4.2. Индукционные плавильные установки

По конструктивным особенностям индукционные плавильные печи подразделяют на: канальные и тигельные.

Индукционные канальные печи (ИКП). В этих печах канал с расплавленным металлом является короткозамкнутым витком вторичной обмотки трансформатора, в нем поглощается 90-95 % подведенной к печи электрической энергии. По электротехническим характеристикам канальные печи подобны силовым трансформаторам с распределенной по длине вторичной обмотки нагрузкой. Принципиальная схема ИКП приведена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Схема индукционной канальной печи

С целью уменьшения потока рассеяния первичную и вторичную обмотки располагают на одном стержне магнитопровода , по которому протекает основной магнитный поток . Магнитный поток первичной обмотки , пересекая канал с металлом, наводит в нём электродвижущую силу , ток , проходя по металлу, выделяет теплоту согласно закону Джоуля-Ленца. Поток рассеяния составляет приблизительно 25-30 % от основного потока , поэтому ( – коэффициент трансформации: ; для канальных печей ).

В соответствии с векторной диаграммой

, (4.9)

ЭДС вторичной обмотки, В; – ток в канале печи, А; приведенные активное и реактивное сопротивления канала соответственно, Ом; – полное сопротивление, Ом.

При условии синусоидального напряжения коэффициент мощности:

сosφ= , (4.10)

Как видно, сosφ уменьшается с увеличением потока рассеяния и уменьшением активного сопротивления металла, естественный сosφ =0,3-0,7. Меньшие значения коэффициента мощности соответствуют канальным печам для плавки металлов с низким удельным электрическим сопротивлением (медь, алюминий), а большие значения – с высоким (сталь, чугун).

Однородный химический состав и одинаковая температура жидкого металла обеспечиваются интенсивным перемешиванием металла, вызываемым взаимодействием магнитного поля индуктора с током в канале.

Индукционные тигельные печи (ИТП). Характерным электротехническим признаком ИТП является то, что нагреваемые в них электропроводящие тела образуют с индуктором, создающим переменное электромагнитное поле, систему двух индуктивно связанных контуров с током.

Индукционная тигельная печь (рис. 4.3) состоит из следующих основных частей: индуктора 1, подключаемого к источнику переменного тока, расплавляемого металла 2, огнеупорного тигля 3, и внешнего магнитопровода 4.

Рис. 4.3. Схема индукционной тигельной печи

Для обеспечения достаточно высокого КПД нагрева частоту питающего тока определяем по формуле:

, (4.11)

Формула (4.11) справедлива при условии:

. (4.12)

где и , м ( – диаметр тигля, м); – удельное электрическое сопротивление горячего металла, Ом·м.

Частота источника зависит от геометрических размеров (диаметра ). В ИТП большой емкости применяются источники питания промышленной частоты, в печах средней и малой емкости – повышенной и высокой частот.

Коэффициент полезного действия печи определяется зазором между индуктором и садкой. При уменьшении толщины стенки тигля электрический КПД увеличивается, а тепловой – уменьшается, поскольку при этом возрастают тепловые потери. ИТП имеют . Тепловой КПД определяется видом футеровки и температурой расплава и составляет . Общий КПД .

Естественный коэффициент мощности ИТП сosφ_П= , требуется установка батареи конденсаторов для компенсации реактивной мощности.

ИТП выпускаются различных емкостей, мощностей и частот питающего тока. Так, для плавки стали созданы печи емкостью 0,06-6 т, мощностью 90-2230 кВт, частотой тока 2400-500 Гц и производительностью 0,132-3,5 т/ч.

Индукционная плавка без соприкосновения расплава с футеровкой. Гарнисажная плавка – плавка, при которой расплавленный металл соприкасается только с твердой фазой такого же химического состава, что и расплав, отделяющий его от конструктивных элементов печи.

Индукционная струйная плавка заключается в том, что переплавляемый материал в виде заготовки-стержня перемещается с определенной скоростью через индуктор. Жидкий металл каплями или при достаточной мощности индуктора непрерывной струей стекает в изложницу и образует слиток нужного размера.

Индукционную плавку во взвешенном состоянии иногда называют плавкой в электромагнитном тигле. Физические основы метода заключаются в следующем: в индуктор или систему индукторов создающих переменное электромагнитное поле определенной конфигурации, помещают переплавляемый металл. Результатом взаимодействия индуцированных в металле токов с электромагнитным полем индуктора является состояние парения металла в магнитном поле. Металл стремится расположиться в зоне с ми­нимальной напряженностью магнитного поля. Высококачественные монокристаллы выращивают и с помощью бестигельной зонной плавки с индуктивным способом передачи энергии в расплав. При медленном перемещение узкой расплавленной зоны через сравнительно длинный твердый образец достигается перераспределение примесей и изменение кристаллической структуры исходного материала (рис. 4.5.)

Рис. 4.5. Схема зонной плавки:

1 – поликристалл; 2 – индуктор; 3 – расплавленная зона; 4 – монокристалл