121.Индукционные канальные печи.

Принцип действия индукционной канальной печи подобен принципу

действия силового трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания. Однако электрические параметры канальной электропечи и обычного

трансформатора заметно отличаются. Это вызвано различием их конструкций.

Конструктивно печь состоит (рис. 2.1) [6] из футерованной ванны 2, в которой

помещается почти вся масса расплавляемого металла 3, и находящейся под

ванной индукционной единицы.

Ванна сообщается с плавильным каналом 5, также заполненным расплавом.

Система индуктор – магнитопровод называется печным трансформатором. Футеровка, образующая плавильный канал, называется подовым камнем 6. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом 7, в который вставляется индуктор 4, навитый на стержень замкнутого магнитопровода 1. Индукционная единица объединяет печной трансформатор и подовый камень с каналом. Индуктор является первичной обмоткой трансформатора, а роль вторичного витка выполняет расплавленный металл, заполняющий канал и находящийся в нижней части ванны.

Печи индукционные канальные по принципу действия основаны на использовании тока короткого замыкания. Трансформатор индукционной единицы выполнен так, что петля жидкого металла, является короткозамкнутой обмоткой, разогревающейся при пропускании тока. Во избежание разрыва цепи вторичной обмотки в печи постоянно должно находиться некоторое количество металла ("болото"). Мощность индукционной единицы ограничивается огнеупорностью футеровки, поэтому для печей большой вместимости приходится устанавливать несколько таких единиц. Индукционно канальные печи более совершенны, чем индукционно тигельные печи: у них более высокий КПД, поэтому меньше расход энергии и, следовательно, требуется меньше конденсаторных батарей.

122 Индукционные тигельные печи.

Ответ

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.

Индуктор.Индуктор представляет собой цилиндрическую катушку из медной трубки. Индуктор изготавливают из меди потому, что ею поглощается меньше энергии электромагнитного поля, чем сталью и другими материалами. Профиль медной трубки: круглый, квадратный, прямоугольный. Толщину стенки медной трубки выбирают в зависимости от частоты питающего тока. Исходя из необходимости обеспечения минимальных потерь энергии в трубе, толщина её стенки должна быть на 30% больше глубины проникновения тока. Размер отверстия в трубке обусловлен расходом охлаждающей её воды. Поперечное сечение трубки зависит от тока, протекающего по индуктору.

Для подвода и отвода воды и электроэнергии индуктор имеет припаянные штуцера. Между витками индуктора устанавливают электроизоляционные прокладки. Индуктор покрывают слоем эпоксидной смолы, чем обеспечивается надёжная электрическая изоляция одного витка от другого. Наружная часть – оклеена листовым асбестом.

В печах промышленной частоты верхний уровень индуктора устанавливают ниже уровня металла, вследствие чего уменьшается мениск на поверхности ванны и исключается выброс металла из тигля из-за электродинамической циркуляции.

Магнитопровод.Во избежание нагрева металлических частей печи полями рассеяния вокруг индуктора устанавливают внешний магнитопровод из листовой трансформаторной стали. Магнитопровод состоит из отдельных пакетов, расположенных равномерно по периметру индуктора. На печах промышленной частоты магнитопроводы изготавливают из стали. Длина пакетов выше высоты индуктора. Пакеты крепят к каркасу печи болтами и устанавливают вплотную к индуктору, что обеспечивает жёсктость конструкции и минимальное рассеяние магнитного потока.

Каркас.Каркасы печей большой вместимости должен иметь большую жёсткость и прочность, поэтому их изготавливают из профильной стали, т.е. швеллера, уголка, балки. Каркас воспринимает все нагрузки, возникающие при расширении печи (при нагреве), её наклоне, сливе металла и шлака.

Тигли могут быть электропроводящими (из электро­проводящих материалов — стали, графита) или неэлектропроводящими (из керамических материалов). Элек­тропроводящие тигли применяют для улучшения КПД печи при нагреве металлов и сплавов с малым удельным электросопротивлением. Толщина тиглей из стали лежит в пределах 20—40 мм, графитовых—30—70 мм. Графи­товые тигли применяют для плавки меди и алюминия, стальные — для плавки магния. Электропро­водящий тигель закрепляется с помощью уголков и по­лос, приваренных к тиглю и кожуху печи в нескольких местах по окружности тигля и соединяемых между собой болтами с изолирующими втулками и шайбами. Между тиглем и индуктором предусматривают огнеупорный и теплоизоляционный слои из шамотной и диатомитовой крупки и асбестового картона.

Воротник печи (верхняя часть тигля) выполняют из шамотовых или магнезитовых кирпичей и обмазывают составом, содержащим глину и другой связующий мате­риал. Сливной носок изготавливают из шамотовых или магнезитовых блоков или кирпичей и также обмазыва­ют. Крышки печей футеруют огнеупорным фасонным кирпичом. При загрузке печи крышку снимают или ото­двигают с помощью крана, гидравлического или элект­ромеханического привода.

Тигли устанавливают на подину из асбестоцементных плит или на кирпичные блоки из шамота. Современные печи для плавки алюминиевых сплавов имеют подину из жаропрочного бетона. Между индуктором и огнеупор­ным тиглем прокладывают асбестовый картон.

