Печи / Моргунов Печи литейных цехов
.pdf
Рис. 2.26. Схема плазменно-дуговой восстановительно-рафинировочной печи для производства тугоплавких металлов: 1 – шихта; 2 – плазмотроны; 3 –
жидкий металл; 4 – слиток
Индукционные печи
Индукционные печи - это разновидность электрических печей, работа которых основана на принципе работы трансформатора. В индукционных печах переменное электромагнитное поле наводится с помощью спиралеобразного, охлаждаемого водой или воздухом индуктора (первичная обмотка), по которому пропускают первичный переменный электрический ток.
В качестве вторичной обмотки используется непосредственно переплавляемый литейный сплав или стенка тигля. Именно в них наводится вторичный ток, который генерируется в тепловую энергию.
Важной особенностью индукционных печей является интенсивная циркуляция жидкого металла, вызываемая воздействием электромагнитных полей. Интенсивность перемешивания пропорциональна квадрату ампер – витков (I · n)2 и обратно пропорциональна частоте питающего тока
(f). Перемешивание расплава ускоряет процессы плавления и выравнивания расплава по химическому составу, и температуре. Это является положительной стороной индукционных печей. Отрицательной стороной движения расплава является повышенный износ футеровки (тигля или канала), образование мениска, вероятность выброса расплава из печи.
101
Другой особенностью индукционных печей является то, что плотность вторичного (индуцируемого) тока достигает максимума на поверхности расплава, т.е. у стенок футеровки, и снижается по направлению к внутренним его слоям. Причем толщина поверхностного слоя металла, где в основном наблюдается вторичный электрический ток, зависит от частоты данного тока, а именно, значение толщины поверхностного слоя любого проводника (∆), где в основном течет электрический ток, обратно пропорционально квадрату его частоты (∆ → 1/f2). Поэтому основная тепло-
вая энергия генерируется именно в этом слое проводника. Основными преимуществами индукционных печей являются:
-генерирование тепловой энергии непосредственно в нагреваемом материале, что значительно снижает потери энергии;
-достижение температуры расплава лимитируется только стойкостью огнеупорной футеровки печи;
-циркуляция расплава в печи, ускоряющая процессы плавки и стабилизации свойств;
-незначительный угар легирующих элементов;
-малые габариты печей;
-пониженное содержание газов в расплаве (незначителен процесс их поглощения).
Основными недостатками индукционных печей являются:
-низкая температура шлака и, соответственно, малая его активность, т.е. шлак не обладает эффективным рафинирующим свойством;
-малая стойкость футеровки, особенно основной.
На рис. 2.27 представлена схема классификации индукционных печей, в зависимости от способа наведения вторичного тока, применяемой частоты тока, конструктивного исполнения, области применения и т.п.
102
Плавильные
Чугун
Сталь
Сплавы: Al; Cu; Zn; Mg; Ni
Прямого
действия
Миксеры |
|
ИНДУКЦИОН- |
|
Миксеры |
|
|
|||
|
НЫЕ ПЕЧИ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ТИГЕЛЬНЫЕ |
Промышленной |
КАНАЛЬНЫЕ |
|
частоты |
|||
|
|
||
|
(50 Гц) |
|
|
|
|
|
Повышенной
частоты
(до 10000 Гц)
С вертикальным каналом
Косвенного
действия
Барабанные Шахтные
Раздаточные
Плавильные
Чугун
Сплавы: Cu; Al; Zn
С горизонтальным каналом
Ванные
Рис. 2.27. Классификация индукционных плавильных печей
103
В зависимости от способа наведения вторичного тока в переплавляемом сплаве и конструктивного исполнения различают две разновидности индукционных печей: тигельные и канальные (см.рис. 2.27).
Индукционные тигельные печи
Индукционные тигельные печи применяются для плавки почти всех литейных сплавов. В них производят выплавку сталей (печи типа ИСТ), чугуна (печи типа ИЧТ), алюминиевых сплавов (ИАТ), латуни (ИЛТ) и других цветных сплавов (Zn; Mg; Ni). Тигельные печи имеют достаточно высокий электрический к.п.д. – порядка 55-65%.
В тигельных печах (см.рис. 2.28) тигель с рабочим материалом (шихтой) помещают внутрь спиралеобразного индуктора. При пропускании через индуктор переменного тока тигель с шихтой попадает в переменное электромагнитное поле удвоенной силы, которое вызывает возникновение вторичного вихревого тока (тока Фуко).
