1. Описание тигельной индукционной печи. Принцип работы

В индукционных тигельных печах плавят чугун, сталь, медь, бронзу, алюминий и т.д.

Принцип действия тигельной печи состоит в том, что расплавляемый металл помещают в пространство, пронизываемое переменным магнитным потоком. И как описывалось выше: под действием возникающей ЭДС в металле течёт ток, металл нагревается и плавится.

Внутри индуктора расположен тигель из огнеупорного материала. Внутреннее пространство тигля заполняется расплавленным металлом. Тигель защищает индуктор от воздействия жидкого металла. Толщина стенки тигля, т.е. расстояние между индуктором и жидким металлом, влияет на электрические параметры печи: чем толще стенка, тем больше количество магнитных силовых линий, пронизывающих катушку, не участвует в нагреве металла и тем, следовательно, меньше cosφ печи. У тигельных печей cosφ=0,005…0,2.

При протекании электрического тока по индуктору энергия из сети расходуется на создание магнитного поля. Часть энергии поля затрачивается на нагрев металлических тел, находящихся в том поле, а остальная часть возвращается обратно в электрическую сеть. С точки зрения рационального использования электрической сети целесообразно потреблять из сети столько энергии, сколько её необходимо для осуществления нагрева. Однако работа индукционной печи невозможно без создания магнитного поля, поэтому количество энергии, подводимой к индуктору, всегда больше количества энергии, расходуемой на нагрев.

Принято количество энергии, взятой из электрической сети, называть полной мощностью S, часть энергии, израсходованной на нагрев,- активной мощностью P, а часть энергии, возвращаемой в сеть - реактивной (индуктивной) мощностью Q. Полную мощность измеряют в вольт-амперах или киловольт-амперах .Реактивную мощность измеряют в вольт-амперах реактивных или киловольт-амперах реактивных.

Полная, активная и реактивная мощности связаны между собой соотношением .

Графическая зависимость между S, P, Q показана на рисунке:

Рисунок 1. Определение коэффициента мощности печи

Активная и реактивная мощности представляют собой катеты, а полная мощность - гипотенузу прямоугольного треугольника. Угол между P и S обозначен φ. Отношение активной мощности к полной P/S= cosφ. Понятие cosφ широко используется в технике. По значению cosφ судят о загрузке электросети. Чем выше cosφ, тем рациональнее используется сеть.

При cosφ=1 в тепловую энергию преобразуется вся энергия, отбираемая из сети. При низких значениях cosφ в тепловую энергию может быть преобразована только небольшая часть энергии, отбираемой из сети. Ясно, что при cosφ=0 вся энергия, отбираемая из сети, вначале превращается в энергию магнитного поля, а затем вновь вращается в сеть. В этом случае происходит лишь загрузка сети, а полезное превращение энергии в теплоту отсутствует.

Повысить cosφ индукционной печи по отношению к питающей электрической сети можно подключением параллельно индуктору конденсаторов рисунок 2. При достаточном количестве конденсаторов, т.е. когда мощность конденсаторов Qc, будет равна индуктивной мощности печи Q, cosφ=1 рисунок 2а, что позволяет значительно уменьшить силу тока в проводящей электрической сети при сохранении в печном контуре прежней силы тока. По контуру, включающему индуктор и конденсаторную батарею, происходит ток большой силы. Поэтому для соединения индуктора с конденсаторной батареей используют шины и кабель большого сечения.

Магнитный поток, создаваемый индуктором, проходит по замкнутым линиям как внутри его, так и снаружи. В зависимости от прохождения магнитного потока с внешней стороны индуктора различают открытую, экранированную и закрытую конструкции печей.

При закрытой конструкции магнитный поток с внешней стороны индуктора проходит по радиально расположенным пакетам трансформаторной стали - магнитопроводам. Магнитная проницаемость трансформаторной стали во много раз больше магнитной проницаемости воздуха, поэтому практически весь магнитный поток проходит по магнитопроводам. Магнитопроводы целесообразно располагать как можно ближе к индуктору. Это уменьшает размеры печи и увеличивает жёсткость индуктора. Число магнитопроводов и их размеры определяют в зависимости от мощности печи, частоты питающего тока, характеристики трансформаторной стали и т.д. закрытую конструкцию широко применяют в печах большой вместительности.