Кожух (корпус) печи предназначен для крепления индуктора и тигля. Для небольших печей (емкостью 0,1—0,5 т) применяют кожухи из неметаллических мате­риалов — дерева, асбестоцементных плит, брусков текстолита и т. п., а также из немагнитной стали и цветного металла (бронзы, латуни). При применении металлических деталей каркас выполняют с разъемами по окружности во избежание наведения замкнутых то­ков от электромагнитного поля индуктора. Места разъ­ема соединяют через изолирующие прокладки с помо­щью болтов и шпилек со втулками и шайбами из изоли­рующего материала.

Печи промышленной частоты большой емкости (свы­ше 3 т.) имеют замкнутый сварной или литой кожух из низкоуглеродистой стали или чугуна. Печи емкостью 10—40т снабжены поясами жесткости, расположенными в средней части кожуха, а также поперечными и про­дольными ребрами жесткости из профильной стали угло­вого и таврового сечений. В кожухе предусматривают окна для отвода нагретого воздуха и проемы для присое­динения токоподводов.

Механизмы наклона печи выполняют с электромеха­ническим или гидравлическим приводом. Поворот печи обычно осуществляется вокруг оси, расположенной под сливным носком для уменьшения перемещения ковша для слива металла; в этом случае изменение траектории струи металла будет наименьшим.

Во избежание опрокидывания печи предусматривают установку конечных выключателей, срабатывающих при достижении предельных положений печи и выключаю­щих механизм наклона. Наклон печей периодического действия ведут при выключенном электропитании. Элект­ропитание может не выключаться только у миксеров, ра­ботающих в непрерывном режиме.

оптимальная частота

По частоте тока источника питания индукционные установки делятся на печи и нагревательные установки низкой (промышленной) частоты (50 Гц), печи и нагревательные установки средней частоты (150—10000 Гц), печи и нагревательные установки высокой частоты (50—1000 кГц) и установки диэлектрического нагрева — установки сверхвысокой частоты (5—5000 МГц).

технико-экономические показатели

Индукционные тигельные печи применяются в промышленности для получения черных металлов (стали,, чугуна, сплавов на основе железа и никеля) и ряда цвет­ных металлов.Печи емкостью 2,5 т и выше питаются от сети 50 Гц через понижающие трансформаторы с первичным напряжением 6 или 10 кВ и регулированием вторичного напряжения под нагрузкой; печи меньшей емкости нуждаются в преобразователях частоты. Мощность печей за­висит от емкости и необходимой производительности. Напряжение на индукторе составляет 500—1700 В. Печи для подогрева (миксеры) имеют меньшую мощность, чем плавильные, так как энергия здесь требуется только для подъема температуры жидкого металла на 100—20СРС. Так, миксер ИЧТМ-10 имеет мощность 750 кВт, тогда как плавильная печь ИЧТ-10 — 2300 кВт.

Печи для плавки стали рассчитаны на рабочую тем­пературу тигля 1600—1700° С, а для плавки чугуна — на 1400—1450° С. Для плавки чугуна применяют набивную высокоглиноземистую футеровку, работающую достаточ­но длительное время. В настоящее время все большее число индукционных печей входят в эксплуатацию вза­мен вагранок. Стоимость выплавки чугуна в тигельных печах ниже, чем в вагранках, на 20—25 руб. на тонну чугуна (в зависимости от состава исходной шихты) при высоком качестве металла. В тигельных печах можно получить любую марку серого чугуна, а также синтети­ческого чугуна, выплавляемого из шихты с преимущест­венным содержанием стальных отходов без использова­ния чушковых литейных чугунов. Для доведения хими­ческого состава до нужных значений по углероду, крем­нию и марганцу используются порошок из электродной стружки, силикокальций и ферромарганец. Для получе­ния высоких технико-экономических показателей печи применяют специальные средства для удаления из ших­ты влаги, масла, эмульсий и других жиросодержащих веществ (подогрев шихты с использованием дешевого топлива — газа).

Печи малой емкости питаются от источников средней частоты. Печи выполняют без внешних магнитопроводов; витки индуктора закрепляют с помощью приваренных шпилек на текстолитовых стойках, тигель устанавливается на асбестоцементных плитах, закреп­ленных на раме из деревянных брусьев и скрепляющих уголков. Наклон печи осуществляют путем поворота вокруг оси, расположенной под сливным носком. Набив­ка тигля производится с помощью шаблона, расплавляемого при первой плавке и способствующего спеканию футировки. Шаблоны выполняют сварными из листового проката.

Главными достоинствами канальных печей перед другими печами, предназначенными для этих же целей, являются:

высокий КПД г|_э. В результате этого в канальных печах плавка металлов происходит с низким расходом электроэнергии. Например, на плавку латуни в каналь­ной печи затрачивается 300—350 кВт-ч/т, а в печах со­противления 400—450 кВт-ч/т;

малый угар металла, так как здесь нет большого перегрева металла на поверхности ванны печи и силь­ного окисления металла;

наличие электродинамического перемешивания ме­талла в каналах печи, что позволяет получать однород­ный по химическому составу металл без применения ка­ких-либо механических перемешивателей.