Индукционные печи

Принцип работы индукционных канальных печей

 
 
Принцип действия канальной печи состоит  в том, что переменный магнитный  поток Ф пронизывает замкнутый  контур, представляющий собой кольцо из жидкого металла, и индуктирует  в этом кольце ЭДС. Электрический  ток I2 проходит по жидкому металлу, разогревая его. Переменный магнитный  поток создается первичной катушкой, в которой течет ток I1; и которую  подключают к сети переменного. тока промышленной частоты (50 Гц), напряжение U1. Для усиления магнитного потока, создаваемого катушкой, применяют замкнутый магнитопровод из трансформаторной стали с = 1500 2000 (рис. 2). 
 
Рисунок 2- Принципиальная схема индукционной канальной печи: 
 
1- ванна печи; 2- канал; 3- магнитопровод; 4-первичная катушка 
Кольцо жидкого металла окружено со всех сторон огнеупорным материалом, заключенным в стальной корпус. Пространство в огнеупорном материале, которое заполняется жидким металлом, имеет форму изогнутого канала. Наличие канала является характерной особенностью печей этого типа. Рабочее пространство печи соединено с каналом двумя отверстиями, поэтому при ее заполнении жидким металлом образуется замкнутый контур. Если в печи нет металла или его недостаточно для образования замкнутого контура, то она работать не может. В этом случае при подаче напряжения на первичную катушку в канале, являющемся вторичной катушкой, создаются вихревое электрическое поле и соответствующая ЭДС. Однако из-за того, что в канале нет металла, его электрическое сопротивление велико и ток в нем не протекает. При разомкнутом вторичном контуре в первичной катушке протекает ток небольшой силы, необходимый для намагничивания магнитопровода и называемый током холостого хода. ЭДС, создаваемая в канале, в W раз меньше напряжения, подводимого к первичной катушке (W — число витков катушки). Сила тока, протекающего по каналу при определенной ЭДС, зависит от полного сопротивления канала, равного геометрической сумме активного и реактивного сопротивлений канала. 
 
При протекании тока вокруг канала создается магнитное поле. Чем больше мощность этого поля, тем больше реактивная мощность печи и тем меньше cos . Направление магнитного потока поля канала противоположно направлению магнитного потока магнитопровода. Для уменьшения размагничивающего влияния магнитного потока канала на магнитный поток магнитопровода канал располагают вокруг той части магнитопровода, на которой находится первичная катушка. Расстояние от канала до катушки выбирают минимальным для уменьшения магнитного поля канала. 
 
Температура металла в канале на 100-150° С температуры металла в ванне печи, поэтому горячий металл из канала поднимается в ванну, а из нее в канал поступает более холодный металл. Жидкий металл в печи движется и вследствие воздействия магнитного поля. Электродинамические силы стремятся сжать и вытолкнуть металл, из канала. Чем больше индуцированный ток, тем большая электродинамическая сила воздействует на металл. При небольшом уровне металла в ванне может произойти его сжатие, при этом столб металла в канале разрывается, а металл из него выталкивается. Печь отключается из-за разрыва электрического контура, создаваемого жидким металлом в канале. 
 
В канальных печах всегда должно находиться определенное количество жидкого металла. Это количество определяют исходя из того, чтобы масса столба жидкого металла над каналом превышала электродинамическую силу, выталкивающую металл из канала. 
 
В канальных печах могут быть ванны различных форм. Металл выдают из печи поворотом или наклоном ванны, а в некоторых случаях созданием избыточного давления газа над уровнем металла в ванне. Для этого печь выполняют герметичной, и в нее подают воздух или инертный газ. Под давлением газа уровень металла в ванне снижается, и нужное его количество вытекает из печи по сифонному желобу.

Достоинства и  недостатки 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 усилия-ми. Циркуляция способствует также ускорению процесса плавки. 
 
К основным недостаткам индукционных канальных печей относятся: 
 
1. Тяжелые условия работы футеровки канала – подового камня. Стойкость этой футеровки снижается при повышении температуры расплава, при плавке сплавов, содержащих химически активные компоненты (например, бронзы, имеющие в своем составе олово и свинец). Затруднена плавка в этих печах также низкосортной, загрязненной шихты – вследствие зарастания каналов. 
 
2. Необходимость постоянно (даже при длительных перерывах в работе) держать в печи сравнительно большое количество расплавленного металла. Полный слив металла ведет к резкому охлаждению футеровки каналов и к ее растрескиванию. По этой причине невозможен также быстрый переход с одной марки выплавляемого сплава на другую. В этом случае приходится проводить ряд балластных переходных плавок. Постепенной загрузкой новой шихты меняют состав сплава от исходного до требуемого. 
 
