1.8.5. Корпус печи

Корпусом ИТП называется пространственная конструкция (цилиндрической или параллелепипедной формы), состоящая из отдельных скреплённых между собой элементов. Корпус может быть сделан в виде каркаса из профильного проката (уголков, швеллеров и пр.) или в виде сплошного кожуха из металлического листа. Корпуса печей большой ёмкости иногда делают разъёмными, чтобы облегчить и ускорить процесс смены футеровки. Если каркас или кожух печи образует замкнутый контур вокруг индуктора (как, например, кожух вакуумной печи), то в его металлических деталях, находящихся в переменном магнитном поле, возникают вихревые токи, нагревающие каркас и создающие активные потери энергии.

Каркасы печей малой ёмкости (примерно до 500 кг стали) часто изготавливаются из немагнитных материалов – дерева или азбоцемента с креплением при помощи деталей из немагнитных металлов (латунных шпилек, накладок и т.п.).

Каркасы печей большей ёмкости чаще всего изготавливаются из немагнитных металлов – бронзы, алюминиевых сплавов или немагнитной стали. При этом детали каркаса (во избежание больших потерь мощности индуктора) не должны образовывать замкнутые контуры вокруг индуктора, для чего в некоторых узлах каркаса необходимо применять изолирующие прокладки.

Для снижения потерь в корпусе нужно снизить вблизи него напряжённость магнитного поля, которая снаружи индуктора приближённо определяется отношением [1, c. 195]

, (1.8)

где – магнитный поток между индуктором и корпусом;

– магнитная проницаемость среды с наружной части индуктора;

– поперечное сечение магнитного потока между индуктором и каркасом или кожухом печи, .

Из формулы (1.8) видно, что для уменьшения напряженности необходимо или увеличивать , т.е. увеличивать размеры корпуса в плане (чтобы его детали были подальше от индуктора), или увеличивать , если, например, поместить вне индуктора магнитопроводы из листовой трансформаторной стали (рис. 1.20). Тогда значительная часть магнитного потока снаружи индуктора будет проходить через магнитопроводы, благодаря чему можно заметно уменьшить размеры корпуса в плане.

Рис. 1.20. Размещение пакетов внешнего магнитопровода:

1 – тигель; 2 – индуктор; 3 – пакет магнитопровода; – наружный диаметр индуктора; – диаметр окружности магнитопроводов; , – высота соответственно индуктора и магнитопроводов; а, в – соответственно толщина и ширина магнитопровода

Чтобы уменьшить поперечное сечение каждого магнитопровода, рекомендуется их размещать на некотором расстоянии от индуктора, так как при этом величина магнитного потока уменьшается. Однако такое решение может вызвать увеличение габаритных размеров корпуса печи. Общее количество пакетов магнитопровода выбирается в соответствии с конструкцией печи. Поперечное сечение пакета должно быть таким, чтобы он не нагревался выше над температурой окружающей среды [1, c. 198].

Высота пакета магнитопровода должна быть больше высоты индуктора. Отрезки магнитопровода выше и ниже индуктора следует делать одинаковыми.

Толщина листа трансформаторной стали, из которого собирается пакет, при промышленной частоте тока берётся равной 0,55 мм, а при токах повышенной частоты 0,35 мм или 0,20 мм [1, c. 198].

Активные потери в магнитопроводе очень малы – они не превышают 1,5 – 2,0 % потерь в индукторе, но вес его значительный: для печей малой ёмкости вес магнитопровода может быть равен весу садки и даже превышать его; для печей средней и большой ёмкости он всегда меньше веса садки.

Для уменьшения потерь в корпусе печи можно применять также электромагнитные экраны (рис. 1.21 [1, c. 201 – 205]), представляющие собой замкнутый цилиндрический кожух 1 из медного или алюминиевого листа, расположенный между индуктором 2 и кожухом печи или каркасом 3.

Известно, что даже при малой толщине металлического листа его экранирующее действие велико, но для приемлемого и рационального уменьшения потерь в экране должно быть соблюдено условие

, (1.9)

где – глубина проникновения тока в металл экрана, мм.

Рис. 1.21. Схема ИТП с электромагнитным экраном:

1 – замкнутый цилиндрический кожух; 2 – индуктор; 3 – каркас

Поэтому электромагнитные экраны из металла с малым удельным сопротивлением, толщина которых равна 1,5 – 2 глубины проникновения тока в экран, могут при небольших потерях в экране очень сильно уменьшить потери в кожухе. При промышленной частоте тока толщина таких экранов оказывается слишком большой, так как при 50 Гц для медного экрана и толщина экрана должна быть не менее .

Благодаря применению наружных магнитопроводов или электромагнитных экранов напряженность магнитного поля вблизи каркаса или кожуха можно уменьшить настолько, что потери в них снизятся до очень низкой величины и окажется возможным изготовить каркас из ферромагнитного проката – уголков или швеллеров из обычной углеродистой стали. Применение электромагнитных экранов из меди нерационально из-за дефицитности меди; лучше применять алюминиевые экраны. Печи с такими экранами более компактны и просты, чем печи с магнитопроводами [1, c. 202].

Особенно важной является задача уменьшения потерь в кожухах вакуумных ИТП, так как кожух вакуумной печи представляет собой замкнутый металлический цилиндр, окружающий индуктор, и является вследствие этого замкнутым витком вокруг индуктора. Поэтому потери мощности в вакуумных печах заметно выше, чем в каркасах открытых индукционных печей при одинаковых геометрических размерах.

Магнитные потоки циркулируют в зазорах между индуктором и садкой (т.е. внутри индуктора), между индуктором и кожухом (т.е. вне индуктора), в теле индуктора (внутри и снаружи), в садке и в кожухе [1, c. 203]. При повышенных частотах потоками в садке, в теле индуктора и в кожухе можно пренебречь по сравнению с потоками в зазорах (внутри и вне индуктора), так как приближенно можно считать, что потоки в металле циркулируют в слое толщиной порядка глубины проникновения тока ( ), которая обычно значительно меньше толщины зазора между индуктором и садкой ( ) и между индуктором и кожухом ( ). В соответствии с этим можно считать, что магнитный поток циркулирует только в зазорах и .

Для уменьшения диаметра кожуха вакуумных печей часто применяют, как и для открытых печей, магнитопровод из пакетов трансформаторной стали, которые (пакеты) почти вплотную друг к другу устанавливают вокруг индуктора, создавая почти замкнутый цилиндрический экран. Благодаря этому магнитный поток вне индуктора замыкается, главным образом, через магнитопровод, и потери в кожухе почти исчезают. Это позволяет значительно уменьшить диаметр кожуха.