Футеровку тигля, как правило, делают набивной, при плавке она спекается в монолит; на больших печах тигель иногда выкладывают из кирпичей. Воротник, т. е. футеровку выше верхнего витка индуктора, которая не может спекаться за счет тепла жидкого металла, делают из фасонных кирпичей (шамота, хромомагнезита) или из огнеупорных масс с повышенным количеством связующих. Сливной носок представляет собой фасонное изделие из шамота.

  Футеровка тигля должна обладать следующими свойствами: высокой огнеупорностью и шлакоустойчивостью; высокой термостойкостью, так как  при загрузке шихты она сильно охлаждается; высокой механической прочностью, чтобы выдерживать удары шихты при загрузке; минимальной толщиной, поскольку металл должен находиться как можно ближе к индуктору, т. е. в зоне наибольшей плотности индуктируемых токов.

  Футеровка может быть основной или кислой. Кислую, набивную футеровку изготовляют из дробленого кварцита (фракции размером менее 3,5 мм) или кварцевого песка с добавкой в качестве связующего борной кислоты (1,5—4 %) без увлажнения. Для основных тиглей применяют огнеупорные смеси разных составов, наиболее часто магнезитовый порошок; в качестве связки используют огнеупорную глину, жидкое стекло, плавиковый шпат, борную кислоту и др. Применяют как увлажненные, так и сухие смеси.

  Перед набивкой тигля внутреннюю поверхность  индуктора покрывают тонким изолирующим слоем, например, нанося специальную изоляционную обмазку с последующей обклейкой стеклолентой; иногда дополнительно укладывают теплоизоляционный слой из асбеста. На дно индуктора засыпают слой футеровочной массы, утрамбовывают ее и затем устанавливают на нее железный шаблон, наружные размеры которого соответствуют внутренним размерам тигля. В пространство между шаблоном и индуктором засыпают футеровочную смесь и уплотняют ее трамбовками. Затем выполняют воротник из фасонных кирпичей или специальных масс с повышенным количеством связующих. После окончания набивки футеровку сушат и спекают. Для этого, не вынимая шаблона, включают плавильную установку; тепло, выделяемое в шаблоне, нагревает футеровку. В зависимости от емкости тигля спекание длится от 1 до 4 ч для кислого тигля и от 2 до 10 ч для основного. 
 

    

      

 

   Окончательное спекание с расплавлением  шаблона происходит во время первой плавки. Спекание можно проводить, вставив  в тигель соответствующих размеров кусок графитового электрода. Тигли емкостью до 300 кг иногда набивают увлажненной массой в специальной разборной пресс-форме. После сушки на воздухе такой тигель устанавливают в индуктор на подовую плиту, а пространство между индуктором и тиглем засыпают мелким огнеупорным порошком.

  Стойкость кислых тиглей составляет 20—250 плавок. Основная футеровка обладает меньшей  термостойкостью и стойкость  основных тиглей значительно ниже (от 10 до 100 плавок; меньшая величина —  для печей большой емкости).

  Средний внутренний диаметр тигля D_т и высоту расплава h_р определяют исходя из заданной емкости печи (объема металла) с учетом того, что величина отношения h_р/D_т должна составлять 1,6—2,0 для 100-кг печи и снижаться при увеличении емкости (до 1,1—1,4 для 6-т печи). Толщину футеровки (м) в середине тигля определяют по формуле: b_ф ~ 0,08 √T, где T — емкость печи, т.

  Механизм  наклона предназначен для наклона  печи при сливе металла. Металл из тигля сливают через сливной  носок, поворачивая установленный  на двух цапфах каркас печи на угол до 95°. Наклон печи осуществляют лебедками, тельферами, а на крупных печах устанавливают гидравлический механизм наклона.

  Электрическое оборудование служит для подачи питания  на индуктор индукционной печи. Упрощенная электрическая схема индукционной печи повышенной частоты, питаемой от машинного или лампового генератора, показана на (рис. 3).Переменный ток высокой частоты от генератора 1 через выключатель 2 подается на индуктор 3, параллельно которому подключены конденсаторы 5 и 6.