Большое значение для работы индукционной печи имеет частота питающего тока. Каждому значению вместимости печи и электрическому сопротивлению шихты соответствует определённая частота тока. При выборе частоты тока учитывают, что внутренний диаметр тигля должен быть больше или равен 3,5 глубины проникновения тока в шихту.

Индукционные тигельные печи состоят из следующих основных частей: индуктора, магнитопровода, каркаса, футеровки, механизма наклона, электрооборудования и системы охлаждения печи.

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 жесткость 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.

Футеровка печи. Условия работы индукционной печи предъявляют определённые требования к её футеровке. Футеровка должна выдерживать механическое воздействие жидкого металла, что особенно важно для печи большой вместимости (свыше 10т.). Футеровка со стороны (поверхности) жидкого металла должна иметь плотную спёкшуюся поверхность, через которую он не сможет просочиться. Со стороны индуктора футеровка должна быть неспёкшейся. Это предупреждает образование в ней сквозных трещин. В процессе эксплуатации в плотном спёкшемся слое футеровки могут образовываться трещины. Жидкий металл, попадая по ним в неспёкшийся слой, разогревают его, и футеровка, спекаясь, закрывает трещину. Наличие неспёкшегося слоя исключает проникновение жидкого металла к индуктору.

Стойкость футеровки определяет срок службы печи до очередного ремонта. В зависимости от металлургического процесса применяют кислые или основные огнеупорные материалы. Футеровка печи состоит из подины, тигля, верхнего кольца, крышки.

Футеровку тигля изготавливают методом уплотнения вибрацией с использованием ручных или механических вибраторов. Для изготовления тигля применяю сухие кварцевые массы. Вначале выполняют нижнюю часть тигля. Затем на под тигля устанавливают нижнюю часть тигля. Затем на под тигля устанавливают металлический шаблон засыпают огнеупорную массу. Во избежание разделения фракций массы её подают в печь по матерчатому или резиновому рукаву.

При использовании ручных электровибраторов футеровку тигля делают послойно 30-50 мм. Для больших печей применяют несколько шаблонов, так как высота шаблона должна быть не более 500-600 мм, устанавливаемых последовательно друг на друга по мере уплотнения тигля.

После футеровки тигля металлический шаблон остаётся в печи и расплавляется при её нагреве.

Зерновой состав набивной массы оказывает большое влияние на долговечность набивной футеровки. Так, при использовании мелких фракций получают хорошее спекание и более плотную футеровку, хорошо противостоящую воздействию металла и шлака. Однако при высоком содержании мелких фракций стенки футеровки быстро и глубоко спекаются, что значительно уменьшает термическую стойкость футеровки и приводит к образованию в ней сквозных трещин.

При большом количестве крупных фракций футеровка менее плотна, спекаемость массы снижена.

Футеровку печи сушат плавно, повышая температуру, что исключает отслаивание футеровки. Печь нагревают при включении индуктора в электрическую сеть. Предварительно в печь загружают несколько стальных или чугунных блоков, которые, нагреваясь вихревыми токами, разогревают футеровку печи. Обычно время нагрева до 1000°С не превышает 10 часов. Затем печь переключают на более высокую ступень напряжения и расплавляют металл, загружаемый в печь, или в печь заливают жидкий металл из другой печи. Футеровка печи спекается при рабочей температуре за 1 час. Температура спекания футеровки при плавке чугуна 1500°С.

Срок службы футеровки зависит и от химического состава металла. При выплавке чугуна может иметь место переход кремния из футеровки в жидкий металл. Например, для чугуна, содержание 3%Сu и 1%Si, температура равновесного состояния равно 1400°С.

Футеровка печи ИЧТ-6. Перед началом футеровочных работ покрытый обмазкой индуктор обложить изнутри слоем асбестового картона 5 мм, второй слой - миканит 1мм.

Футеровка электропечи кварцевая.

1. Формовочные материалы.

1.1. Кислые огнеупорные материалы: чистый кварцит и борная кислота или борный анледрид, их применяют в качестве связующего.

1.2. Первоуральский кварцит ПКММ - 97%, его влажность должна быть не более 0,3%.

.3. Борная кислота - 3%. Влажность не более 0,2%. Для контроля кварцита используют сита с ячейками в свету 3 мм; 1 мм; 0,5мм; 0,1мм.

Изготовление пода электропечи.

Под выполняют из штучных огнеупоров. Состав футеровочной массы для пода тигля.

ППММ - 98,8%.

