Канальные печи с магнитопроводами.

И ндукционная канальная печь (рис. 2) по принципу дейст­вия является трансформатором со стальным магнитопроводом 1, одновитковая вторичная обмотка которого служит одновременно и нагрузкой. Конструктивно печь состоит из футерованной ванны 2, в которой помещается почти вся масса расплавляемого металла 3, и находящейся под ванной так называемой индукционной единицы. Последняя объединяет подовый камень 6, магнитопровод 1 и ин­дуктор 4. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом 7 и окружающим его каналом 5, устья которого открываются в ванну. Стержень магнитопровода распо­лагается в проеме 7, а ярма охватывают подовый камень с боков. Индуктор 4 является первичной обмоткой трансформатора, а роль вторичного витка выполняет расплавленный металл, заполняющий канал 5 и находящийся в ниж­ней части ванны.

Ток, протекающий во вто­ричной цепи, вызывает нагрев расплава, при этом почти вся энергия выделяется в канале, имеющем малое сечение. Металл, находящийся в ванне, нагре­вается за счет тепло- и массообмена между каналом и ван­ной. Перемещение металла обу­словлено главным образом электродинамическими усилия­ми, возникающими в канале, и в меньшей степени конвекцией, связанной с перегревом металла в канале по отношению к ван­не. Перегрев ограничивается некоторой предельной допусти­мой величиной, лимитирующей удельную мощность в канале.

Принцип действия канальной печи требует наличия постоянно замкнутой вторичной цепи. Поэтому все канальные печи работают с остаточной емкостью, составляющей обычно 25—30% полной емкости печи и обеспечивающей постоянное заполнение канала жидким металлом. Замораживание металла в канале в подавляю­щем большинстве случаев не допускается, во время межплавочного простоя металл в канале должен поддерживаться в расплавленном состоянии. Таким образом, канальные печи эксплуатируются в по­лунепрерывном режиме, они не приспособлены для смены выплав­ляемого металла и являются в этом смысле специализированными, тем более, что различие свойств металлов приводит к существен­ным конструктивным различиям предназначенных для их плавки печей. Поэтому канальные печи классифицируются прежде всего по металлам, для плавки которых они предназначены.

Все канальные печи работают на частоте 50 Гц, поскольку до­статочно высокий электрический КПД системы индуктор—канал может быть обеспечен на этой частоте при любом удельном сопро­тивлении расплавленного металла и выполнении условия d₂ ≤ 0,75 Δ₂, где d₂ — радиальный размер канала (см. рис. 2), а Δ₂ — глубина проникновения тока в расплавленный металл.

Мощность однофазной индукционной единицы может состав­лять величину от 50 до 1000 кВт. С ростом мощности увеличивается сечение канала, т. е. возрастает его осевой размер a₂, так как ра­диальный размер d₂ ограничен вышеуказанным условием. Обычно а_г = (3-5) d₂. При необходимости дальнейшего увеличения се­чения вместо одного канала делают два или три па­раллельных канала. Такая конструкция обладает большей меха­нической прочностью. В печах большой мощности применяются двухфазные, а также трехфазные индукционные единицы. Мощность их может составлять 700—1500 кВт. Часто крупные канальные печи оборудуются не­сколькими индукционными единицами.

Подовый камень канальной печи изнашивается значительно быстрее, чем футеровка ванны. Для сокращения простоев, связан­ных со сменой подового камня, разработаны съемные индукцион­ные единицы. Такая единица представляет собой само­стоятельный конструктивный элемент, она может быть быстро уста­новлена на печь или снята с нее.

Канальные печи большей частью выполняются наклоняющи­мися, значительно реже встречаются стационарные печи.

По форме ванны различают четыре основных класса канальных печей: шахтные, барабанные, двухкамерные и печи с прямоуголь­ной ванной.

Шахтная печь (см. рис. 2) имеет ванну в форме цилиндриче­ской шахты с вертикальной осью. Преимуществами ее являются простота ремонта и замены футеровки ванны и удобство механизированной загрузки печи.

