Регулирование электрического режима индукционной тигельной печи

Индукционные тигельные печи по частоте источника питания подразделяются на три вида:

. Печи высокой частоты (50-500 кГц) с питанием от ламповых генераторов.

. Печи средней (повышенной) частоты (150 - 10000 Гц) с питанием от умножителей частоты, вращающихся машинных генераторов и статических преобразователей.

. Печи низкой (промышленной) частоты (50-60 Гц).

По конструкции печи выполняются открытыми - для плавки металлов и сплавов в воздушной атмосфере и герметически закрытыми - для плавки в вакууме или в среде нейтральных газов (вакуумно-компрессионные печи).

Индукционные тигельные печи получили распространение в основном для выплавки высококачественных сталей и чугунов специальных марок, т.е. сплавов на основе железа, так как при плавке черных металлов тигельные печи имеют более высокий КПД, чем при плавке цветных металлов. Несмотря на это, индукционные тигельные печи в настоящее время получают все большее развитие и для выплавки цветных металлов и сплавов благодаря другим преимуществам, которые оказываются решающими при выборе типа печи.

Индукционная тигельная печь (рис. 3.1) состоит из следующих основных элементов: индуктора 1, подключаемого к источнику переменного тока; нагреваемого металла 2; огнеупорного тигля 3 для размещения расплавляемого металла; внешнего магнитопровода 4, применяемого в некоторых печах средней частоты и в печах большой емкости промышленной частоты для экранировки кожуха печи (для уменьшения потерь энергии); устройства для слива металла; токоподводов.

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 части загрузки. Почти вся поглощаемая энергия выделяется в слое металла, толщина которого равна глубине проникновения тока Д_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.

Ориентировочно минимальную частоту тока f_min, Гц, определяют в зависимости от диаметра тигля d₀, м, с учетом удельного электрического сопротивления с_гор, Ом-м, горячего металла, доведенного до расплавления:

 (3.1)

Это выражение получено из соотношения , где  и , м, при котором для цилиндрической загрузки обеспечен достаточно высокий КПД нагрева.

Рис. 3.1. Индукционная тигельная печь с наружным магнитопроводом

Как видно из (3.1), частота источника питания зависит от геометрических размеров печи или диаметра тигля d0. При больших размерах тигля, т.е. при большой емкости, требуется низкая частота (50 Гц); практически - это печи емкостью более 2-3 т (для плавки черных металлов). Средняя и высокая частоты необходимы для печей средней и малой емкости (для плавки стали, чугуна, меди, алюминия).

Определение емкости печи V_т, м³, и потребной мощности P_п, кВт, производят по массе расплавляемого металла М_т, кг, или по заданной суточной или часовой производительности N_час = N_сут/24, кг/ч.

Естественный коэффициент мощности индукционных тигельных печей . Для его повышения используют конденсаторы.

Рассмотрим конструкцию основных элементов тигельных печей. Индуктор выполняют из медной водо-охлаждаемой трубки круглого, квадратного или прямоугольного сечения. Толщина стенок трубок не должна быть меньше 1.3Д_э,и, где Д_э,и - глубина проникновения тока в медь при рабочей частоте печи.

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

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 избежание 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 слой 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. 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 (рис. 3.16), 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 10-40 т 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.