Индукционная канальная печь для плавки алюминия

      Индукционная  канальная печь имеет следующие  отличия от силовых трансформаторов:

      1) вторичная обмотка совмещена  с нагрузкой и имеет только  один виток N2, с относительно малой высотой по сравнению с высотой первичной обмотки с числом витков N1 (рис. 1.2);

      2) вторичный виток – канал находится  от индуктора на относительно  большом расстоянии, так как отделен от него не только электрической, но и тепловой изоляцией (воздушным зазором и футеровкой). В связи с этим магнитные потоки рассеяния индуктора и канала значительно превышают потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток обычного силового трансформатора той же мощностью, поэтому значения реактивных сопротивлений рассеяния индукционной канальной печи выше, чем у трансформатора. Это, в свою очередь, приводит к тому, что энергетические показатели индукционной канальной печи – это электрический коэффициент полезного действия и коэффициент мощности – заметно ниже, чем у обычного трансформатора. 
 
 

      1.2 Конструкция индукционных канальных  печей 

      При большом разнообразии типов индукционных канальных печей основные конструктивные узлы являются общими для них всех: футеровка, трансформатор печи, корпус, вентиляционная установка, механизм наклона (рис. 1.3). 

      

      Рисунок 1.3 Индукционная канальная печь:

      1- кожух; 2 - механизм поворота: 3 - футеровка; 4 - индукционная единица; 5- воздушное    охлаждение футеровки канальной части; 6 - подвод тока и воды к индукторам.

Трансформатор печи

      Схема трансформатора печи, элементами которого являются: магнитопровод, индуктор, канал, определяется конструкцией печи.

      Печь  с одной индукционной единицей имеет  однофазный трансформатор с броневым магнитопроводом. Широко применяются также трансформаторы со стержневыми магнитопроводами. Напряжение на первичную обмотку (индуктор) подается от питающего автотрансформатора с большим числом ступеней напряжения, что позволяет регулировать мощность печи. Автотрансформатор включается на линейное напряжение цеховой сети обычно без симметрирующего устройства, поскольку мощность однофазных печей относительно невелика.

      Магнитопровод трансформатора печи изготовляется из листовой электротехнической стали, ярмо выполняется съемным из-за регулярной сборки и разборки. Форма поперечного сечения стержня при небольшой мощности трансформатора – квадратная или прямоугольная, а при значительной мощности – крестообразная или ступенчатая.

      Индуктор представляет собой выполненную из медного провода спиральную катушку. Как правило, катушка индуктора имеет круглое поперечное сечение. Однако в печах, имеющих прямоугольный контур плавильного канала, катушка индуктора может повторять его форму. Полученный из электрического расчета диаметр индуктора определяет размеры располагаемого внутри него сердечника.

      Печной  трансформатор работает в тяжелых  температурных условиях. Он нагревается  не только за счет электрических потерь в меди и стали, как обычный трансформатор, но и за счет тепловых потерь через футеровку плавильного канала. Поэтому всегда применятся форсированное охлаждение печного трансформатора.

      Индуктор  канальной печи имеет принудительное воздушное или водяное охлаждение. При воздушном охлаждении индуктор изготовлен из медного обмоточного провода прямоугольного сечения, средняя плотность тока составляет 2,5 – 4 А/мм². При водяном охлаждении – из профилированной медной трубки, желательно неравностенной, с толщиной рабочей стенки (обращенной к каналу) 10 – 15 мм. Средняя плотность тока достигает 15 А/мм². Индуктор, как правило, выполняется однослойным, в редких случаях – двухслойным. Последний значительно сложнее конструктивно и имеет более низкий коэффициент мощности.

Корпус  печи

      Обычно  корпус печи состоит из каркаса, кожуха ванны и кожуха индукционной единицы. Кожух ванны у печей малой емкости, а у барабанных печей также и значительной мощности, может быть выполнен достаточно прочным и жестким, что позволяет отказаться от каркаса. Конструкции и крепления корпуса должны быть рассчитаны на нагрузки, возникающие при наклоне печи, чтобы обеспечивать необходимую жесткость в наклоненном положении.