В анна барабанной печи (рис. 3) выполнена в виде цилиндра с горизонтальной осью. Индукционные единицы располагаются по обе стороны барабана. Емкость барабанных печей достигает 40 м³ (250 т по чугуну), они используются главным образом в качестве миксеров, допускающих одновременную заливку и разливку ме­талла. Ванна печи может поворачиваться в обе стороны вокруг горизонтальной оси, параллельной оси барабана. Это позволяет производить замену съемных индукционных единиц, которыми обычно оборудуются барабанные печи, без полного слива металла; для этого достаточно повернуть печь на угол, необходимый для опо­рожнения каналов сменяемой единицы.

В двухкамерной печи (рис. 4) го­ризонтальные или наклонные каналы соединяют две ванны, одна из которых является плавильной, а другая— раз­ливочной. Каналы вместе с примыка­ющими участками ванн образуют зам­кнутый вторичный виток.

Печи с ванной прямоугольной фор­мы (рис. 5) применяются редко и почти всегда выполняются стационар­ной конструкции, жидкий металл из них вычерпывается или выкачивается.

Индукционная едини-ца может при­мыкать к нижней части ванны любой формы в верти-кальном, горизонтальном или наклонном положении. Соответственно различают печи с вер­тикальными, горизонтальными и наклонными каналами.

Печи с вертикальными каналами (см. рис. 2) широко распространены. Перемешивание металла происходит в них наи­более интенсивно, очистку каналов производить несложно. Недо­статком конструкции, проявляющимся особенно сильно при зна­чительной глубине ванны, является большое гидростатическое давление в канале, ухудшающее условия работы подового камня. Печи с горизонтальными каналами (рис. 5) характеризуются малым гидростатическим давлением в канале, циркуляция металла в верхней части ванны у них ослаблена, что при плавке некоторых металлов, например алюминия, полезно. Очистка каналов в таких печах затруднена.

Печи с наклонными каналами (см. рис. 3) можно рассматри­вать, как компромиссную конструкцию, сочетающую качества пе­чей с вертикальными и горизонтальными каналами.

Форма поперечного сечения каналов может быть различной, наиболее распространены каналы прямоугольного и овального сечения, вытянутого в направлении, параллельном оси индуктора.

Основные свойства канальных печей, как класса индукционных электротермических установок, предназначенных для плавки ме­таллов, сводятся к следующему. Главная особенность индукционных установок — выделение тепла в самом нагреваемом объекте — присуща канальным печам лишь в слабой степени, поскольку ос­новная масса металла, находящаяся в ванне, прогревается почти исключительно за счет конвекции и теплопроводности. Таким об­разом, по схеме ввода тепла в ванну канальные печи уступают тигельным. Однако канальные печи, в которых тепло вводится в ванну снизу или сбоку, имеют существенные преимущества пе­ред печами с другими источниками нагрева, в которых тепло вво­дится сверху, что приводит к перегреву и усиленному окислению поверхности расплава.

В отношении равномерности распределения температуры и од­нородности химического состава ванны, а также угара металла канальные печи не уступают тигельным, а по значениям КПД и коэффициента мощности значительно их превосходят, причем эти показатели не зависят от степени заполнения печи металлом. Увеличение емкости является более простой проблемой для ка­нальных печей, чем для тигельных, поскольку энергетические задачи решаются простым наращиванием числа индукционных еди­ниц. Условия работы подовых камней канальных печей значи­тельно тяжелее, чем футеровки тигельных печей, с повышением температуры металла в каналах срок службы подовых камней прогрессивно сокращается. Наконец, для канальных печей харак­терен полунепрерывный или непрерывный режим работы.

Эти свойства обусловливают использование индукционных ка­нальных печей главным образом для плавки цветных металлов (меди, алюминия, цинка и их сплавов), в качестве разливочных печей в производстве цветного литья и миксеров для накопления, выравнивания состава и подогрева чугуна, расплавленного в пе­чах других типов.