1.2. Влияние частоты тока и размеров загрузки тигля на эффективность индукционного нагрева.

В течение большого периода плавки от расплавления шихты и до выпуска металла загрузка тигля представляет собой сплошное металлическое тело близкое по форме к цилиндру. Толщина поверхностного слоя, в котором циркулируют вихревые токи, называется

Рис.1.3 Диаграмма токов при настройке контура в резонанс

глубиной проникновения тока в металл - э зависит от удельного электрического сопротивления металла , его относительной магнитной проницаемости μr и частоты тока f. Она определяется по формуле:

э=503r*f

где: э – в м, ρ – Ом *м, f – в Гц

Расчеты показывают, что для получения удовлетворительного К.П.Д. индукционного нагрева диаметр нагреваемого цилиндра должен превышать глубину проникновения не менее чем 4 - 5 раз, т.е.

dц ≥ (4…5)* э (1.2)

Цилиндр меньшего диаметра, помещенный в индуктор, оказывается "прозрачным" для электромагнитных волн, которые проходят через него, не вызывая существенного нагрева. Это явление используется в конструкции сердечников трансформаторов, которые в отличие от шихты не должны разогреваться. Для этого сердечники выполняются не сплошными, а сборными из пластин, толщина которых много меньше глубины проникновения тока. Пластины сердечников электрически изолируют друг о друга.

Пользуясь соотношениями (1.1) и (1.2), определим минимальные диаметр тигля чугуноплавильной печи, работающей на токе промышленной частоты - 50Гц. Для этого по формуле (1.1) находим глубину проникновения тока в жидкий чугун.

 жидкого чугуна =1,3*10^-6 Ом*м; μr=1; f=50 Гц

1,3*10^-6

э = 503*  = 0,081м = 81 мм

1*50

Следовательно, минимальный диаметр тигля печи промышленной частоты должен быть:

dц  (45)*81=324400 мм.

Это условие обеспечивает возможность перегрева жидкого металла в печи. Однако пуск печи промышленной частоты на твердой завалке невозможен, т.к. размеры кусков шихты, используемой в чугунолитейном производстве, значительно меньше 324…400мм. Вследствие этого плавку в печах промышленной частоты ведут с использованием переходной ванны (плавка с «болотом»). Для этого при выпуске предыдущей плавки в тигле оставляется не менее 1/3 его объема жидкого металла («болото»). При проведении последующей плавки тепло, выделяющееся в «болоте», передается твердой шихте, которая загружается в печь и тонет на дно тигля. Первая плавка на холодной печи при отсутствии жидкого металла в цехе проводится с использованием пусковых болванок. Они представляют собой слитки, диаметр которых равен диаметру тигля и, следовательно, удовлетворяет условию эффективного индукционного нагрева. В настоящее время существуют чугуноплавильные печи промышленной частоты емкостью от 1 до 60 тонн.

Плавка чугуна в печах промышленной частоты с «болотом» требует обязательного удаления с поверхности кусков шихта влаги, масел и эмульсии во избежание выбросов жидкого металла при загрузке. Для этого шихту подогревают газом до 500С в специальных нагревательных бадьях.

Плавка стали в индукционных тигельных печах ведется на твердой завалке без переходной ванны, поэтому частота тока для этих печей подбирается исходя из размеров кусков используемой шихты. Для наиболее часто встречающихся размеров шихты (от 20 до 100 мм) частота тока должна быть от 2500 до 500 Гц соответственно.

Изучаемая в работе печь ИСТ006 имеет емкость 60 кг и работает на частоте 2400 Гц. Электрический К.П.Д. и расход электроэнергии при плавке в индукционной тигельной печи зависит от размеров и формы кусков используемой шихты.

Расчеты, проведенные Г.И. Бабатом, показывают, что при постоянной величине тока в индукторе наибольшая удельная мощность (т.е. мощность, отнесенная к единице объема металла) выделяется в кусках, имеющих форму цилиндра, диаметр которого равен 3,5*э. Для кусков шихты в форме пластин максимальная удельная мощность соответствует условию: толщина пластин =2,5*э и для шара: d шара=4,8*э.

Приведенные соотношения определены для стали, имеющей μ=1, т.е. стали, нагретой выше 750С. При частоте тока 2400 Гц глубина проникновения тока в сталь или чугун при t=750  С равна :

1,1*10^-6

э = 503*  = 0,0107м = 10.7 мм

1*2400

Поэтому оптимальной шихтой для плавки в изучаемой печи будут цилиндрические куски диаметром 35 мм, пластины толщиной 25 мм или шаровидные куски диаметром 50 мм. Загрузив в тигель куски различной формы и размеров, можно убедится в том, что куски оптимальных размеров быстрее прогреваются и плавятся.