              

                 Упрощённая электрическая схема индукционной печи

                        

                                                    Рис. 3 

    

      

 

   Конденсаторы предназначены для  компенсации индуктивного сопротивления  индуктора и установки в целом (компенсации реактивной мощности установки). В цепь включены две группы конденсаторов: конденсаторы первой группы 6 подключены постоянно; а конденсаторы второй группы 5 включают в случае необходимости. В процессе плавки по мере нагрева шихты изменяются ее удельное сопротивление и магнитная проницаемость, что изменяет индуктивное сопротивление установки. Включая или отключая дополнительные конденсаторы, добиваются равенства индуктивного и емкостного сопротивлений, т. е. величины cosφ установки, близкой к единице.

  В качестве источников питания (преобразователей частоты) используют ламповые и машинные генераторы, тиристорные преобразователи. Для питания малых печей (<30—50 кг) применяют ламповые генераторы, вырабатывающие ток с частотой от 30 кГц до несколько мегагерц; их мощность изменяется от 0,3 до 1000 кВт. Большая часть промышленных печей с тиглями емкостью 60—100 кг и более питаются от машинных генераторов. Их выпускают мощностью от 12 до 2500 кВт с частотой вырабатываемого тока 0,5; 1; 2,4; 4; 8 и 10 кГц. Соотношение между емкостью печи и мощностью генератора примерно следующее:

Емкость, т    .........0,06     0,4       1,0        6         10        16       25

             Мощность, кВт.......     50      250     500    2500   3000  5000   6000

  В последние годы в качестве источников питания все шире применяются тиристорные преобразователи частоты. Промышленность выпускает тиристорные преобразователи мощностью до 3200 кВт с частотой вырабатываемого тока от 0,5 до 10 кГц.

  Эти преобразователи обладают по сравнению  с машинными генераторами, следующими преимуществами: более высокий электрический к. п. д.; высокая готовность к работе; возможность автоматического поддержания оптимального электрического режима без переключения в силовой цепи (не требуется переключения конденсаторов, что упрощает конструкцию конденсаторной батареи); отсутствие вращающихся частей и бесшумность в работе.

  В состав электрооборудования индукционной печи входят также подключаемые к  силовой цепи через трансформаторы тока и напряжения электроизмерительные приборы и приборы защиты (от перегрузок по току и напряжению и в случае отключения охлаждающей воды). Крупные индукционные печи снабжены автоматическим регулятором, который поддерживает оптимальный электрический режим путем взаимосвязанного регулирования коэффициента мощности, напряжения и силы тока. Основные параметры работы электрооборудования (мощность генератора, емкость конденсаторов, требуемая частота тока и другие) определяют расчетом исходя из заданных емкости печи, длительности плавления, температуры жидкого металла. 

    

      

 

Индукционные печи промышленной частоты: футеровка и индуктор печей промышленной частоты такие же, как у печей  повышенной частоты. В схеме электропитания отсутствует генератор тока повышенной частоты; печь включается в сеть через  ступенчатый понижающий трансформатор со вторичным напряжением от 100 до 1000 В. Ввиду отсутствия преобразователя частоты для этих печей характерен меньший (на 5—10 %) удельный расход электроэнергии и более высокий коэффициент мощности.

  Однако  при низкой частоте питающего тока (50 Гц) у этих печей интенсивность электродинамического перемешивания металла значительно выше, чем в печах повышенной частоты. Чтобы избежать чрезмерной циркуляции металла, печи промышленной частоты рассчитывают на меньшую удельную мощность, чем печи повышенной частоты; такой мощности недостаточно для быстрого расплавления стальной шихты. Поэтому печи промышленной частоты обычно используют для плавки металлов с более низкой температурой плавления (чугуна, цветных металлов). Мощность печи емкостью 1 т составляет 360 кВ·А, емкостью 25 т — 4800 кВ·А. 

    

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Классификация индукционных печей

  Классификация ИП. Существует два типа конструкции  ИП:

1)  канальная,  в которой вокруг индуктора  с замкнутым магнитопроводом  («сердечником») выкладывают концентрический (горизонтальный   или   вертикальный)   узкий   кольцевой   канал   из огнеупорного .материала. Канал должен быть заполнен расплавленным металлом, чтобы образовать замкнутое электропроводное кольцо. Сердечник обеспечивает большой магнитный поток, что позволяет на таких печах работать с промышленной частотой (50 период/с). Канальные ИП применяют в основном для плавки, цветных тяжелых и легких металлов и сплавов со сравнительно низкой   температурой   плавления,   что   обеспечивает  достаточно высокую стойкость футеровки канала;