а) |
б) |
Рис. 2.28. Схемы индукционных тигельных печей: а – прямого действия; б – косвенного действия; 1 – индуктор; 2 – тигель огнеупорный; 3 – сплав; 4 – блок конденсаторов; 5 – источник переменного тока заданной частоты; 6 – до-
полнительный тигель-нагреватель
В зависимости от места преимущественного возникновения вторичного тока различают индукционные тигельные печи прямого действия и косвенного действия.
104
Виндукционных тигельных печах прямого действия вторичные то-
ки возникают в шихтовых материалах и расплаве, расположенных в тигле
(см.рис. 2.28,а).
Виндукционных тигельных печах косвенного действия вторичный ток в основном возникает в дополнительном тигле-нагревателе, который играет роль вторичной оболочки (см.рис. 2.28,б). От тигля-нагревателя происходит нагрев сплава. Материалом для изготовления тиглянагревателя служит преимущественно графит.
Индукционные тигельные печи в зависимости от частоты тока мо-
гут быть промышленной частоты (50 Гц) и повышенной частоты (до
10000 Гц).
Вкомплект оборудования индукционных печей повышенной частоты обязательно входят преобразователи частоты и напряжений переменного тока.
Частота тока оказывает значительное влияние на работу индукционных печей. От нее зависит время и температура нагрева, интенсивность перемешивания расплава, к.п.д. печи и т.п.
Впервом приближении выбор оптимального значения частоты тока зависит от размеров тигля печи, типа выплавляемого сплава (его магнитной проницаемости) и массы металла в тигле. Чем больше диаметр тигля, чем больше в нем масса сплава, тем меньшее значение частоты тока можно применять в тигельных печах. В табл. 2.1, в качестве ознакомления, представлены интервалы значений частот тока, применяемых в тигельных печах, в зависимости от размеров тигля и обрабатываемого сплава.
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
Предпочтительная частота тока для тигельных индукционных печей |
||||
Внутренний |
Масса металла в тигле, (т) |
Частота тока, |
||
диаметр тиг- |
Сталь, чугун |
Алюминие- |
Медный |
(Гц) |
ля, (мм) |
|
вый сплав |
сплав |
|
300-425 |
0,25-0,65 |
0,10-0,25 |
0,30-0,75 |
500-2400 |
450-550 |
1,0-1,5 |
0,35-0,55 |
1,0-2,0 |
50-1000 |
Выше 550 |
Выше 1,5 |
Выше 0,55 |
Выше 2,0 |
50-500 |
Специфической особенностью индукционных тигельных печей, при рассмотрении их работы с позиции работы по принципу трансформатора,
является отсутствие замкнутого магнитопровода. Это приводит к возникновению значительного индуктивного сопротивления в цепи переменного тока, что вызывает сдвиг фаз напряжения и тока. Мощность такой установки падает, соответственно коэффициент мощности тигельной печи может имееть значения:
105
Cosφ = 0,03 – 0,2
Для увеличения коэффициента мощности (Cosφ) в электрическую схему индукционной тигельной печи параллельно включают батарею конденсаторов. Они должны компенсировать индуктивное сопротивление и вызывать обратный сдвиг фаз. Методом подбора емкости конденсаторов добиваются увеличения Cosφ, приближая его к единице.
Здесь следует отметить, что повышение частоты электрического тока в индукционной тигельной печи ведет к снижению требуемой емкости конденсаторных батарей, для повышения Cosφ до максимальных значений.
Индукционные тигельные печи могут использоваться в качестве плавильных агрегатов, как первичные агрегаты, или в качестве миксеров, как вторичные агрегаты.
Рис. 2.29. Схема индукционной тигельной ванной печи: 1 – индуктор;
2– тигель-ванна
Внастоящее время для миксерования большого количества расплава разработаны тигельные ванные печи большой емкости (см.рис. 2.29).
Для интенсификации процесса выплавки литейных сплавов высокого качества применяются индукционные плазменно-дуговые печи
(см.рис. 2.30).
106
Рис. 2.30. Схема индукционной плазменно-дуговой печи: 1 – плазмотрон; 2 – индуктор; 3 – анод
Конструктивно данная печь не отличается от индукционной тигельной печи. Отличие состоит в том, что в крышку данной печи над тиглем установлен дуговой плазмотрон прямого действия, а в подине тигля выполнен водоохлаждаемый анод.