3. Шлак на поверхности ванны имеет низкую температуру. Это затрудняет проведение нужных металлургических операций между металлом и шлаком. По этой же причине, а также ввиду малой циркуляции расплава вблизи поверхности затруднено расплавление стружки и легкого скрапа. 
Индукционные тигельные печи: достоинства, недостатки, классификация

По конструкции  печи выполняются открытыми —  для плавки металлов и сплавов в воздушной атмосфере и герметически закрытыми—для плавки в вакууме или в среде  нейтральных  газов   (вакуумно-компрессионные, печи).

Индукционные тигельные  печи получили распространение в основном для выплавки высококачественных сталей и чугунов специальных марок, т. е. сплавов на основе железа, так как при плавке черных металлов тигельные печи имеют более высокий КПД, чем при плавке цветных металлов. Несмотря на это, индукционные тигельные печи в настоящее время получают все большее развитие и для выплавки цветных металлов и сплавов благодаря другим преимуществам, которые оказываются решающими при выборе типа печи.

Тигельная печь применяется для  плавления различных металлов и  сплавов. Схема тигельной печи может  включать индукционный нагрев, когда  нагревание тел осуществляется благодаря  тепловому воздействию на них  электрического тока. Ток, который находится  в нагреваемом теле, называется наведенным или индуцированным. Индукционные тигельные  печи являются довольно сложными устройствами, которые состоят из каркаса, индуктора, вакуумной системы, нагревательная и плавильная камера, механизмы, позволяющие  наклонять печь, перемещая расплавленные  и нагретые металлы. В большинстве  случаев индукционные тигельные  плавильные печи имеют цилиндрическую форму и производятся из огнеупорных  материалов.  
 
 Индукционная тигельная печь, как и другие тигельные плавильные печи имеют ряд преимуществ, основными из которых являются: 
1) Энергия выделяется в загрузке, что не требует промежуточных нагревательных устройств. 
2) Металлы в тигельных печах плавятся быстро, что обеспечивается равномерным распределением температуры и полным исключением местных перегревов. Благодаря данному преимуществу тигельные печи могут использоваться для получения многокомпонентных и однородных сплавов.  
3) Возможность создания в плавильной тигельной печи окислительной, нейтральной и восстановительной атмосферы независимо от давления.

4) Тигельные печи характеризуются  высокой производительностью вследствие  высокой удельной мощности. 
5) Металл из тигля сливается полностью. 
6) Тигельные печи, в том числе и газовая тигельная печь, оптимальны для периодической работы, то есть они функционируют в полную силу даже при перерывах между плавками, при этом можно легко переходить с одной марки сплава на другую.  
7) Тигельные печи удобны и просты в обслуживании, управлении. Эксплуатация может быть как механической, так и автоматической.  
8) Тигельные печи обеспечивают гигиеничность процесса плавления, а ущерб окружающей среде минимальный. 
 
 Недостатков у тигельных печей очень мало, и они просто ничтожны по сравнению с преимуществами. Благодаря этому тигельные плавильные печи широко применяются в различных промышленных отраслях. Недостатками являются: относительно низкая температура шлаков; вспучивание поверхности расплавленного металла (мениск) из-за больших электродинамических сил, возникающих в расплаве; необходимость для печей малой и средней емкости источников питания высокой и средней частоты. 
 Не менее важным преимуществом является еще и широкое разнообразие моделей тигельных печей, которые можно классифицировать по нескольким параметрам. Тигельные печи могут быть открытыми, когда плавка происходит на воздухе, вакуумными – плавление осуществляется в вакууме, компрессорными, когда плавка производится вследствие высокого давления. Существуют модели тигельных печей, которые могут работать непрерывно, периодически и полунепрерывно. В зависимости от тигля различают тигельные печи с керамическим, холодным металлическим, проводящим металлическим и проводящим графитовым тиглем. По своей конструкции плавильные тигельные печи могут быть стационарные и опрокидывающиеся.

Принцип работы печи.

Принцип работы печи основан на поглощении электромагнитной энергии материалом загрузки, размещенной в тигле печи. Нагрев и расплавление металлической шихты происходят вследствие наведения электрического .. тока путем электромагнитной индукции от магнитного поля, создаваемого индуктором, подключенным к источнику переменной ЭДС. При прохождении тока в кусках шихты происходит разогрев их до оплавления и образования жидкой ванны. При получении жидкой ванны наибольшая плотность тока имеет место на периферии металлической загрузки в слое, прилегающем к стенкам тигля, а наименьшая — в центральной пасти загрузки. Почти вся поглощаемая энергия выделяется в слое. металла, толщина которого равна глубине проникновения тока А_Э|Гор. Выделение энергии зависит от частоты тока, геометрических соотношений диаметра тигля и диаметра индуктора, размеров и электрофизических свойств шихтового материала. Поскольку при изменении температуры изменяются как геометрические размеры сплавляемых друг с другом кусков металла, так и их магнитная проницаемость и удельное электрическое сопротивление, то частота тока выбирается из условий оптимального режима плавки, при которых процесс расплавления идет наиболее быстро.