      Каркас  изготовляется из стальных фасонных балок. Цапфы оси наклона опираются  на подшипники, смонтированные на опорах, установленных на фундаменте. Кожух ванны изготовляется из листовой стали толщиной 6 –15 мм и снабжается ребрами жесткости.

      Кожух индукционной единицы служит для  соединения подового камня и печного  трансформатора печи в единый конструктивный элемент. Двухкамерные печи не имею отдельного кожуха индукционной единицы, он составляет у них одно целое с кожухом ванны. Кожух индукционной единицы охватывает индуктор, поэтому для уменьшения потерь на вихревые токи он делается составным из двух половин с изолирующей прокладкой между ними. Стяжка производится болтами, снабженными изолирующими втулками и шайбами. Таким же образом кожух индукционной единицы крепится к кожуху ванны.

      Кожухи  индукционных единиц могут быть литыми или сварными, часто имеют ребра жесткости. В качестве материала для кожухов предпочтительнее использовать немагнитные сплавы. Двухкамерные печи имеют один общий кожух ванны и индукционной единицы.

Вентиляционная  установка

      В печах небольшой емкости, не имеющих  водяного охлаждения, вентиляционная установка служит для отвода тепла от индуктора и поверхности проема подового камня, нагреваемой за счет теплопроводности от расплавленного металла в близко расположенных каналах. Применение водоохлаждаемого индуктора не освобождает от необходимости вентилировать проем подового камня во избежание перегрева его поверхности. Хотя современные съемные индукционные единицы имеют не только водоохлаждаемые индукторы, но и водяное охлаждение кожухов и проемов, вентиляционная, установка является обязательным элементом оборудования канальной печи.

Механизм  наклона

      Канальные печи малой емкости (до 150 – 200 кг) снабжаются обычно механизмом наклона с ручным приводом, ось наклона проходит вблизи центра тяжести печи.

      Крупные печи оборудуются механизмами наклона  с гидравлическим приводом. Ось наклона располагается у сливного носка.

      Наклон  барабанных печей осуществляется путем  поворота вокруг оси, параллельной продольной оси ванны. При вертикальном положении  печи леточное отверстие находится выше уровня жидкого металла, при повороте печи на катках оно оказывается под зеркалом ванны. Положение летки относительно ковша в процессе слива металла не изменяется, поскольку летка располагается в центре опорного диска, на оси поворота.

      Механизм  наклона любого типа должен обеспечивать слив всего металла из печи.

      Футеровка канальной печи является одним из основных и ответственных элементов, от которого зависят многие технико-экономические показатели, производительность и надежность ее работы. К футеровке ванны печи и индукционным единицам (подовому камню) предъявляются разные требования. Футеровка ванны должна иметь высокую стойкость и длительный срок службы, так как стоимость футеровочных материалов высока, а время, необходимое для ее замены и сушки, может составлять несколько недель. Кроме того, футеровка ванны печи должна иметь хорошие теплоизоляционные свойства, с тем, чтобы повысить тепловой КПД печи.

      Материалы, применяемые для футеровки ванны, должны обладать постоянством объема при обжиге и иметь минимальный температурный коэффициент расширения при нагреве, чтобы исключить возможность возникновения опасных термических и механических напряжений.

      Огнеупорный слой футеровки ванны должен противостоять  высоким термическим, химическим и  механическим нагрузкам. Огнеупорные  материалы, применяемые для этой цели, должны обладать высокой плотностью, огнеупорностью, шлакоустойчивостью, термической стойкостью и иметь высокую механическую прочность.

      Для правильного выбора и эффективного использования огнеупорного материала  в конкретных печах необходимо детально знать, с одной стороны, все важнейшие  свойства материала, а с другой стороны - условия службы футеровки.

