Описание тигельной печи и принцип ее работы.

В индукционных печах металл нагревается токами, возбуждаемыми в непеременным полем индуктора. По существу индукционные печи также являются печами сопротивления, но отличаются от них способом передачи энергии нагреваемому металлу. В отличие от печей сопротивления электрическая энергия в индукционных печах превращается сначала в электромагнитную, затем снова в электрическую и, наконец, в тепловую.

При индукционном нагреве тепло выделяется непосредственно в нагреваемом металле, поэтому использование тепла оказывается наиболее полным. С этой точки зрения эти печи — наиболее совершенный тип электрических печей.

Индукционные печи бывают двух типов: с сердечником и без сердечника тигельные. В печах с сердечником металл находится в кольцевом желобе вокруг индуктора, внутри которого проходит сердечник. В тигельных печах внутри индуктора располагается тигель с металлом. Применить замкнутый сердечник в этом случае невозможно.

В силу ряда электродинамических эффектов, возникающих в кольце металла вокруг индуктора, удельная мощность канальных печей ограничивается определенными пределами. Поэтому эти печи используют преимущественно для плавления легкоплавких цветных металлов и лишь в отдельных случаях применяют для расплавления и перегрева чугуна в литейных цехах.

Удельная мощность индукционных тигельных печей может быть достаточно высока, а силы, возникающие в результате взаимодействия магнитных печей металла и индуктора, оказывают в этих печах положительное воздействие на процесс, способствуя перемешиванию металла. Бессердечниковые индукционные печи применяют для выплавки специальных, особенно низкоуглеродистых сталей и сплавов на основе никеля, хрома, железа, кобальта.

Важным достоинством тигельных печей являются простота конструкции и малые габариты. Благодаря этому они могут быть полностью помещены в вакуумную камеру и в ней возможно по ходу плавки обрабатывать металл вакуумом. Как вакуумные сталеплавильные агрегаты индукционные тигельные печи получают все более широкое распространение в металлургии качественных сталей.

Индукционная тигельная печь состоит из основных элементов (индуктора, футеровки, каркаса, механизма наклона) и может быть оборудована дополнительными устройствами (крышкой с механизмом подъема и поворота, магнитопроводом или магнитным экраном, рабочей площадкой и др.)Рассмотрим конструкцию основных узлов индукционной тигельной печи.



Индуктор предназначен для создания переменного магнитного поля необходимой напряженности. Помимо основного назначения, индуктор выполняет также роль крепления тигля, которое удерживает его от смещения при наклоне печи.

Поскольку мощность, передаваемая садке печи, пропорциональна квадрату ампер-витков индуктора, целесообразно обеспечивать возможно большее число витков индуктора и пропускать через него токи большой силы. В среднем плотность тока в индукторе составляет около 20 А/мм2, а электрические потери в нем даже при изготовлении его из меди достигают 20—30%. Кроме того, индуктор дополнительно нагревается потоком тепла от тигля. Во избежание перегрева индуктор необходимо охлаждать.

Сечение трубки выбирают так, чтобы толщина стенки примерно в 1,3 раза превышала глубину проникновения тока, сечение стенки при заданной силе тока обеспечивало плотность тока не более 20 А/мм2, а сечение отверстия трубки обеспечивало проход количества воды, необходимого для отвода тепла. Конструкция индукционной печи
а - конструктивное оформление; 1 - индуктор, 2 - крепление витков индуктора, 3 - каркас, 4 - изоляция, 5 - подовая плита, 6 - тигель, 7 - цапфы, 8 - крышка
б - футеровка тигля; 1 - подовая плита, 2 - тигель, 3 - воротник, 4 - сливной желоб, 5 - огнеупорная обмазка

Наружный диаметр трубки при этом должен позволять разместить по высоте индуктора расчетное число витков.

Индуктор изготовляют, как правило, из медной трубки круглого сечения. Иногда, однако, использование такой трубки невозможно, так как при этом нельзя выполнить изложенные выше требования. Поэтому в некоторых случаях приходится использовать неравно-стенные или профилированные трубки. Использование профилированных трубок целесообразнее и в связи с 

уменьшением магнитного потока рассеивания, достигаемого в этом случае в связи с возможностью уменьшения зазора между тиглем и витками индуктора.

Иногда расчетное число витков оказывается настолько незначительным, что не позволяет плотно заполнить всю высоту индуктора. В этом случае индуктор целесообразно изготовлять двухсекдонным с удвоенным числом витков и параллельным соединением секций. Секции наматывают в противоположные стороны, так как [только в этом случае магнитные потоки секций складываются, на месте стыка секций напряжение крайних витков секций оказывается одинаковым и не требует усиленной Юляции. При одинаковом напряжении витков в месте стыка напряжение между витками было бы равно напряжению источника.

