1. Классификация и области применения установок для индукционной плавки и сплавов
1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Под индукционным нагревом понимают нагрев тел в электромагнитном поле за счет теплового действия электрического тока, протекающего непосредственно по нагреваемому телу и возбуждаемого в нем благодаря явлению электромагнитной индукции. При этом ток в нагреваемом изделии называют индуктированным или наведенным током.
Индукционными установками называют электротермические устройства, предназначенные для индукционного нагрева или плавки тех или иных материалов. Под индукционной установкой понимают весь комплекс устройств, обеспечивающих осуществление электротермического процесса (включая источники питания, устройства автоматики и управления, комплектующее оборудование, токоподводы, некоторые вспомогательные устройства и т. п.). Под индукцконной печью обычно понимают часть индукционной установки, включающую индуктор, каркас, камеру для нагрева или плавки, вакуумную систему, механизмы наклона печи или перемещения нагреваемых изделий в пространстве и т. п.
Индукционной плавильной установкой называют индукционную установку, в которой нагреваемый металл доводится до плавления, т. е. меняет свое агрегатное состояние в процессе нагрева.
Важнейшим элементом любой индукционной печи является индуктор, представляющий собой проводник или систему проводников определенней конфигурации, подключаемый к внешнему источнику переменного тока и предназначенный для дистанционного (бесконтактного) наведения в нагреваемом изделии переменного электромагнитного поля и электрического тока, разогревающего изделие. Индуктор обычно навивается из провода в виде одноили многовитковой катушки, поперечное сечение которой определяется размерами
иконфигурацией нагреваемых изделий. Сами изделия, помещенные в индуктор
иподвергаемые индукционному нагреву, принято называть загрузкой.
Внекоторых случаях загрузку целесообразно нагревать, возбуждая электрический ток не непосредственно в ней, а в каком-либо промежуточном устройстве (например, в муфеле или в электропроводном тигле). Такой вид нагрева загрузки называют косвенным индукционным нагревом, а печь, служащую для его реализации, называют индукционной печью косвенного нагрева.
На практике используется также понятие индукционный нагреватель. В состав его входят все элементы индукционной установки, кроме источников питания и токоподводов.
Для компенсации реактивной мощности индуктора используют группу силовых конденсаторов, соединенных между собой, как правило, параллельно, и оформленных в отдельный конструктивный узел, который принято называть
конденсаторной батареей.
Индуктор, соединенный токоподводом с конденсаторной батареей, образует силовой колебательный контур индукционной установки. Упомянутый токоподвод, выполняемый обычно в виде пакета шин и кабелей (контурные токи могут составлять несколько десятков тысяч ампер), иногда называют короткой сетью установки, по аналогии с короткой сетью дуговых печей.
Важное значение в практике индукционного нагрева имеют также понятия потребляемой и установленной мощности установки, а также настила тока в индукторе.
Потребляемая активная мощность индукционной установки представляет собой сумму активных мощностей, потребляемых из сети всеми агрегатами, аппаратами и приборами, входящими в комплект индукционной установки, для обеспечения нормального технологического процесса.
Установленная полная мощность индукционной установки есть сумма полных мощностей, обозначенных в паспортах или на щитках всех агрегатов, аппаратов и приборов, входящих в состав установки и потребляющих энергию из сети. Настил тока означает величину полного тока, протекающего на единице длины (соответственно индуктора или загрузки), отложенной вдоль силовых линий поля (измеряется в амперах на метр – А/м).
1.2. ОСОБЕННОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА ИНДУКЦИОННЫХ МЕТОДОВ НАГРЕВА
Индукционный нагрев основан на преобразовании электрической энергии в тепловую. В электромагнитное поле, создаваемое током индуктора, вносят нагреваемое тело. Благодаря явлению электромагнитной индукции в нем возникает электродвижущая сила и появляется электрический ток, который и приводит к разогреву загрузки.
Индукционный метод нагрева наиболее широко применяется для нагрева и плавки металлов и сплавов.
Преимущества индукционного нагрева по сравнению с другими методами нагрева заключаются в следующем:
1.Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело позволяет осуществить прямой («глубинный») нагрев материалов, и значительно увеличить его скорость по сравнению с печами косвенного нагрева, где изделия нагреваются только через поверхностный слой («поверхностный» нагрев).
2.Максимальный уровень температур может быть весьма высоким, лимитируется в основном только применяемыми огнеупорными материалами.
3.При передаче электрической энергии в нагреваемое тело не нужны контактные устройства, что значительно упрощает конструкцию и позволяет применить индукционный метод в условиях автоматизированного поточного производства, а также осуществлять нагрев в вакууме ив защитных средах.
