1. Описание технологического процесса и установки

1.1. Общая характеристика и достоинства тигельных печей

Индукционные тигельные печи предназначены для плавки черных и цветных металлов. Для плавки твердой шихты могут применяться индукционные тигельные печи повышенной и промышленной частот.

Индукционные тигельные печи повышенной частоты серии ИСТ применяются преимущественно для плавки легированных сталей. Плавка в них ведется в основном при периодическом режиме, т.е. с полным сливом металла после каждой плавки. Печи серии ИСТ могут использоваться также для плавки чугуна и ферросплавов.

Индукционные тигельные печи промышленной частоты серии ИЧТ предназначены для плавки и выдержки чугуна. Работа этих печей только на твердой шихте затруднена.

Печи имеют следующие основные узлы: индуктор, каркас (или кожух) печи, магнитопроводы или магнитные экраны, плавильный тигель, крышку и подину, механизм наклона печи.

Индуктор – основной элемент, предназначенный для создания электромагнитного поля, индуктирующего ток в загрузке. Он воспринимает механическую и тепловую нагрузку со стороны тигля и во многом определяет надежность работы печи в целом. Индуктор должен обеспечивать: минимальные электрические потери, требуемый расход охлаждающей воды, необходимую механическую прочность и достаточную жесткость, надежную электроизоляцию витков.

Индуктор представляет собой цилиндрическую однослойную катушку (соленоид), витки которой уложены в виде спирали (спиральный индуктор) с постоянным углом наклона витков, определяемых шагом навивки или катушку, все витки которой располагаются в горизонтальных плоскостях, а переходы между соседними витками осуществляются короткими наклонными участками (индуктор с транспозицией витков).

Каркас печи служит конструктивной базой для крепления всех основных элементов печи. Основные требования, предъявляемые к каркасу: обеспечение максимальной жесткости всей конструкции в целом; минимальное поглощение мощности элементами каркаса. Основные конструктивные схемы каркаса:

1. каркас, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, ребра которого выполнены из немагнитного материала, а грани закрыты асбоцементными листами.

2. металлический каркас, цилиндрической формы, выполненный в виде сплошной обечайки из толстого стального листа с вырезами («окнами») для доступа к индуктору

Для защиты используют магнитопровод в виде вертикальных пакетов трансформаторной стали, располагающихся вокруг индуктора, или электромагнитный экран между индуктором и корпусом в виде сплошного кожуха из листового материала с малым удельным сопротивлением; потери в таком экране не велики. Основное назначение - проведение внешнего магнитного потока внутри каркаса. Применение магнитопровода позволяет уменьшить габариты печи, дает возможность изготавливать кожух из ферромагнитной стали и тем самым уменьшить стоимость печи.

Футеровка, основной частью которой является тигель, включает в себя также сливной носок, подину, крышку и слой тепловой изоляции.

Поскольку загрузка нагревается до температуры, превышающей температуру плавления, обязательным элементом конструкции печи является тигель – сосуд, в который помещается расплавленная шихта. В зависимости от электрических свойств материала тигля различают индукционные печи с непроводящим и проводящим тиглем.

К первой группе относятся печи с диэлектрическим керамическим тиглем, предназначенные для плавления металлов. В таких печах загрузка нагревается индуктированным в ней током, тигель же эквивалентен воздушному зазору.

Ко второй группе относятся печи со стальным, графитовым или графито-шамотным тиглем, обладающим большей или меньшей электропроводностью. Печи с проводящим тиглем имеют теплоизоляцию.

К тиглю предъявляются следующие требования: материал тигля должен сохранять изоляционные свойства; тигель должен иметь минимальную толщину стенки; должен быть механически прочным; иметь малый коэффициент объемного расширения; огнеупорные материалы должны обладать высокой огнеупорностью, термостойкостью, химической стойкостью.

Подина, служащая основанием, на которое устанавливают тигель и индуктор, обычно выполняют из шамотных кирпичей или блоков (для крупных печей) или из асбоцементных плит, уложенных одна на другую (для малых печей).

Крышка, служит для уменьшения тепловых потерь излучением. Выполняется из конструкционной стали, и футеруется изнутри.

Механизм наклона печи. Наклон печи осуществляется одним из способов: с помощью ручного привода или рычагов и длинных рукояток; с помощью тельфера; с помощью электромеханического привода; с помощью гидропривода.

В соответствии с методом снижения потерь в корпусе печи делятся на три класса:

а) неэкранированные; б) с магнитопроводом; в) с электромагнитным экраном.

Крупные тигельные печи работают на частоте 50 Гц; с уменьшением емкости печи частота тока должна повышаться, чтобы сохранилось соотношение между глубиной проникновения тока и диаметром загрузки, обеспечивающее высокий КПД индуктора.

По частоте питающего тока индукционные тигельные печи можно классифицировать следующим образом:

а) высокочастотные с питанием от ламповых генераторов;

б) работающие на частоте 500-10000 Гц с питанием от вентильных или машинных преобразователей частоты;

в) работающие на частотах 150 и 250 Гц с питанием от статических умножителей частоты;

г) работающие на частоте 50 Гц с питанием от сети, при значительной мощности оборудованные симметрирующими устройствами.

Достоинства тигельных печей: возможность получения весьма чистых металлов и сплавов точно заданного состава; стабильность свойств получаемого металла; малый угар металла и легирующих элементов; высокая производительность, благодаря высоким значениям удельной мощности; возможность полного слива металла из тигля и малая масса футеровки; хорошие условия труда обслуживающего персонала; малая степень загрязнения окружающей среды; выделение энергии непосредственно в загрузке, без промежуточных нагревательных элементов; интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты и отходов, быстрое выравнивание температуры по объему ванны и отсутствие местных перегревов; принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы при любом давлении

Недостатки: высокая стоимость электрооборудования, особенно при частотах выше 50 Гц, и низкий КПД при плавке материалов с малым удельным сопротивлением; относительно низкая температура шлаков, наводимых на зеркало расплава с целью его технологической обработки; низкая стойкость футеровки при высоких рабочих температурах расплава.

Область применения печей: плавка легированных сталей и синтетического чугуна, цветных тяжелых и легких сплавов, редких и благородных металлов.