2. Индукционные канальные печи и миксеры
2.1. Устройство и принцип работы индукционной
Канальной печи
Индукционной канальной печью называется электроплавильная установка, у которой шихта в ванне плавится вследствие передачи тепла от ЖМ, перегретого в специальном канале переменным током, наведённым электромагнитным полем индуктора (рис. 2.1 [3, с. 228 – 230]).
Рис. 2.1. Принципиальная схема ИКП:
1 – ванна печи; 2 – ЖМ; 3 – стенка канала в подовом камне (подовый канал); 4 – ЖМ в подовом канале; 5 – магнитопровод; 6 – индуктор; 7 – переменный магнитный поток, создаваемый индуктором; 8 – электрический ток, наведённый магнитным
потоком индуктора
ИКП по сути представляет собой понижающий трансформатор с магнитопроводом 5, первичной обмоткой которого является индуктор 6, а вторичной – «виток», образованный расплавленным металлом 4 в U-образном канале 3 и металлом 2 на дне ванны 1 [3, с. 228].
Принцип действия ИКП состоит в том, что переменный магнитный поток 7 пронизывает замкнутый контур (один «виток»), образованный ЖМ в канале подового камня и в нижней части ванны, возбуждает (индуцирует) в этом контуре напряжение U2 и ток I2 , который нагревает ЖМ в канале.
Нижняя криволинейная часть U-образного подового канала располагается на одинаковом минимальном расстоянии от наружной поверхности витков цилиндрического индуктора, вследствие чего создаются наилучшие условия для радиального направления потока энергии электромагнитного поля от индуктора через внутреннюю стенку канала в ЖМ [1, с. 334].
Во время работы печи наблюдается непрерывное движение ЖМ из подового канала в ванну и обратно, в результате чего тепло от ЖМ постоянно передаётся твердой шихте, загружаемой сверху в ванну, и шихта в итоге расплавляется. Следовательно, ИКП не являются печами с прямым нагревом шихты, так как тепло выделяется не непосредственно в расплавляемой шихте, а передаётся ей перегретым ЖМ, расплавленным в канале.
2.2. Движение жидкого металла в подовом канале
Направление магнитного потока магнитопровода зависит от направления тока в индукторе и изменяется с частотой 50 Гц. Но так как магнитный поток магнитопровода создаёт (индуцирует) переменный ток в ЖМ подового канала, то и направление этого тока также одновременно (синхронно) изменяется с частотой 50 Гц, т. е. каждому новому направлению магнитного потока в магнитопроводе соответствует новое направление тока в ЖМ подового канала. Благодаря такой синхронности направление электродинамической силы Лоренца, с которой магнитное поле действует на ЖМ с током в подовом канале, не изменяется, т. е. действует в одном и том же направлении, как при положительной, так и при отрицательной полуволне переменного тока в индукторе.
Направление электродинамической силы Лоренца можно установить, пользуясь правилом левой руки [9, с. 301 – 303, 313].
Если бы подовый канал был заполнен токопроводником в виде твёрдого металла (например стальной проволокой), то электродинамические силы Лоренца пытались бы отодвинуть этот проводник от индуктора. Но так как канал заполнен ЖМ, то под давлением электродинамических сил Лоренца ЖМ прижимается к наружной стенке канала и по ней выдавливается в ванну. По внутренней стенке канала ЖМ из ванны засасывается вглубь подового канала. Вследствие этого происходит циркуляция ЖМ из подового канала в ванну и обратно.
Такое направление циркуляции ЖМ будет только в случае каналов, толщина и ширина которых постоянны по всей длине.
Если же толщина или ширина канала неодинаковы в разных местах, то возникает также продольная циркуляция металла вследствие появления осевой составляющей электродинамической силы Лоренца или (при переменной ширине канала) разной величины электродинамического давления в узкой и широкой части канала [1, с. 336]. И так как температура ЖМ в канале на 50 – 150 °С выше температуры ЖМ в ванне печи [3, с. 229], то происходит передача тепла от ЖМ подового канала к шихте и ЖМ в ванне.
Плотность тока в канале подового камня [3, с. 238] при плавке:
меди
,
латуни
,
чугуна
.