1.3. Устройство плавильной установки ИСТ 006.

Плавильные установки типа ИСТ серийно выпускаются отечественной промышленностью. Буквенные индексы обозначают: И – индукционная, С - сталеплавильная, Т - тигельная; число после буквенного индекса показывает емкость тигля в тоннах. Выпускаются серийно печи типа ИСТ емкостью 160кг, 400 кг, 1, 2 и 3т.

1.3.1.Конструкция печи

Каркас печи (Рис.1.4) изготовляется из стальных угольников 1 и асбоцементных плит 2. Для уменьшения разогрева металлических конструкций каркаса под действием внешнего магнитного поля применяются немагнитные стали. Кроме того, стыковка металлических деталей каркаса осуществляется так, чтобы они не образовывали замкнутых электрических контуров. Для этого на стыках используются электроизоляционные прокладки, втулки и шайбы.

Рис.1.4 Разрез печи ИСТ 006

Индуктор печи 3, выполненный из медной трубки диаметром 22 мм с толщиной стенки 2 мм, имеет 13 витков. Витки индуктора с помощью приваренных к ним латунных шпилек крепятся к четырем текстолитовым стойкам 4, чем обеспечивается равномерный воздушный зазор между витками, равный 5 мм. Первый и последний витки выводятся на контактную колодку 10, где к ним подсоединяются гибкие водоохлаждаемые кабели 12, подводящие ток от генераторной установки. Шланги для подвода и слива воды подсоединяются к штуцерам 11. Второй и третий (снизу) витки индуктора имеют отпайки, наличие которых облегчает регулирование электрических режимов плавки (см. п. 1.4). Для слива металла печь наклоняется на 90 вокруг оси, расположенной на уровне сливного носка 5. Наклон осуществляется тельфером, крюк которого зацепляется за скобу 13 в нижней части задней стенки каркаса. Для изготовления тигля печи применяются футеровочные массы. Кислая футеровка набивается из смеси сухого кварцевого песка (3 объемных части), маршалита (1объемн. часть) и 1-2 порошкообразной борной кислоты в качестве связующего вещества. Перед набивкой тигля внутрь индуктора устанавливается цилиндр из асбестового листа 12, а на дно печи укладывается асбестовый круг 11. Дно печи засыпается и послойно утрамбовывается футеровочной смесью до уровня второго витка индуктора. На образовавшуюся подину 13 устанавливается литой или сварной шаблон 14. В зазор между шаблоном и асбестовым цилиндром послойно засыпается и утрамбовывается футеровочная масса. Верхняя часть печи (воротник) выполняется шамотным кирпичом и огнеупорной глиной. Сливной носок, сделанный из шамота, поставляется заводом изготовителем и при футеровки печи заделывается в «воротник».

После набивки тигля печь включают на небольшую мощность, при этом шаблон, являющийся замкнутым вторичным витком трансформатора,

разогревается до красна, благодаря чему происходит сушка и спекание

футеровки. Процесс сушки длится 3-4 часа для полного удаления остатков влаги из футеровок. После этого увеличивают мощность. Шаблон расплавляется, благодаря чему происходит окончательное спекание футеровки.

Футеровка И.Т.П. работает в исключительно напряженных условиях. Она испытывает многократные изменения температуры при плавке и холодных простоях печи, удары шихты при загрузке, химическое воздействие со стороны металла и шлака, ферростатическое давление и размывающее действие металла, который интенсивно перемешивается в печи под действием электромагнитных сил. Перепад температуры по толщине стенок футеровки составляет 1400…1600С - в слое, контактирующем с расплавом, и около 400°С в слое, прилегающем к водо-охлаждаемому индуктору). В тоже время толщина футеровки должна быть минимальной для уменьшения реактивной мощности печи. Для печи ИСТ006 средняя толщина футеровки равна - 50 мм. Напряженные условия работы футеровки требуют тщательного соблюдения технологии ее набивки и спекания.

Правильно изготовленная футеровка должна состоять из трех слоев (Рис. 1.5) :

1- полностью спекшийся слой (черного цвета).

2 - полуспекшийся слой оранжевый.

3-сыпучий буферный слой.

Если в процессе плавки образуется трещина в жестком спекшемся слое 1 и в полуспекшемся слое 2, то струйка металла застывает, дойдя до сыпучего буферного слоя. Это позволяет довести плавку до конца и избежать аварии.