На генераторной (подсоединяемой к источнику питания) секции делается несколько промежуточных отводов. Подключая разное число витков секции к источнику питания, точно, как в автотрансформаторе, повышать ,напряжение на индукторе выше номинальное напряжения источника питания и тем самым регулировать потребляемую печью мощность.

Витки индуктора изолируют друг от друга стеклотканью с кремниеорганичеким лаком. Изолированные витки сжимаются плитами из изоляционного материала. В некоторых случаях каждый виток индуктора жестко крепят к изоляционным стойкам независимо от других витков. В этом случае изоляция витков не обязательна.

Футеровка. Индуктор и помещаемый внутри него тигель устанавливают на подину, изготавливаемую из шамотных блоков, шамотных кирпичей или (на крупных печах) из жаропрочного бетона.

На промышленных печах тигель, образующий плавильное пространство печи, изготавливают непосредственно в печи. Для этого собранный и установленный на подину индуктор закрепляют и внутреннюю его поверхность изолируют асбестом. Затем на подину насыпают порошкообразные огнеупорные материалыи пневматическими трамбовками уплотняют их слоями по 50—70 мм. На уплотненное днище устанавливают шаблон, сваренный из листовой углеродистой стали толщиной 2—3 мм и имеющий форму, повторяющую внутренние контуры тигля. В кольцевой зазор между шаблоном и индуктором засыпают порошки огнеупоров и уплотняют их такими же слоями.

Футеровку выше верхнего витка индуктора выполняют из обожженного кирпича, так как обжечь этот участок тигля в печи очень трудно. Воротник и сливной желоб футеруют кирпичом и обмазывают огнеупорной обмазкой.



Тигли для печей небольшой емкости можно изготавливать в пресс-формах и устанавливать в печь в готовом виде, засыпая зазор между тиглем и индуктором порошкообразными огнеупорами. Это значительно ускоряет замену футеровки, но трудно осуществимо при большой емкости тигля. Чтобы набивка тигля не создавала перебоев в работе крупных установок, их снабжают двумя печами и либо печь полностью заменяют после выхода из строя тигля, либо питание переключают на вторую печь.

Футеровка индукционных тигельных печей работает в очень тяжелых условиях. Для получения возможно меньшего магнитного потока рассеивания толщина ее должна быть минимальной и при этом обеспечивать высокую механическую прочность, не растрескиваться при смене температур после слива металла и завалки холодной шихты, обладать высокой огнеупорностью и шлакоустойчивостью. Особенно жесткие требования предъявляют к огнеупорным материалам, используемым в печах высокой частоты. Помимо перечисленных требований, в огнеупорах для индукционных печей высокой частоты должны отсутствовать токопроводящие и магнитные примеси, так как частицы этих примесей в высокочастотном поле нагреваются, оплавляются и растворяют футеровку, приводя к прогоранию тигля.

Футеровка индукционных печей может быть кислой или основной. Кислую футеровку изготовляют из кварцевого песка или кварцита и использует главным образом в литейных цехах машиностроительных заводов. Она дешевле основной футеровки, обладает более высокой термостойкостью, характеризуется меньшей тепло- и электропроводностью тиглей из кислых материалов. Срок службы длительнее. В то же время кислая футеровка восстанавливается многими элементами, входящими в состав легированной стали, и поэтому на металлургических заводах находит ограниченное применение.

Для основной футеровки обычно применяют порошок магнезита, реже — порошок, полученный из отходов хромомагнезитовых кирпичей. В некоторых случаях для изготовления тиглей пользуются техническим глиноземом и цирконовым песком (цирконовым силикатом). В качестве связующих используют борную кислоту, буру, жидкое стекло, огнеупорную глину и другие вещества.

Футеровку изготовляют из увлажненных или сухих материалов. Вновь изготовленный тигель должен быть просушен и обожжен, для чего проводят специальную обжиговую плавку. В тигель с шаблоном загружают чугун и медленно поднимают нагрузку до слабо-красного каления шаблона. Если футеровка изготовлена из увлажненных материалов, то печь сушат в течение 

15—20 ч, при применении сухой массы время сушки уменьшают до нескольких часов, а затем нагрузку увеличивают и расплавляют чугун.

При первой плавке в печь стремятся загрузить как можно больше чугуна с тем, чтобы обжечь тигель до высоты, превышающей обычный уровень металла. Чугун сильно перегревают, и расплав становится очень жидкотекучим и хорошо заполняет все неровности поверхности.