Плазматрон с механизмом передвижения смонтирован на крышке печи. Мощность плазмотрона составляет примерно 1/3 мощности индуктора. Применение плазматрона для обогрева ванны в тигле позволяет устранить основные недостатки индукционных печей – низкую температуру шлаков и ограниченную возможность проведения активных металлургических процессов. Производительность печи в данном случае повышается в 1,5-1,7 раза. В начальный период плавки плазменная дуга относительно быстро проплавляет в шихте колодец. Образуется "болото" металла, что резко повышает к.п.д. плавления. Для плавки сталей выпускаются индукционно-плазменные печи серии ИПСТ емкостью 0,16 и 0,25 т. потребляемая мощность печей 170 и 290 кВт соответственно. Плазмобразующий газ – аргон. Его расход – 1,5 м3/ч. Постоянный ток плазмотрона – 1,5 кА.
Индукционные канальные печи
В индукционных канальных печах вторичный ток наводится в замкнутом витке жидкого металла. Виток жидкого металла оформляется
107
специальным каналом, выполненным в нижней части рабочего пространства печи из огнеупорного материала. Огнеупорный канал выполнен таким образом, что образует виток вокруг водоохлаждаемого (воздухоохлаждаемого) индуктора. Внутри индуктора проходит ветвь замкнутого магнитопровода (стального сердечника). Совместное выполнение магнитопровода, индуктора и огнеупорного канала образует единое устройство, котрое называется индуктивной единицей.
Мощность индуктивной единицы ограничена огнеупорностью футеровки. Поэтому в канальных печах большой емкости устанавливают несколько индуктивных единиц.
Индукционные канальные печи выпускаются только промышленной частоты (50Гц).
При работе печи в замкнутом витке жидкого металла (вторичной обмотке) возникает вторичный ток, который может достигать значений 10 и более килоампер (кА). В данном витке металла происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Плавление и перегрев сплава в рабочем пространстве печи происходит за счет постоянной циркуляции расплава в замкнутом канале.
Во избежание разрыва цепи вторичной обмотки (непредвиденный выход расплава из канала) в печи необходимо постоянно держать определенное количество расплава ("болото").
Замкнутые каналы в канальных печах могут выполняться вертикальными (см.рис. 2.31,а) и горизонтальными (см.рис. 2.31,б).
108
а) |
б) |
Рис. 2.31. Схемы индукционных канальных печей: а – с вертикальным каналом; б – с горизонтальным каналом; 1 – индуктор; 2 – сплав; 3 – замкнутый
канал; 4 – магнитопровод
В свою очередь индукционные канальные печи с вертикальным каналом по форме рабочего пространства и конструктивному исполнению канала могут быть (см.рис. 2.32):
-барабанные с U-образным исполнением каналов;
-вертикальные (шахтные) с U-образным исполнением каналов;
-вертикальные (шахтные) с прямоугольным исполнением каналов.
109
а) |
б) |
в) |
Рис. 2.32. Схемы индукционных канальных печей с вертикальным каналом: а – барабанные; б – вертикальные (шахтные) с U-образным каналом; в – вертикальные (шахтные) с прямоугольным исполнением канала; 1 – индукционная
единица
Выполнение каналов в печи прямоугольной формы требуется при плавке быстроокисляемых сплавов, имеющих тугоплавкие оксиды (например, алюминиевых сплавов). При циркуляции расплава по каналу, его оксиды засоряют канал. Для упрощения чистки канала его выполняют прямоугольной формы.
Как правило индукционные канальные печи имеют высокий к.п.д.
– порядка 75-80%. Они при выдержке расплава более совершенны, чем тигельные. Значение Соsφ у канальных печей выше в 3 раза, по сравнению с тигельными. В связи с этим для работы канальной печи требуется в 3-4 раза меньше применяемая емкость конденсаторных батарей. Средний удельный расход электроэнергии у канальных печей в режиме перегрева расплава соствляет около 50 кВт·ч/т.
Индукционные канальные печи применяются для плавки медных (печи типа ИЛК) и алюминиевых сплавов (типа ИАК), а также для перегрева и миксерования чугуна (ИЧКМ).
Сейчас разработаны конструкции ванных индукционных канальных печей большой емкости (см.рис. 2.33).
110