  При ведении плавки большую роль играет циркуляция расплавленного металла в ванне печи, которая возникает от электродинамических усилий при взаимодействии токов в индукторе и металле. Направления этих токов противоположны друг другу, и возникают силы, которые приводят к выдавливанию металла от стенок тигля к центру; в результате поверхность ванны расплавленного металла в центре вспучивается и металл находится в состоянии непрерывного движения. Циркуляция металла способствует ускорению химических процессов между компонентами расплава и шлаком и выравниванию состава расплава. Для уменьшения высоты мениска и уменьшения количества шлака для покрытия поверхности ванны центр катушки индуктора сдвигают вниз по отношению к центру металла в тигле печи таким образом, чтобы верхний виток катушки был ниже уровня зеркала металла на 100—200 мм. Особенно большой сдвиг делают в печах промышленной частоты, где циркуляция металла наиболее интенсивна.

Конструкция основных элементов тигельных  печей.

Рассмотрим  конструкцию основных элементов  тигельных печей.

Индуктор выполняют из медной водоохлаждаемой трубки круглого, квадратного или прямоугольного сечения. Толщина стенок трубок ∆_и не должна быть меньше 1,ЗД_Э,_И, где ∆_и — глубина проникновения тока в медь при рабочей частоте печи. Ниже приводятся рекомендуемые толщины трубок в зависимости от частоты питающего тока:

f, Гц   .  .     50           500  1000           2500       4000      8000     70000

∆_и,  мм  .  . 13—20  3,5—6   2,5—4,5     2—4      2—3    1,5—2  0,8—2

Для печей промышленной частоты 50 Гц индуктор выполняют из неравностенных трубок, утолщенная сторона которых должна быть направлена к тиглю с металлом. Размеры сечений трубок следующие:

Обычно индукторы  выполняют однослойными из нескольких катушек, имеющих раздельное водяное  охлаждение. При необходимости увеличения высоты витка индуктора либо выполняют намотку из двух спаянных между собой трубок, либо делают две параллельно соединенные катушки, установленные одна под другой по высоте тигля.

В последнем случае катушки выполняются: одна — левой, а другая — правой намотки, т. е. чтобы катушки имели согласное включение при подсоединении их к источнику питания. Токоподводы подключают к виткам в центральной части индуктора и к параллельно соединенным крайним виткам (нижнему и верхнему виткам) индуктора.

Вода для охлаждения секций индуктора должна подаваться через гибкие резинотканевые шланги достаточной длины для обеспечения поворота печи. Температура входящей воды не должна быть ниже 10° С во избежа^: ние отпотевания индуктора, а выходящей — не выше 50° С, так как при более высокой температуре происходит отложение солей на стенках трубки, что приводит к уменьшению сечения отверстия для прохода воды. Систему водоохлаждения рассчитывают так, чтобы падение давления в каждой из секций индуктора не превышало 2 кПа. Электропечи большой мощности (для плавки никеля, чугуна) и емкости имеют до 10—16 секций водоохлаждения. Для контроля температуры воды и давления устанавливают электроконтактные термометры и реле давления, а также реле протока, обеспечивающие своевременную сигнализацию и отключение установки при нарушении охлаждения.

  Крепление витков индуктора может быть выполнено либо с помощью припаянных шпилек, закрепленных в деревянных стойках в четырех диаметрально противоположных местах по окружности витка индуктора, либо стяжками (с изоляцией витков с помощью многослойной изоляционной ленты или изоляционных прокладок), а также путем заливки жаростойким бетоном. Индукторы, изготовленные последним способом, являются вибростойкими, хорошо противостоят электродинамическим усилиям и механическим воздействиям при наклоне печи, но в случае пробоя изоляции не могут быть отремонтированы и подлежат полной замене.

  Токоподводы к индуктору осуществляют шинопроводами с разъемным соединением в виде контактного ножа и губок или гибким водоохлаждаемым кабелем. Для уменьшения сечения жил кабель помещают в водоохлаждаемый рукав. Сечение шинопроводов выбирают с учетом поверхностного эффекта.