  2)  тигельная, в которой расплавляемый  (или подогреваемый) металл  находится   в  керамическом   тигле,   помещенном   внутрь многовиткового   цилиндрического   индуктора.    В   этом   случае применить  сердечник невозможно,  что увеличивает магнитный поток рассеяния и требует соответствующего увеличения частоты изменения (во времени) электромагнитного поля. Поэтому тигельные ИП работают на токах высокой (67000 и 440000 период/с) или повышенной (500—10000 период/с) частот от соответствующих преобразователей частоты, что, естественно, удорожает электропечную установку. С увеличением   емкости и диаметра   тигля, согласно  выражению (VI-40),   возможна работа тигельных ИП на   промышленной   частоте.   Диапазон   емкостей   современных тигельных ИП весьма велик — от б кг (по стали) до 60 т (по чугуну). Такие ИП применяют для плавки легированных и низколегированных сталей и чугунов в сталелитейных цехах металлургических заводов и в фасоннолитейных цехах машиностроительных заводов. Преимущества этих печей по сравнению с дуговыми заключаются в снижении в 2—3 раза угара металла (при переплаве отходов легированных сталей), отсутствии его науглероживания  (при  выплавке особонизкоуглеродистых сплавов)  и получении однородного по составу металла (за счет электродинамического перемешивания металла в тигле).

  По  сравнению с вагранками тигельные  ИП обеспечивают более низкое содержание серы в металле и возможность  получения более высокой температуры  его, что важно для улучшения качества литья и получения тонкостенных отливок. Разновидностью тигельных ИП являются индукционные тигельные миксеры типа ИЧТМ, предназначенные для перегрева жидкого чугуна и стали перед разливкой, легирования металла и поддержания постоянных температурных условий литья. Падение электромагнитных волн, создаваемых индуктором, на поверхность металла вызывает появление электродинамических сил, являющихся причиной циркуляции жидкого металла и давления, сжимающего металл. 
 

    

      

 

   При достаточной напряженности магнитного поля силы электродинамического давления могут уравновесить вес данного объема металла (до 1—2 см³), что позволяет плавить и удерживать металл во взвешенном состоянии. 

        Схема прохождения тока, конфигурации  магнитного поля и формы жидкого  металла, плавящегося во взвешенном состоянии при помощи             индукторов               

                

                   

                                             

                                             Рис. 4

а — типа «лодочка»; б — с параллельным обратным витком; в — с последовательным   обратным  витком

 

  Такой способ плавки позволяет исключить  взаимодействие расплавляемого металла  с футеровкой, получать любую заданную температуру жидкого металла, перемешивать этот объем жидкого металла, плавно опускать его внутри индуктора и регулировать выпуск металла в изложницу или замораживать его во взвешенном состоянии.

  Возможные конструкции индукторов, форма жидкого  металла и конфигурация магнитного поля представлены на рис. 4. При любой  конструкции индуктора существует область ослабленного магнитного поля ниже уровня металла, где вес жидкого металла не уравновешивается электромагнитным давлением. Металл не выливается через эту «дыру» в электромагнитном поле благодаря давлению, обусловленному силами поверхностного натяжения на искривленной поверхности, висящей капли. Поэтому в электромагнитном поле данной частоты можно удержать ограниченное количество металла (20—50 г). Наиболее удачной конструкцией устройства для бестигельной плавки является индуктор типа «лодочка» (см. рис. 4, а).

 

Технология  плавки

  Плавку  в индукционных печах обычно ведут  без окисления примесей и не ставят задачу удаления фосфора и серы, так как из-за «холодных» шлаков дефосфорация и десульфурация затруднены. Стали и сплавы выплавляют либо из легированных отходов (метод переплава), либо из чистого шихтового железа и лома с добавкой ферросплавов (метод сплавления).

  Выбор установки. В печи с основной футеровкой можно выплавлять сталь любого состава, но стойкость этой футеровки значительно  ниже, чем кислой. В печах с кислой футеровкой нельзя выплавлять стали с высоким содержанием марганца, алюминия, титана, циркония, так как окислы марганца, взаимодействуя с кремнеземом футеровки, быстро разрушают ее, а алюминий, титан и цирконий восстанавливают кремний из кремнезема футеровки.