3. Принцип работы печи.

Принцип работы печи основан на поглощении электромаг­нитной энергии материалом загрузки, размещенной в тиг­ле печи. Нагрев и расплавле­ние металлической шихты про­исходят вследствие наведения электрического .. тока путем электромагнитной индукции от магнитного поля, создаваемого индуктором, подключенным к источнику переменной ЭДС. При прохождении тока в кусках шихты происходит разогрев их до оплавления и образова­ния жидкой ванны. При получении жидкой ван­ны наибольшая плотность тока имеет место на перифе­рии металлической загрузки в слое, прилегающем к стенкам тигля, а наименьшая — в центральной пасти за­грузки. Почти вся поглощаемая энергия выделяется в слое. металла, толщина которого равна глубине проник­новения тока А_Э|Гор. Выделение энергии зависит от часто­ты тока, геометрических соотношений диаметра тигля и диаметра индуктора, размеров и электрофизических свойств шихтового материала. Поскольку при изменении температуры изменяются как геометрические размеры сплавляемых друг с другом кусков металла, так и их магнитная проницаемость и удельное электрическое со­противление, то частота тока выбирается из условий оп­тимального режима плавки, при которых процесс рас­плавления идет наиболее быстро.

При ведении плавки большую роль играет циркуля­ция расплавленного металла в ванне печи, которая воз­никает от электродинамических усилий при взаимодейст­вии токов в индукторе и металле. Направления этих то­ков противоположны друг другу, и возникают силы, ко­торые приводят к выдавливанию металла от стенок тиг­ля к центру; в результате поверхность ванны расплав­ленного металла в центре вспучивается и металл нахо­дится в состоянии непрерывного движения. Циркуляция металла способствует ускорению химиче­ских процессов между компонентами расплава и шла­ком и выравниванию состава расплава. Для уменьшения высоты мениска и уменьшения количества шлака для покрытия поверхности ванны центр катушки индуктора сдвигают вниз по отношению к центру металла в тигле печи таким образом, чтобы верхний виток катушки был ниже уровня зеркала металла на 100—200 мм. Особен­но большой сдвиг делают в печах промышленной часто­ты, где циркуляция металла наиболее интенсивна.

4. Конструкция основных элементов тигельных печей. Рассмотрим конструкцию основных элементов тигельных печей.

Индуктор выполняют из медной водоохлаждаемой трубки круглого, квадратного или прямоугольно­го сечения. Толщина стенок трубок ∆_и не должна быть меньше 1,ЗД_Э,_И, где ∆_и — глубина проникновения тока в медь при рабочей частоте печи. Ниже приводятся реко­мендуемые толщины трубок в зависимости от частоты питающего тока:

f, Гц . . 50 500 1000 2500 4000 8000 70000

∆_и, мм . . 13—20 3,5—6 2,5—4,5 2—4 2—3 1,5—2 0,8—2

Для печей промышленной частоты 50 Гц индуктор выполняют из неравностенных трубок, утолщенная сто­рона которых должна быть направлена к тиглю с метал­лом. Размеры сечений трубок следующие:

Обычно индукторы выполняют однослойными из нескольких катушек, имеющих раздельное водяное охлаж­дение. При необходимости увеличения высоты витка ин­дуктора либо выполняют намотку из двух спаянных между собой трубок, либо делают две параллельно соединенные катушки, установленные одна под другой по высоте тигля.

В последнем случае катушки выполняются: од­на — левой, а другая — правой намотки, т. е. чтобы ка­тушки имели согласное включение при подсоединении их к источнику питания. Токоподводы подключают к вит­кам в центральной части индуктора и к параллельно со­единенным крайним виткам (нижнему и верхнему вит­кам) индуктора.

Вода для охлаждения секций индуктора должна по­даваться через гибкие резинотканевые шланги достаточ­ной длины для обеспечения поворота печи. Температура входящей воды не должна быть ниже 10° С во избежа^: ние отпотевания индуктора, а выходящей — не выше 50° С, так как при более высокой температуре происхо­дит отложение солей на стенках трубки, что приводит к уменьшению сечения отверстия для прохода воды. Систе­му водоохлаждения рассчитывают так, чтобы падение давления в каждой из секций индуктора не превышало 2 кПа. Электропечи большой мощности (для плавки ни­келя, чугуна) и емкости имеют до 10—16 секций водоохлаждения. Для контроля температуры воды и давления устанавливают электроконтактные термометры и реле давления, а также реле протока, обеспечивающие свое­временную сигнализацию и отключение установки при нарушении охлаждения.

Крепление витков индуктора может быть выполнено либо с помощью припаянных шпилек, закрепленных в деревянных стойках в четырех диаметрально противопо­ложных местах по окружности витка индуктора, либо стяжками (с изоляцией витков с помощью многослой­ной изоляционной ленты или изоляционных прокладок), а также путем заливки жаростойким бетоном. Индукто­ры, изготовленные последним способом, являются вибро­стойкими, хорошо противостоят электродинамическим усилиям и механическим воздействиям при наклоне пе­чи, но в случае пробоя изоляции не могут быть отремон­тированы и подлежат полной замене.

Токоподводы к индуктору осуществляют шинопроводами с разъемным соединением в виде контактного но­жа и губок или гибким водоохлаждаемым кабелем. Для уменьшения сечения жил кабель помещают в водоохлаждаемый рукав. Сечение шинопроводов выбирают с уче­том поверхностного эффекта.