После обжиговой плавки на внутренней поверхности тигля образуется тонкий (2—3 мм) рабочий слой спеченной футеровки. В дальнейшем толщина этого слоя постоянно увеличивается. Неспеченный слой набивки выполняет роль буфера, воспринимающего термические и механические нагрузки рабочего слоя. Когда футеровка спекается на всю толщину, тигель трескается и выходит из строя.

Стойкость футеровки зависит от состава огнеупорной массы, частоты тока, режима работы и ряда других факторов. На печах с основным тиглем она достигает 40—100 плавок; стойкость кислых тиглей может быть значительно больше.

Каркас является основой для крепления всех элементов печи. На печах большой емкости каркас заменяют сплошным кожухом.

Элементы каркаса должны обладать большой прочностью и выдерживать значительные нагрузки. Поскольку каркас расположен в зоне сильного электромагнитного поля индуктора, он может при определенных условиях нагреваться почти так же, как сталь в тигле.

Чтобы уменьшить потери на нагрев каркаса, необходимо ослабить наводимые в нем токи. Наиболее просто это достигается тем, что каркас разбивают на отдельные электроизолированные друг от друга элементы, и тогда его лучше изготовлять из немагнитных, а еще лучше — из неэлектропроводных материалов. Однако, поскольку наиболее доступным конструкционным материалом является сталь, каркас чаще всего изготовляют из стальных изолированных друг от друга частей.

Иногда целесообразно снизить вблизи каркаса напряженность магнитного поля. Это может быть достигнута установкой между индуктором и каркасом магнитопроводов или магнитных экранов. Магнитопровод изготовляют в виде пакетов, набранных из листов электротехнической стали толщиной 0,2—0,5 мм и устанавливаемых по окружности между индуктором и каркасом. Вследствие более высокой магнитной проницаемости электротехнической стали по сравнению с воздухом магнитные силовые линии замыкаются по 

магнитопроводу и каркаса не достигают. Общее сечение магнитопровода выбирают таким, чтобы концентрация выделяющегося в нем тепла была невелика и он не нагревался. Это условие выполняется тогда, когда магнитопровод выполнен достаточно массивным. Часто масса магнитопровода заметно превосходит массу садки.

Установка магнитопроводов, кроме того, усложняет конструкцию печи и обслуживание индуктора. По этим причинам они находят ограниченное применение.

Более просты и компактны печи с электромагнитными экранами, изготавливаемыми в виде цилиндра из медного или алюминиевого листа и устанавливаемыми между индуктором и каркасом.

Сущность экранирования каркаса заключается в том, что электромагнитные волны, исходящие от индуктора, наводят в экране токи, противоположные по направлению току индуктора. Эти токи создают поле, противоположное полю индуктора, и оно достигает каркаса значительно ослабленным.

Для обеспечения небольших потерь в экране необходимо, чтобы его толщина минимум в 1,3 раза превышала глубину проникновения тока. Поэтому электромагнитные экраны наиболее целесообразно применять на установках высокой частоты. Для печей промышленной частоты толщина медного экрана должна быть не менее 1,3 см.

Механизм наклона. Как и в дуговой печи этот механизм должен обеспечивать наклон для полного слива металла. В настоящее время применяют очень разнообразные механизмы. Для печей малой емкости используют механизмы, состоящие из лебедки с ручным или электромеханическим приводом и троса, перекинутого через блок.

Более крупные печи наклоняют при помощи тельфера, сцепляя его крюк с серьгой, укрепленной на каркасе. Крупные печи оборудуют гидравлическим приводом наклона, в принципе аналогичным гидравлическому приводу наклона дуговых печей.

Вращение печи осуществляется, как правило, вокруг цапф, ось которых проходит под носком печи. В некоторых случаях вращение начинается вокруг нижних цапф и осуществляется с большой скоростью, пока в гнездо не уложатся верхние цапфы. После этого печь поворачивается вокруг верхней пары цапф, но уже с меньшей скоростью (увеличивается радиус точки приложения сил).



Крышка предназначена для уменьшения тепловых потерь излучением с поверхности расплава и поддержания температуры шлака на более высоком уровне.

Последнее требование в некоторых случаях приобретает особенно важное значение, так как шлаки в индукционных печах нагреваются только за счет тепла металла. Однако учитывая, что при использовании индукционных печей, как правило, не ставится задача глубокого рафинирования металла шлаком, целесообразность усложнения конструкции печи в результате установки крышки представляется сомнительной, тем более, что ее можно применять лишь в очень ограниченное время после полного расплавления шихты. Поэтому крышка не является обязательным элементом конструкции индукционной тигельной печи.