1.8. Конструкция основных узлов индукционных тигельных печей

1.8.1. Тигель

Тигель является одной из трёх основных частей футеровки. Помимо него футеровка состоит из подины и лёточной керамики (рис. 1.6 [1, с. 173]).

Рис. 1.6. Футеровка индукционной тигельной печи:

1 – подина; 2 – тигель; 3 – лёточная керамика со сливным носком; 4 – обмазка для замазывания щели между верхним обрезом тигля

и лёточной керамикой

Тигли бывают неэлектропроводные (из огнеупорных материалов) и электропроводные (металлические и графитовые). Рассмотрим в первую очередь неэлектропроводные (огнеупорные) тигли, так как металлические и графитовые тигли не являются футеровкой.

Форма тигля должна одновременно обеспечивать удобное ведение плавки и обработки ЖМ, минимальные тепловые потери, максимальный электрический КПД и достаточную механическую прочность [1, с. 173 – 175]. Для выполнения первого требования необходимо применять тигли достаточно большого диаметра и не слишком большой глубины. Для достижения максимального электрического КПД следует стремиться к тому, чтобы толщина стенки тигля была минимальной, а полезная высота (т. е. высота садки или ЖМ в тигле) была больше его внутреннего диаметра.

Чтобы обеспечить минимальные тепловые потери через стенки тигля, нужно применять тигли с диаметром, равным высоте, при максимальной толщине стенки, что одновременно увеличивает механическую прочность тигля, но снижает электрический КПД системы индуктор – садка печи.

Удовлетворить одновременно эти требования невозможно, но на основе длительной эксплуатации разных неэлектропроводных тиглей установлены приемлемые соотношения следующих параметров: отношение среднего внутреннего диаметра полезной части тигля к его полезной высоте должно быть

в пределах ; средняя толщина стенки тигля должна равняться от 10 до 25 % среднего диаметра [1, c. 173].

Вследствие того, что гидростатическое давление ЖМ на стенки тигля растёт от поверхности металла к дну тигля, толщину его стенок увеличивают сверху вниз, т.е. внутренняя поверхность тигля является не цилиндрической, а в форме усеченного конуса с меньшим сечением в виде дна тигля.

Для увеличения прочности тигля сопряжение его стенок и дна делают либо под углом 45 – 50 °, либо применяют плавный переход закруглением от стенок к дну.

Кроме того, к тиглю предъявляются следующие требования [1, c. 174 – 175]:

– стойкость против температурных напряжений;

– незначительное изменение в объёме в диапазоне температур нагрева;

– малый коэффициент линейного расширения;

– высокая механическая прочность при рабочей температуре до 1650 °С;

– химическая стойкость к расплавляемому металлу и шлаку при температуре разливки;

– сохранять изоляционные свойства в диапазоне температур 200 – 1650 °С.

Рецептура футеровочных материалов зависит от выплавляемого металла или сплава и определяется их свойствами: температурой плавления, химической активностью и т.п. В настоящее время в неэлектропроводных тиглях плавят не только обычные и специальные марки чугуна и стали, но также цветные и легкие металлы и сплавы. Благодаря этому количество рецептов футеровок велико. Для выплавки одного и того же сплава или металла применяют сравнительно много рецептов футеровочных масс, отличающихся содержанием составляющих или величиной зерна и проверенных длительной эксплуатацией [1, c. 175 – 180].

При плавке чугунов и сталей применяются кислые, основные и, значительно реже, нейтральные футеровочные материалы.

Составы футеровочных масс для открытых и вакуумных печей (если плавят одинаковые металлы и сплавы) почти одинаковы и отличаются добавкой составляющих (например электрокорунда в тиглях вакуумных печей), увеличивающих стойкость тигля.

Стойкость тиглей, изготовленных из кислых футеровочных материалов, доходит до 100 и более плавок. Тигли из основных футеровочных масс выдерживают 80, а иногда и более плавок, но в общем стойкость основных тиглей ниже стойкости кислых [1, c. 175 – 176].

В ИТП для плавки алюминиевых сплавов часто применяются полукислая и высокоглиноземистая футеровочные массы. Стойкость тиглей из этих масс порядка 7 – 8 месяцев непрерывной работы. Применяются также тигли из жароупорного бетона. Стойкость таких тиглей также превышает 7 – 8 месяцев непрерывной работы печи, но преимуществом тиглей из жароупорного бетона является значительно более короткий период сушки и нагрева до рабочей температуры (5 – 6 суток по сравнению с 12 – 13 сутками для других видов футеровки) [1, c. 177].

Тигли для плавки меди и медных сплавов изготавливаются из нейтральной высокоглиноземистой или хромитовой набивной массы. В качестве связующих применяются борная кислота, бура и др. (для спекающейся футеровки) или смесь жидкого стекла с глиной, увлажненной глины и др. (для футеровки изготавливаемой из увлажненных материалов) [1, c. 177 – 178].

Никелевые сплавы получают в тиглях из плавленого магнезита [5, c. 208 – 210].

Кроме неэлектропроводных тиглей в ИТП применяются также электропроводные, сделанные из чугуна, стали или графита. Особенность электропроводного тигля заключается в том, что он практически не пропускает электромагнитные волны в шихту, поэтому вихревые токи наводятся не в кусках шихты, а в стенке тигля, нагревая её до высокой температуры (выше температуры плавления металла шихты). Шихта внутри такого тигля нагревается и плавится вследствие поглощения тепла, поступающего от стенок тигля. Тигли из стали используются только для выплавки легкоплавких металлов и сплавов, не взаимодействующих со сталью (например, магния). Тигли из графита могут применяться независимо от температуры плавления для выплавки тех металлов и сплавов, которые не растворяют графит при этих температурах, например, меди или алюминия (см. в подразд. 1.5 разновидности ИТП по частоте тока). Высокое удельное сопротивление стали и особенно графита делают экономичной плавку в них металлов с низким удельным сопротивлением. Толщина стенки электропроводных тиглей должна обеспечивать механическую прочность тигля и выделение большей части мощности в стенке тигля [1, c. 179]. Второе требование для графитового тигля осуществимо только при повышенных частотах тока , так как при большом удельном сопротивлении графита (порядка ) глубина проникновения тока в графит велика. Например, даже при частоте тока . Это значит, что при более низкой частоте тока для соблюдения условия потребуется графитовый тигель с очень толстой боковой стенкой. На практике толщину стенки выбирают такой, при которой тигель целиком поглощает электромагнитную энергию при частоте питающего тока в индукторе 1000 Гц и более [5, c. 151].

Электропроводные тигли нагреваются индуктивными токами до температуры расплавляемого металла (т.е. до 800 – – 1200 °С в зависимости от рода металла). Чтобы избежать чрезмерных тепловых потерь, между токопроводящим тиглем и индуктором создают слой набивной футеровки или засыпки, играющей роль теплоизоляции и защиты индуктора от проникновения расплавленного металла при повреждении тигля.