3.2.2 Индукционные тигельные печи
3.2.2.1. Назначение индукционных тигельных печей
185
Индукционные тигельные печи (ИТП) широко применяются в промышленности для плавки черных и цветных металлов как на воздухе, так и в вакууме и в защитных атмосферах. В настоящее время используются такие печи емкостью от десятков грамм до десятков тонн. Тигельные индукционные печи применяют главным образом для плавки высококачественных сталей и других специальных сплавов, требующих особой чистоты, однородности и точности химического состава, что недостижимо при плавке в пламенных и дуговых печах.
В качестве примера в табл. 3.1 приведены технические данные некоторых тигельных индукционных печей [4, 5, 17], на рис. 3.21, 3.22, 3.23 - индукционные тигельные печи для плавки алюминия емкостью 6 тонн, для плавки сплавов на основе меди емкостью 2.5 тонны, для плавки чугуна емкостью 10 тонн, а в табл. 3.2 приведены характеристики некоторых металлов и сплавов, расплавляемых в индукционных тигельных печах.
Плавка обычных сортов стали в печах без сердечника менее экономична, чем в дуговых, так же как и обычных цветных металлов и сплавов, по сравнению с индукционными канальными печами. Однако в настоящее время тигельные индукционные печи повышенной и промышленной частоты широко применяют за рубежом и в России для плавки обычных тяжелых и легких цветных металлов и их сплавов в производствах с периодическим режимом работы и широким ассортиментом выплавляемых сплавов, а также для плавки сильно загрязненной шихты с большим содержанием стружки или сплавов, требующих модифицирования, поскольку в канальных печах наличие каналов затрудняет перевод печей с плавки одного сплава на другой, и в то же время флюсы и модифицирующие соли, а также грязная мелкая шихта способствуют зарастанию каналов.
Таким образом, тигельные индукционные печи, хотя и отличаются более низкими КПД и
ϕ
cos
, а также представляют собой более дорогое и сложное электротехническое устройство по сравнению с индукционными канальными печами, все же в указанных случаях более приемлемы и удобны в эксплуатации. Следует отметить попытку совмещения некоторых достоинств и преимуществ индукционных канальных печей (высокий электрический КПД) и индукционных тигельных печей (относительная простота ее футеровки) в промежуточном конструктивном решении между этими типами печей – создание индукционной тигельной печи с кольцевой камерой (рис.3.24, 3.25).
186
Таблица 3.1
Технические данные некоторых тигельных индукционных печей
Наименование и назначение печи
Тип печи
Емкость печи
, т
Мощност ь печи
, кВт
Ч
астота
, Гц
Напряжение на индукторе
, В
Мощност ь конденсат орно й
бат ареи квар
Мак симальная рабочая темп ература
,
Мак симальная производитель ность кг
/ч
Удельный расход электроэнерги
Габаритные размеры, мм
Масса печи
, т в плане высот а
Индукционная тигельная для плавки стали
ИСТ-1,0 1,0 790 1000 2000 15600 1650 1330 625 2700х212 0
3800 6,5
ИСТ-2,5 2.5 2350 500 1910 22500 1600 4000 600 3000х285 0
3740 15,4
ИСТ-6 6.0 2330 500 1500 45000 1650 3500 600
-
-
-
ИСТ-10 10,0 3200 500 1500 48000 1650 5000 640
-
-
-
Индукционная тигельная для плавки чугуна
ИЧТ-2,5 2,5 910 50 980 -
1400 1700 550 3164х300 0
3620 17
ИЧТ-6 6,0 1600 50 1000 -
1400 2200 546 4815х312 0
4620 28
Индукционный тигельный миксер для перегрева чугуна
ИЧТМ-6 6,0 370 50 500 -
1400 6000 52 5350х312 0
6500 28