      Согласно  классификации все огнеупорные  изделия подразделяются еще по следующим  признакам:

      1) по степени огнеупорности на  огнеупорные (от 1580 до 1770 °С), высокоогнеупорные (от 1770 до 2000 °С) и высшей огнеупорности (выше 2000°С);

      2) по форме, размерам на нормальный  кирпич «прямой» и «клиновой», фасонные изделия простые, сложные,  особо сложные, крупноблочные  и монолитные огнеупорные бетоны, которые одновременно являются безобжиговыми огнеупорами;

      3) по способу изготовления на  изделия, полученные пластичным  формованием (прессованием), полусухим прессованием, трамбованием из порошкообразных непластичных сухих и полусухих масс, литьем из шликера и расплава, вибрированием из огнеупорных бетонов, выпиливанием из плавленых блоков и горных пород;

      4) по характеру термической обработки  на безобжиговые, обожженные и отлитые из расплава;

      5) по характеру их пористости (плотности)  особо плотные, спекшиеся с  пористостью менее 3 %, высокоплотные  с пористостью  3 – 10 %, плотные с пористостью 10 – 20 %, обычные с пористостью 20 – 30 %, легковесные, теплоизоляционные с пористостью 45 – 85 %.

 

       2. НАЗНАЧЕНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ КАНАЛЬНЫХ  ПЕЧЕЙ 

      Индукционные  канальные печи в основном используются для плавки цветных металлов (медь и сплавы на медной основе – латуни, бронзы, нейзильберы, мельхиоры, куниали; цинк; алюминий и их сплавы) и чугуна, а также в качестве миксеров для тех же металлов. Использование индукционных канальных печей для плавки стали, ограничивается из-за недостаточной стойкости футеровки.

      Наличие в индукционных канальных печах  электродинамического и теплового движения расплавленного металла или сплава обеспечивает однородность химического состава и равномерность температуры расплавленного металла или сплава в ванне печи.

      Индукционные  канальные печи рекомендуется использовать в тех случаях, когда к выплавляемому металлу и полученным из него отливкам предъявляются высокие требования, в частности, по минимальным газонасыщенности и неметаллическим включениям.

      Индукционные  канальные миксеры предназначены  для перегрева жидкого металла, выравнивания состава, создания постоянных температурных условий литья и в ряде случаев для дозирования и регулирования скорости литья в кристаллизаторы литейных машин или в литейные формы.

      Шихта для индукционных канальных печей  должна приготовляться в соответствии с заданным составом выплавляемой марки  металла или сплава, должна быть сухой и состоять в основном из первичного чистого металла.

      Применение  канальных печей не рекомендуется  при использовании загрязненной вторичной шихты, использовании стружки, особенно при выплавки алюминиевых сплавов, а также при выплавке всевозможных лигатур и сплавов на медной основе, содержащих свинец и олово, так как при этом резко снижается срок службы футеровки, и эксплуатация канальных печей становится затруднительной.

 

       3. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ИНДУКЦИОННЫХ

      КАНАЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

 

    К основным достоинствам индукционных канальных  печей можно отнести:

      1. Минимальный угар (окисление) и испарение металла, так как нагрев происходит снизу. К наиболее нагретой части расплава, находящейся в каналах, нет доступа воздуха, а поверхность металла в ванне имеет сравнительно низкую температуру.

      2. Малый расход энергии на расплавление, перегрев и выдержку металла. Канальная печь имеет высокий электрический КПД благодаря использованию замкнутого магнитопровода.

      В то же время высок и тепловой КПД  печи, так как основная масса расплава находится в ванне, имеющей толстую теплоизолирующую футеровку.

      3. Однородность химического состава металла в ванне благодаря циркуляции расплава, обусловленной электродинамическими и тепловыми усилиями. Циркуляция способствует также ускорению процесса плавки.