов,протекающих по обмоткам обоих разделительных трансформаторов и по тиристорам двух источников питания, и при регулировании постоянного тока непрохождением токов тиристоров через 0. В основу изобретения положена задача создания трехфазного электромагнитного реактора для плавки минерального сырья с более наджной схемой его электропитания, исключающей выход работы источников питания в неуправляемый режим и улучшения электромагнитного перемешивания расплава в нижней части реакционной камеры вблизи лтки выпуска струи расплава. Технический результат - повышение наджности работы трехфазного электромагнитного реактора, а также создание возможности стабилизации значений температуры вытекающей струи, что в свою очередь ведт к улучшению качества конечного продукта. Для достижения технического результата трхфазный электромагнитный реактор,преимущественно для плавки и переработки сыпучих минеральных веществ, содержащий реакционную камеру с размещнными в ней наклонно е оси, по меньшей мере, тремя силовыми стержневыми электродами, боковые стенки камеры,дно и крышку, с размещнными на ней механизмами перемещения электродов и устройств ввода перерабатываемого материала, лтку выпуска расплава, расположенную снизу по оси камеры,охваченную трхполюсным электромагнитом с обмотками, соединнными последовательно с электродами к основному трхфазному регулируемому источнику силового электропитания переменного тока и дополнительный источник питания с разделительным трансформатором, но в отличие от известного дополнительный источник питания - трехфазный и выполнен в виде однополупериодного выпрямителя, три выхода которого соединены с тремя силовыми электродами синфазно по отношению к схеме электропитания основного источника,а электропитание дополнительного источника осуществлено от разделительного трансформатора, обмотки которого соединены звездой, а нулевая точка вторичной обмотки соединена с обоймой лтки выпуска расплава. Кроме того лтка выпуска расплава может быть выполнена из неэлектропроводного керамического материала и закреплена в токопроводящую обойму. В предпочтительном варианте угол наклона силовых электродов относительно оси камеры составляет 7,59,5. Преимущественно реакционная камера реактора в поперечном сечении имеет форму неравностороннего шестиугольника с коэффициентом соотношения сторон равным 2,53,5, причм силовые электроды расположены вблизи короткой стороны. Преимущественно электропитание основного источника осуществляется через разделительный трансформатор 0,4 на 0,4 кВ, а электропитание дополнительного источника - через понижающий разделительный трансформатор. Предпочтительно по вертикальной оси реакционной камеры расположен дополнительный стержневой электрод с его механизмом перемещения по оси, установленным на крышке реактора. На фиг.1 схематично изображн в разрезе предлагаемый трхфазный электромагнитный реактор на фиг.2 - схема электропитания реактора,схема направления рабочих токов в расплаве между силовыми электродами от основного источника питания ИП 1, токов в расплаве от силовых электродов на диафрагму от дополнительного ИП 2 и схема направления магнитных полей в реакционной камере между полюсами трхфазного электромагнита на фиг.3 показана фазировка рабочего тока (50 Гц), магнитного потока,создаваемого этим током и тока дополнительного ИП 2 на фиг.4 - форма реакционной камеры в поперечном сечении и расположение в ней трх рабочих и дополнительного электрода. Трхфазный электромагнитный реактор содержит металлическую реакционную камеру 1,имеющую боковые стенки 2, дно 3 и крышку 4,которые изолированы друг от друга изоляционными прокладками 5. Металлическая реакционная камера 1 выполнена из продольных взаимоизолированных водоохлаждаемых секций (не показано). По периметру реакционную камеру охватывает электромагнит 6, имеющий три полюса 7 с обмотками 8. Внутри реакционной камеры равномерно расположены три стержневых электрода 9,снабженные механизмами перемещения 10. На крышке 4 реакционной камеры выполнены устройства для ввода перерабатываемых материалов и патрубок вывода уходящих газов (не показаны). В нижней части камеры выполнено устройство для выпуска расплава с обоймой 12 и лткой 11. Обойма с лткой выпуска расплава выполняет роль подового электрода, и в зависимости от состава перерабатываемого сырья лтка 11 может быть как металлической, так и керамической. В этом случае роль подового электрода выполняет только токопроводящая обойма 12. Например, в восстановительной среде лтка 11 может быть изготовлена из нитрида бора, а в окислительной среде - из нитрида кремния. В качестве дозирующего устройства в устройстве для выпуска расплава может служить центральный электрод с механизмом перемещения,расположенным на крышке (не показан). Он может быть выполнен керамическим или графитовым. Электромагнитный реактор снабжен трехфазным тиристорным регулятором переменного тока 13 основным источником силового электропитания,который через соответствующие обмотки 8 полюсов электромагнита 6 подключен к трем стержневым электродам 9, а вход трехфазного источника питания переменного тока 13 подключен к сети 3 через разделительный трансформатор 14 с изолированной нейтралью с