ИЧТМ-10 10,0 840 50 1255 -
1400 17600 48 5700х360 0
7100 35,7
Индукционная тигельная для плавки алюминия и его
ИАТ-0,4 0,4 170 50 340 - 750 230 745
ИАТ-1 1,0 320 50 485 -
750 1300 580 3164х300 0
3100 -
187
сплавов
ИАТ-6 6,0 1400 50 1050
- 750 2000 560 4840х360 0
5570 39,6
Индукционная тигельная для плавки меди и ее сплавов
ИЛТ-1 1,0 325 50 485
- 1200 1000 380
ИЛТ-2,5 2,5 720 50 980 - 1200 2000 355
ИЛТ-10 10,0 1290 50 1050
- 1200 3600 350
Вакуумные печи
Изложни ца
Индукционная вакуумная для плавки стали и жаропрочных сплавов периодического действия
ИСВ-
0,06ПИ
ИСВ-
0,16ПИ
ИСВ-
0,16НИ
ИСВ-
1,0НИ
ИСВ-
2,5НИ
0,06 155 2400 800 1760 1800 67 2500 500х600 1000 6,5 0,16 157 2400 800 4400 1700 107 2170 500х600 1000 7,75 0,16 435 2400 800 4400 1650 200 2100 2000х120 0
1200 1,0 1000 1000 1000 8600 1650 445 2000 200х200 2500 49,3 2,5 1500 1000 1000 20000 1800 750 2000 700х900 1800 152,0
Индукционная вакуумная для плавки стали полунепрерывного действия
ИАВ-
0,06ПИ
0,06 50 2400 475
- 800 10
- 500х500 800 18,27
ИАПВ-
0,25ПИ
0,25 500 1000 2000 -
2000 125 -
Кокиль
240х1200 1300 42,7
Индукционная вакуумная для плавки меди и ее сплавов
ИМВ-
0,16ПИ
0,16 162 2400 445 -
1300 64 -
∅300 800 7,28
188
Таблица 3.2
Характеристики некоторых металлов и сплавов, расплавляемых в индукционных тигельных печах
Металл или сплав
Температура, о
С
Плотность, т/м
3
Удельная теплоемкость в жидком состоянии, ккал/(кг·град)
Скрытая теплота плавлен ия, ккал/кг плавл ения перегрева перед разливко й
при
20
о
С
в жидком состоян ии при температ уре плавлени я при температ уре перегрева
При температуре о
С
Медь
(100 % Си)
1083 1225 8,89 8,30 0,1300 0,1335 0,104
+
0,000024t 42,5
Томпак
(90 % Си, 10 % Zn)
1045 1225 8,80 8,20 0,1139 0,1174 0,0935
+0,0000195t 41,0
Полутомпак
(80 % Си, 20 % Zn)
1000 1160 8,70 8,10 0,1138 0,1171 0,0933
+0,0000205t 39,0
Латунь
(39,5 ÷ 36,6 Zn , остальное
Си)
905 1070 8,50 7,80 0,1124 0,1162 0,0929
+0,0000216t 35,5
Латунь
(30 ÷ 33 Zn, остальное Си)
940 1140 8,60 8,00 0,1132 0,1175 0,0929
+0,0000217t -
Бронза марганцовистая
(58 % Си, 40 % Zn,
2 %Sn)
920 1070 7,80 7,80 0,1130 0,1164 0,0924
+0,0000224t 34,5
Бронза фосфористая
(93 % Си, 3 % Zn,
1060 1225 8,00 8,00 0,1137 0,1168 0,0935
+0,000019t 4,0
189 4 % Sn)
Алюминий
(100 % Al)
658 700 2,4 2,4 0,297 0,300 0,246
+0,000078t 92,4
190
Рис. 3.21. Индукционная тигельная печь типа ИАТ-6 для плавки алюминиевых сплавов:
1 – крышка с механизмом подъема; 2 – установка индуктора;
3 – установка подшипников; 4 – футеровка;
5 – плунжер механизма поворота; 6 – пакеты магнитопровода;
7 – кожух печи; 8 – рабочая площадка
Рис. 3.22. Общий вид индукционной тигельной печи типа ИЛТ-2,5:
1 – крышка; 2 – установка индуктора; 3 – кожух выводов;
4 – рама основания; 5 – каркас печи
191
Достоинстватигельных плавильных печей:
• Выделение энергии непосредственно в загрузке, без промежуточных нагревательных элементов.
• Интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты и отходов, быстрое выравнивание температуры по объему ванны и отсутствие местных перегревов и гарантирующая получение много- компонентных сплавов, однородных по химическому составу.
• Принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы
(окислительной, восстановительной, нейтральной) при любом давлении
(вакуумные или компрессионные печи).
• Высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности (особенно на средних частотах).
• Возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса футеровки печи, что создает условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулированного футеровкой. Печи этого типа весьма удобны для периодиче- ской работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность для быстрого перехода с одной марки сплава на другую.
•
Простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процесса плавки, широкие возможности для механизации и автоматизации процесса.
Высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение воздушного бассейна.
Рис. 3.23. Конструкция индукционной тигельной печи промышленной частоты для плавки чугуна емкостью 10 т:
1 – установка индуктора;
2 – поворотная рама;
3 – опорная рама; 4 – плунжеры;
5 – крышка печи с механизмом;
6 – тигель; 7 – сливной носок
(штрих-пунктиром показано положение печи в момент полного слива металла)
192
Рис. 3.24. Схематическое изображение тигельной печи с кольцевой камерой и движением расплава в ней
Рис. 3.25. Тигельная печь с кольцевой камерой, рассчитанная на сифонные заливку и отбор, с пневматическим устройством разливки с помощью ковша
При таком решении могут частично проявиться преимущества обоих основных типов печей. Из-за наличия канала, открытого сверху, который к тому же еще и много шире, чем в канальной печи, металл в печи можно замораживать и вновь запускать печь, используя кольцо замерзшего металла или заливая жидкий металл [20].
Интенсивное движение расплава, имеющее место в печи с кольцевой камерой, ограничивает мощность печи. Поэтому такая печь используется преимущественно для поддержания металла в расплавленном состоянии. При этом она имеет то преимущество, что на наружной поверхности кожуха могут устанавливаться любые элементы конструкции для загрузки или отбора жидкого материала. Для работы печи металл канала постоянно должен образовывать замкнутое кольцо так же, как в индукционной канальной печи. При наклоне нагрев прекращается в том случае, если кольцо разрывается вследствие очень большого угла наклона. Индукционные тигельные печи как плавильные устройства обладают большими достоинствами, важнейшие из которых - возможность получения весьма чистых металлов и сплавов точно заданного состава, стабильность свойств получаемого металла, малый угар металла и легирующих элементов, высокая производительность, возможность полной автоматизации, хорошие условия труда обслуживающего персонала, малая степень загрязнения окружающей среды
Необходимо отметить следующие недостатки тигельных печей:
• Относительно низкая температура шлаков, наводимых на зеркало расплава с целью его технологической обработки. Относительно холодные шлаки затрудняют протекание реакций между металлом и шлаком и,
193
следовательно, затрудняют процессы рафинирования. Шлак в ИТП,
индифферентный к электрическому току, нагревается только от расплавляемого металла, поэтому его температура всегда ниже.
• Сравнительно низкая стойкость футеровки при высоких рабочих температурах расплава и при наличии теплосмен (резких колебаний температуры футеровки при полном сливе металла).
• Высокая стоимость электрооборудования, особенно при частотах выше
50 Гц.
• Более низкий КПД всей установки вследствие необходимости иметь в установке источник получения высокой или повышенной частоты, а также конденсаторов, а также при плавке материалов с малым удельным сопротивлением.
Сочетанием таких качеств (высокая стоимость электрооборудования и низкий КПД) определяется область применения индукционных тигельных печей: плавка легированных сталей и синтетического чугуна, цветных тяжелых и легких сплавов, редких и благородных металлов. Поскольку область применения этих печей ограничивается не техническими, а экономическими факторами, по мере увеличения производства электроэнергии она непрерывно расширяется, захватывая все более дешевые металлы и сплавы.
К сказанному необходимо добавить, что тигельные индукционные печи широко применяют для плавки и выдержки чугуна.
Основной тенденцией в развитии индукционных тигельных печей является рост как единичной емкости, так и суммарной емкости парка печей, связанный, прежде всего с потребностью в больших количествах высококачественного металла. Кроме того, при увеличении емкости повышается КПД печи и снижаются удельные расходы на ее изготовление и эксплуатацию.
По сравнению с топливными печами производительность тигельных индукционных печей выше; кроме того, плавка в тигельных индукционных печах дает металл более высокого качества и потери выплавляемых сплавов меньше.
Тигельные печи все чаще стали использовать в комплексе с другими плавильными агрегатами (вагранками, дуговыми печами). В этих случаях металл, предварительно расплавленный в указанных печах, поступает в индукционную электропечь для рафинирования и доведения до заданного химического состава.