Борная кислота - 1,2%.

Изготовление стен тигля.

Состав набивной массы для стен тигля набиваемых до уровня 2/3 общей высоты тигля.

ПКММ - 1,5%.

Состав набивной массы для стенок верхней части (1/3 часть общей высоты).

ПКММ - 98,2%.

Борная кислота - 1,8%.

Футеровка крышки выполняется из огнеупорного бетона:

Магнезитовый заполнитель - 50%.

Тонкомолотый магнезит - 28%.

Мариламит, влажностью 0,005% - 12%.

Жидкое стекло - 10-12%.

Кремнеортофосфат натрия - 1,6%.

Механизм наклона. При разливке металла каркас печи и формовой необходимо наклонять на 95°-100°. Большие печи имеют, как правило, механизм наклона с гидравлическим цилиндром, соединенным с помощью шарниров с её каркасом и рамой. Гидравлический цилиндр гибкими шлангами соединён с насосной станцией. Из противопожарных соображений в гидросистемах вместо масла целесообразнее применять негорючую жидкость.

Механизм поворота крышки. Футеровочная крышка, закрывающая рабочее пространство, имеет гидравлический привод. Открытие и закрытие крышки производится с пульта управления. Наклон в одну сторону на угол 100°. С помощью двух гидравлических плунжеров.

Электрооборудование. В комплект печной установки входит трансформатор, конденсаторные батареи, преобразователь частоты тока, щиты управления и питающие кабели. Печь подключается к сети высокого напряжения (до 35кВт) через высоковольтный выключатель. Трансформатор имеет несколько регулировочных ступеней на вторичной стороне (до 10), что позволяет подводить необходимое напряжение к индуктору в зависимости от режима работы печи. Для компенсаций индуктивной мощности индуктора предназначены две конденсаторные батареи. Одна батарея включена постоянно, другую включают частями, по мере необходимости. Это даёт возможность для любого режима работы печи получать cosφ, близкий к единице.

Система охлаждения печи. Такие элементы печи, как индуктор, конденсаторы, кабели, могут работать только при их интенсивном охлаждению Для охлаждения используют воду. Температура воды на выходе из индуктора должна быть не более 50°С, при перепаде температур воды не более 25°С. Температура входящей воды не ниже 10°С.

При малом расходе воды и высокой её температуре (на выходе из индуктора) на стенках трубки индуктора может образоваться накипь, что приведёт к ухудшению его водоохлаждения и выходу преждевременно из строя.

При большом расходе воды и низкой её температуре (на выходе из индуктора) может произойти отпотевание индуктора и пробой изоляции.

Для ИЧТ-6 расход воды 20 , индуктор - 18 , токопровод - 2 при давлении 0,2 Па.

Плавка в ИЧТ-6. Загрузка шихты в тигель осуществляется с помощью бадей, лотков, питателей и др. Шихта, флюсы и добавки должны быть сухими. При загрузке следует обратить внимание на габариты кусков первой порции шихты: размеры d не менее 175 мм. или куски размерами 160×160 мм. 20%-30% от ёмкости тепла, следует оставлять для использования мелкой шихты, после каждой плавки и слива металла.

В первый период плавки, когда в тигель загружается только твёрдая шихта. Скорость нарастания не менее 100°С в час. В три, четыре приёма по мере расплавления предыдущих загрузок.

Нагрев и расплавление металла происходит за счёт протекающих в нём токов, которые возникают под воздействием электромагнитного поля, создаваемого индуктором. При этом возникает так же электрические силы, которые создают интенсивное перемешивание металла, обеспечивающее равномерность температуры и однородность химического состава расплавленного металла.

После загрузки в электрическую печь шихты (чугунных чушек, чёрного лома) крышка печи опускается и закрывает тигель.

Электропечь включается на режим плавки. По окончании процесса расплавления и перегрева электропечь отключается и металл сливается в разливочный ковш или форму. Наклон производится при помощи двух плунжеров наклона. Плунжеры наклона и гидроцилиндр механизма подъёма и поворота крышки приводится в действие давлением масла, поступающего по трубопроводу от маслонапорной установки, расположенной вблизи электропечи.

Основными достоинствами печей этого типа является простота перехода с плавки одного сплава на другой, высокая скорость нагрева, хорошее перемешивание металла, небольшой угар, возможность ведения плавок в любой атмосфере, в том числе и вакууме.