Тигли могут быть электропроводящими (из электро­проводящих материалов — стали, графита) или неэлектропроводящими (из керамических материалов). Элек­тропроводящие тигли применяют для улучшения КПД печи при нагреве металлов и сплавов с малым удельным электросопротивлением. Толщина тиглей из стали лежит в пределах 20—40 мм, графитовых—30—70 мм. Графи­товые тигли применяют для плавки меди и алюминия, стальные — для плавки магния. Электропро­водящий тигель закрепляется с помощью уголков и по­лос, приваренных к тиглю и кожуху печи в нескольких местах по окружности тигля и соединяемых между собой болтами с изолирующими втулками и шайбами. Между тиглем и индуктором предусматривают огнеупорный и теплоизоляционный слои из шамотной и диатомитовой крупки и асбестового картона.

Воротник печи (верхняя часть тигля) выполняют из шамотовых или магнезитовых кирпичей и обмазывают составом, содержащим глину и другой связующий мате­риал. Сливной носок изготавливают из шамотовых или магнезитовых блоков или кирпичей и также обмазыва­ют. Крышки печей футеруют огнеупорным фасонным кирпичом. При загрузке печи крышку снимают или ото­двигают с помощью крана, гидравлического или элект­ромеханического привода.

Тигли устанавливают на подину из асбестоцементных плит или на кирпичные блоки из шамота. Современные печи для плавки алюминиевых сплавов имеют подину из жаропрочного бетона. Между индуктором и огнеупор­ным тиглем прокладывают асбестовый картон.

Магнитопроводы применяют для экранировки маг­нитных полей с целью уменьшения электрических потерь в кожухе или каркасе печи. Магнитопроводы представ­ляют собой пакеты прямоугольной формы, набранные из листов электротехнической стали марок 1511, 1512 или 3411 с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм и скрепленных между собой болтами с изоляционными втулками. Иног­да пакеты магнитопроводов служат и для крепления индуктора в радиальном направлении. Пакеты сжимают индуктор по радиусу в нескольких местах по окружности витков индуктора. Магнитная индукция в магнитопроводе равна 0,9—1,2 Тл для частоты 50 Гц и 0,2—0,5 Тл для частоты 500 и 1000 Гц. Применение магнитопроводов для печей на частоту более 1000 Гц нерентабельно, так как их масса возрастает из-за необходимости снижения магнитной индукции. В этом случае применяют электро­магнитные экраны, состоящие из медных листов, окру­жающих индуктор с наружной стороны.

Рис. 2. Индукционная тигельная печь со стальным тиглем для плавки магния. 1— стальной тигель; 2 — индуктор; провод; 3 - набивная футировка; 4 – магнитопровод.

Пакеты магнитопроводов закрепляют с помощью упорных болтов или винтов в каркасе печи. Магнитопроводы могут быть жестко скреплены с каркасом печи, или входить в так называемый узел установки индуктора, и могут быть выемными вместе с индуктором. Это делается для ускорения замены футеровки печи в аварийном случае или плановой замены, предусмотренной графиком планово-предупредительных ремонтов печи. Электромагнитные экраны устанавливаются в вакуумных печах, работаю­щих на повышенной частоте, где особенно важным явля­ется уменьшение массы и габаритов отдельных элемен­тов печи.

Кожух (корпус) печи предназначен для крепления индуктора и тигля. Для небольших печей (емкостью 0,1—0,5 т) применяют кожухи из неметаллических мате­риалов — дерева, асбестоцементных плит, брусков текстолита и т. п., а также из немагнитной стали и цветного металла (бронзы, латуни). При применении металлических деталей каркас выполняют с разъемами по окружности во избежание наведения замкнутых то­ков от электромагнитного поля индуктора. Места разъ­ема соединяют через изолирующие прокладки с помо­щью болтов и шпилек со втулками и шайбами из изоли­рующего материала.

Печи промышленной частоты большой емкости (свы­ше 3 т.) имеют замкнутый сварной или литой кожух из низкоуглеродистой стали или чугуна. Печи емкостью 10—40т снабжены поясами жесткости, расположенными в средней части кожуха, а также поперечными и про­дольными ребрами жесткости из профильной стали угло­вого и таврового сечений. В кожухе предусматривают окна для отвода нагретого воздуха и проемы для присое­динения токоподводов.

Механизмы наклона печи выполняют с электромеха­ническим или гидравлическим приводом. Поворот печи обычно осуществляется вокруг оси, расположенной под сливным носком для уменьшения перемещения ковша для слива металла; в этом случае изменение траектории струи металла будет наименьшим.

Во избежание опрокидывания печи предусматривают установку конечных выключателей, срабатывающих при достижении предельных положений печи и выключаю­щих механизм наклона. Наклон печей периодического действия ведут при выключенном электропитании. Элект­ропитание может не выключаться только у миксеров, ра­ботающих в непрерывном режиме.

Рис. 3. Индукционная тигельная печь малой емкости (160 кг по стали). 1 – набивной тигель; 2 – индуктор; 3 – деревянная рама; 4 – ось поворота; 5 – подшипниковая стойка; 6 – каркас; 7 – шаблон.