3.2.2.2 Принцип действия индукционной тигельной печи В основе работы тигельной печи лежит трансформаторный принцип передачи энергии индукцией от первичной цепи ко вторичной. Подводимая к
194
первичной цепи электрическая энергия переменного тока превращается в электромагнитную, которая во вторичной цепи переходит снова в электрическую, а затем в тепловую.
Индукционные тигельные печи также называют индукционными печами без сердечника. Печь представляет собой плавильный тигель, как правило, цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещенный в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока (рис. 3.26).
Металлическая шихта
(материал, подлежащий плавлению) загружается в тигель и, поглощая электрическую энергию, плавится. В тигельной печи (рис. 3.26)
первичной обмоткой служит индуктор, обтекаемый переменным током, а вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – сам расплавляемый металл, загруженный в тигель и помещенный внутрь индуктора.
Рис. 3.26. Индукционная плавка металлов в тигельной печи:
1 – индуктор; 2 – расплав;
3 – огнеупорный тигель
Магнитный поток в тигельной печи проходит в той или иной степени по самой шихте. Поэтому для работы печи без сердечника имеют большое значение магнитные свойства, а также размеры и форма кусков шихты.
Когда в качестве шихты применяют ферромагнитные металлы, то до того момента, пока их температура еще не достигла точки Кюри, т.е. o
770740÷
С, их магнитная проницаемость сохраняет свою величину. В этом случае шихта будет играть роль не только вторичной обмотки и нагрузки, но и незамкнутого сердечника. Иначе говоря, при плавке в тигельной печи ферромагнитных металлов разогрев шихты в первый период
(до точки Кюри) произойдет не только за счет тепла, выделяемого от циркуляции в ней вихревых токов, но и за счет потерь на ее перемагничивание, которое в этот период наблюдается в шихте. После точки
Кюри ферромагнитные тела теряют свои магнитные свойства и работа индукционной печи становится аналогичной работе воздушного трансформатора, т.е. трансформатора без сердечника.
195
Тигельная печь по принципу действия подобна воздушному трансформатору.
Мощность, а следовательно, и тепло, выделяемое вихревыми токами, которые наводятся и циркулируют в садке, зависят от частоты переменного магнитного поля. При промышленной частоте
50 Гц концентрация энергии, выделяемой вихревыми токами, незначительна и не превышает [3] несколько ватт на
1 см
2
поверхности. Поэтому для эффективной работы печи без сердечника приходится питать их токами повышенной, а в отдельных случаях и высокой частоты, что достигается установкой специальных генераторов частоты.
Как показали теоретические и экспериментальные исследования печей без сердечника, частота питающего тока может быть соответственно понижена в зависимости от диаметра садки, т.е. емкости печи, и удельного сопротивления расплавляемого металла. В частности, этими исследованиями определены следующие основные положения, которые позволили значительно упростить установку печей без сердечника:
• каждой емкости печи и сопротивлению шихты соответствует своя оптимальная частота питающего тока. При частоте, ниже оптимальной, КПД печи сильно понижается, выше оптимальной – почти не изменяется;
• с увеличением емкости печи частоту тока можно соответственно снизить.
В результате анализа отмеченных выше факторов (диаметра садки и сопротивления шихты),
влияющих на частоту питающего тока, было получено уравнение, которое дает минимальное значение частоты для данного металла и диаметра садки [2, 3]:
228mind1025fρ
⋅
≥
, где
minf - минимальная частота тока, Гц;
2ρ
- удельное сопротивление расплавленного металла;
d - диаметр садки.
Ток повышенной частоты, проходя через индуктор печи, обеспечивает наведение в садке ЭДС индукции, которая в плоскостях, параллельных плоскости витков обмотки, вызовет вихревые токи.
Вследствие поверхностного эффекта эти наведенные в садке токи достигают максимальной величины на внешней поверхности последней и значительно уменьшаются от краев к середине. Такое уменьшение плотности тока по мере удаления от поверхности к центру происходит по сложному закону (комбинация функций Бесселя).
196
При большом сечении проводника или при большой частоте тока уменьшение плотности тока по мере удаления от поверхности к центру проводника происходит по экспоненциальному закону.