напряжением 0,4/0,4 кВ. Реактор также снабжн дополнительным трхфазным источником питания однополупериодным выпрямителем 15,подключенным к сети электропитания через разделительный трансформатор 16. Три выхода однополупериодного выпрямителя подключены к силовым электродам 9 синфазно по отношению к схеме электропитания основного трхфазного источника питания переменного тока 13, а нулевая точка вторичной трхфазной обмотки, соединнной звездой, разделительного трансформатора 16 соединена с обоймой 12 лтки выпуска расплава 11. Лтка выпуска расплава может быть изготовлена из электропроводного материала, например графита или силицированного графита, в этом случае она выполняет роль подового электрода. Если лтка керамическая и неэлектропроводная, то роль подового электрода выполняет электропроводная обойма 12 лтки 11. Трхфазный электромагнитный реактор работает следующим образом. Стержневые электроды 9 сводят в камере в области между полюсами электромагнита 6 в нижней их плоскости. Реакционная камера 1 засыпана чуть выше уровня нижних концов электродов 9 измельченным перерабатываемым материалом,например,базальтовой, диабазовой породой или другим перерабатываемым сырьм. На дисперсное сырь,между электродами, наносятся графитовые дорожки и подсыпается дополнительное сырье. Податся вода на все водоохлаждаемые узлы реактора,источников питания и всей установки в целом. Включается вентиляция. От сети питания через разделительный трансформатор 14, трехфазный источник питания переменного тока 13 и обмотки 8 электромагнита подается напряжение на стержневые электроды 9 с последующим их разведением и подсыпкой перерабатываемого материала через устройства для ввода перерабатываемого материала. Первоначальный нагрев материала осуществляется за счет токов,протекающих по графитовым дорожкам, между концами электродов 9. По мере увеличения линзы расплава стержневые электроды 9 закорачиваются расплавом, и последующий нагрев осуществляется токами проводимости через расплавленный материал. В дальнейшем расплавляется материал в нижней части реакционной камеры. При этом происходит замыкание цепи однополупериодного тока от управляемого трхфазного источника питания - однополупериодного выпрямителя 15 через слой расплава в ванне на лтку 11 или е обойму 12. После прогрева лтки до температуры плавления перерабатываемого сырья начинается истечение струи расплава. Для обеспечения непрерывного технологического процесса необходимо согласование количества подачи исходного сырья и количества расплава вытекающего из лтки. В рабочем режиме в результате взаимодействия токов, протекающих по 4 расплаву между силовыми электродами 9, с магнитным полем трхфазного электромагнита возникают силы, действующие на определнные области расплава,что обеспечивает его электромагнитное перемешивание и, как следствие,увеличивается скорость нагрева материалов,улучшается гомогенизация расплава и повышается его тепловой КПД. Кроме этого, движению расплава способствует вращающееся магнитное поле трхфазного электромагнита 6, охватывающего плавильную зону реакционной камеры 1. На фиг.2 изображена схема подключения основного и дополнительного питания к реактору,где показано направление протекания рабочих токов между силовыми электродами, дополнительных токовмежду силовыми электродами и лткой 11(обоймой лтки 12) и направление магнитных силовых линий поперечного магнитного поля (В) между полюсами 7 электромагнита. На фиг.3 показаны синусоиды рабочих и дополнительных токов и магнитного поля при условии полного открытия тиристоров источников питания 13 15 и без учта небольшого фазового сдвига, имеющегося в реальности. Трехфазный источник питания переменного тока 13 и однополупериодный выпрямитель 15 позволяют более рационально регулировать величины тепловыделения по всему рабочему объему реакционной камеры и обеспечивают необходимую стабильную температуру расплава на выходе. Наличие дополнительного источника питания обеспечивает протекание дополнительных однополупериодных токов от силовых электродов 9 через расплав к лтке 11. На эти токи в переменном,синфазно с ними магнитном поле, создаваемым трхфазным электромагнитом 6,действуют электромагнитные силы, направленные в ту же сторону, что и силы, создаваемые рабочими токами между силовыми электродами в том же магнитном поле. В результате сложения электродвижущих сил на области расплава, обтекаемыми этими токами от основного и дополнительного источников,перемешивание расплава в реакционной камере улучшается. При помощи изменения величины дополнительных токов возможно регулировать температуру в районе лтки не только за счт изменения вкладываемой мощности в расплав, но и за счт изменения степени электромагнитного перемешивания расплава,которая при е увеличении вовлекает новые порции перерабатываемого материала в зону расплава. Это ведт не только к возможности стабилизации температуры истекающей струи расплава из лтки,но и к увеличению производительности реактора. В варианте исполнения лтка 11 изготовлена из неэлектропроводного материала и закреплена в токопроводящую обойму 12, на которую и замыкаются пульсирующие токи, протекающие от концов силовых электродов. В этом случае роль