4.Благодаря явлению поверхностного эффекта на высоких частотах максимальная мощность выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия, и тем самым индукционный метод при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверхности изделия, позволяя получить ее высокую твердость, при сохранении относительно вязкой сердцевины. Поверхностная индукционная закалка быстрее и экономичнее других методов поверхностного упрочнения изделий.
5.В индукционных плавильных печах возникающие при передаче энергии в расплав электродинамические усилия способствуют циркуляции расплава
вобъеме тигля. Это ускоряет процесс плавки и позволяет получать металл со стабильными и однородными свойствами.
6.Источник нагрева (индуктор), являясь «холодным» (его собственная температура не превышает обычно 50–70° С) и осуществляя нагрев загрузки бесконтактно, не вносит никаких загрязнений в атмосферу печи, что позволяет осуществлять прецизионные и особо чистые технологические процессы.
7.Индукционный метод нагрева и плавки в большинстве случаев позволяет повысить производительность труда, значительно улучшить санитарно-ги- гиенические условия производства и исключить загрязнение воздушного бассейна.
1.3.КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТАНОВОК ДЛЯ ИНДУКЦИОН-
НОЙ ПЛАКИ СПЛАВОВ
Индукционные плавильные установки (рис. 1.1) делятся на:
1)индукционные канальные печи (ИКП);
2)индукционные тигельные печи (ИТП);
3)индукционные вакуумные печи (ИВП);
4)индукционные печи с холодным тиглем (ИПХТ);
5)устройства для плавки в электромагнитном тигле (ЭМТ);
6)устройства для зонной плавки (ИЗП);
7)устройства для выращивания монокристаллов;
8)устройства для гарниссажной плавки (ИГП);
9)устройства для струйной плавки (ИСП);
10)индукционные печи непрерывного действия (ИНП).
Дадим краткую характеристику некоторых наиболее распространенных индукционных установок.
Обширным классом индукционных устройств являются плавильные печи. Наибольшее распространение в промышленности получили канальные печи (печи с железным сердечником) и тигельные печи (печи без сердечника).
Канальная печь (см. рис. 1.1, а) представляет собой своеобразный трансформатор с магнитопроводом. Первичной обмоткой является индуктор, а вторичной и одновременно нагрузкой трансформатораслужит расплавляемый металл, находящийся в выложенном огнеупорным материалом замкнутом кольцевом канале.
Индукционная канальная электропечь в настоящее время является одним из основных плавильных агрегатов для цветных металлов и сплавов. Применяются эти печи и при выплавке чугуна дуплекс-процессом. В частности канальные электропечи часто используются в качестве миксеров – устройств для выравнивания температуры и доводки химического состава, для перегрева и выдержки жидкого металла.
Тигельная печь (см. рис. 1.1, б) по принципу действия подобна воздушному трансформатору. Первичная обмотка – индуктор, вторичная обмотка и одновременно нагрузка – расплавленный металл в тигле, помещенном внутри индуктора.
Печи этого типа широко применяются в промышленности для плавки черных и цветных металлов, как на воздухе, так и в вакууме и в защитных атмосферах. В на-
стоящее время используются такие печи емкостью от десятков грамм до десятков тонн.
Основным назначением индукционных тигельных электропечей является выплавка черных и цветных металлов, высококачественных сталей и специальных сплавов, требующих особой чистоты, однородности и точности химического состава. В последние годы тигельные печи все чаще стали использовать в комплексе с другими плавильными агрегатами (вагранками, дуговыми печами). В этих случаях металл, предварительно расплавленный в указанных печах, поступает затем в индукционную электропечь для рафинирования и доведения до заданного химического состава.
В индукционных тигельных печах плавят также благородные металлы (золото, платину и др.).
По частоте питающего тока индукционные печи и установки разделяются
на:
1)установки промышленной частоты, питающиеся от сети 50 Гц непосредственно или через специальные понизительные трансформаторы; однофазные установки большой мощности имеют симметрирующие устройства для выравнивания нагрузки по фазам питающей сети;
2)установки средней или повышенной частоты (150 – 10 000 Гц), питающиеся от электромашинных, или статических преобразователей частоты;
3)высокочастотные установки (или установки высокой частоты), питающиеся от ламповых генераторов, работают на частотах от 20 000 Гц до нескольких мегагерц.
Чем меньше размеры нагреваемых объектов и чем меньше их электропроводность; тем, как правило, выше применяемая частота. В связи с увеличением размеров нагреваемых объектов в последние годы начало разрабатываться также оборудование на частоту менее 50 Гц (так называемые установки пониженной частоты).