подового электрода выполняет токопроводящая обойма 12 лтки 11. Угол наклона силовых стержневых электродов 9 относительно оси камеры предпочтительно составляет 7,59,5, что ускоряет время образования первоначальной линзы расплава во время розжига реактор при опущенных электродах и определяет их оптимальное положение в рабочем режиме, когда концы электродов подняты в район плоскости лежащей поперк камеры выше середины полюсов электромагнита 7. Форма реакционной камеры 1 в е поперечном сечении предпочтительно имеет вид неравностороннего шестиугольника фиг.4 с соотношением сторон 1/2 равным 2,53,5, что позволяет сблизить три полюса электромагнита и усилить величину индукции магнитного поля при максимальном расстоянии между электродами, что позволяет увеличить напряжение между электродами и тем самым снизить рабочие токи основного источника при заданной мощности, при этом мощность трхфазной системы определяется,как Р 3 кВт. Также предлагается электропитание основного источника от сети 0,4 кВ чрез разделительный трансформатор 0,4/0,4 кВ,а питание дополнительного источника от той же сети, но через понижающий разделительный трансформатор. Это обусловлено тем, что, как показали данные,полученные на экспериментальном трхфазном электромагнитном реакторе, требуемая мощность дополнительного источника питания 15 не превышает 20 от мощности, вводимой от основного источника 14. Эффект дополнительного перемешивания расплава в нижней зоне реакционной камеры 1 наиболее значителен при почти полностью открытых тиристорах источника питания 15, а это возможно при снижении напряжения питания источника 15 от разделительного трансформатора 16 до 80. В варианте исполнения по оси реакционной камеры расположен дополнительный стержневой электрод 17 (показанный на фиг.4) с механизмом его осевого перемещения, расположенным на крышке реактора, который служит для затвора лтки, е косвенного прогрева во время розжига реактора и регулирования расхода расплава через лтку. Таким образом,согласно изобретению,предлагается надежно работающий по схеме электропитания от двух регулируемых источников питания для плавки и переработки минерального сырья с электромагнитным перемешиванием расплава по всей зоне нагрева реакционной камеры с повышенным КПД и реализации возможности стабилизации необходимой температуры выпускаемой струи расплава продукта через лтку реактора. Зона активного тепловыделения, регулируемая дополнительным трехфазным источником питания полупериодным выпрямителем, находится между концами электродов и лткой. Вследствие сильной экспотенциальной зависимости вязкости расплава от его температуры, даже при электромагнитном перемешивании, в центре имеем более высокую температуру, определяемую тепловыделением от токов двух источников питания, при этом теплопотери в стенки реактора снижаются. Кроме этого, режим реактора по основному источнику питания можно держать на недогреве реактора, а догрев расплава до требуемых температур держать с помощью токов между концами электродов и лткой (обоймой лтки), это также ведет к снижению теплопотерь. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Трхфазный электромагнитный реактор,содержащий реакционную камеру с размещнными в ней наклонно е оси, по меньшей мере, тремя силовыми стержневыми электродами, боковые стенки камеры, дно и крышку, с размещнными на ней механизмами перемещения электродов и устройств ввода перерабатываемого материала,лтку выпуска расплава, расположенную снизу по оси камеры,охваченную трхполюсным электромагнитом с обмотками, соединнными последовательно с электродами к основному трхфазному регулируемому источнику силового электропитания переменного тока и дополнительный источник питания с разделительным трансформатором, отличающийся тем, что дополнительный источник питаниятрехфазный и выполнен в виде однополупериодного выпрямителя, три выхода которого соединены с тремя силовыми электродами синфазно по отношению к схеме электропитания основного источника, а электропитание дополнительного источника осуществлено от разделительного трансформатора, обмотки которого соединены звездой, а нулевая точка вторичной обмотки соединена с обоймой лтки выпуска расплава. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что лтка выполнена из неэлектропроводного керамического материала и закреплена в токопроводящую обойму. 3. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что угол наклона силовых электродов относительно оси камеры составляет 7,59,5. 4. Реактор по любому из п. 1-3, отличающийся тем, что реакционная камера реактора в поперечном сечении имеет форму неравностороннего шестиугольника с коэффициентом соотношения сторон равным 2,53,5, причм силовые электроды расположены вблизи короткой стороны. 5. Реактор по любому из п. 1-4, отличающийся тем, что электропитание основного источника осуществляется через разделительный трансформатор 0,4 на 0,4 кВ, а электропитание дополнительного источника - через понижающий разделительный трансформатор. 6. Реактор по любому из п. 1-5, отличающийся тем, что по вертикальной оси реакционной камеры расположен дополнительный стержневой электрод с его механизмом перемещения, установленным на крышке реактора.