3.2.2.3. Циркуляция металлов в тигельной печи
Расплавленный металл в индукционной тигельной печи обжимается электромагнитным полем. В средней по высоте части цилиндрического тигля, где не сказывается краевой эффект, силы электродинамического взаимодействия индуктированного тока и магнитного поля индуктора направлены радиально к оси цилиндра и убывают от максимального значения на поверхности до нуля на оси. Создаваемое этими силами давление сжатия возрастает от поверхности к оси [2, 7].
При ярко выраженном поверхностном эффекте, практически всегда имеющем место в тигельной печи, давление сжатия может быть записано в виде:
2
те
7
сж
Н
10
−
⋅
=
π
ρ
, где
2
2
0
2
те
p
2
Н
ρ
Δ
=
- амплитуда напряженности магнитного поля в зазоре, для индукционных тигельных печей составляет
5
4
10
10
−
А/м;
0
р
-
удельная поверхностная мощность, Вт/м
2
;
2
ρ
- удельное сопротивление расплава,
Ом
⋅м.
Следовательно, выражению для
cж
ρ
может быть придан вид
f
10
16
,
3
10
2
0
4
2
2
0
7
сж
ρ
ρ
ρ
ρ
π
ρ
−
−
⋅
=
Δ
⋅
=
Из формулы видно, что при неизменной мощности, передаваемой в расплав, силовое воздействие на него усиливается с понижением частоты.
Тигельная печь представляет собой относительно короткую электромагнитную систему (отношение высоты загрузки к диаметру редко превосходит 1,5), поэтому электродинамические силы направлены строго радиально только в средней по высоте части тигля. Ближе к верхнему и нижнему краям тигля, где магнитное поле искажается и линии его не идут параллельно оси, радиальная составляющая электродинамических сил
197
уменьшается, как показано горизонтальными стрелками на рис. 3.27.
Под действием такой системы сил металл в средней части тигля перетекает от периферии к оси, затем по оси тигля выжимается вверх к зеркалу ванны и вниз ко дну тигля. Вверху и внизу он перетекает к стенкам и вдоль
стенок возвращается к средней части тигля, совершая так называемую двухконтурную циркуляцию.
Сам факт электродинамической циркуляции металла, которая может быть весьма интенсивной, является достоинством индукционной тигельной печи, выгодно отличающим ее от дуговой печи. Циркуляция ускоряет расплавление, выравнивает температуру и химический состав ванны,
Во-вторых, на поверхности ванны образуется выпуклый мениск, с возрастанием высоты которого приходится увеличивать количество шлака, поскольку он должен полностью покрывать поверхность металла. При этом шлак взаимодействует с огнеупором тигля в широком поясе, разъедая его и способствуя загрязнению ванны. Кроме того, при увеличении количества шлака он получается более холодным, поскольку в индукционной печи шлак нагревается только путем теплопередачи от металла. Понижение температуры шлака замедляет протекание химических реакций и увеличивает продолжительность плавки. Как правило, высота мениска
мh (рис. 7) не должна превышать
15 % полной высоты металла по оси тигля.
При радиальном направлении электродинамических сил по всей высоте тигля высота мениска определяется из условия равенства электродинамического давления на оси тигля
сжρ
и гидростатического давления столба металла высотой
мh :
(
)
(
)
fр10320819h204сжмρ
γ
⋅
=
γ
ρ
=
−
,
,
, где
γ - плотность расплава, кг/м
3
При проектировании индукционных тигельных печей нередко способствует взаимодействию металла со шлаком.
Однако описанная двухконтурная циркуляция имеет и серьезные недо- статки. Во-первых, в каждом из конту- ров, т. е. в верхней и нижней половинах ванны, металл циркулирует раздельно, слабо смешиваясь.
Рис. 3.27. Двухконтурная циркуляция металла в индукционной тигельной печи
198
удельную мощность приходится ограничивать из соображений не энергетики, а магнитогидродинамики, так как при увеличении удельной мощности растет и высота мениска, как видно из формулы (7). Поэтому в
России и за рубежом разрабатываются конструкции и схемы тигельных печей с плоской поверхностью зеркала ванны.
Наиболее распространенный способ уменьшения высоты мениска состоит в расположении верхнего края индуктора ниже зеркала ванны. Этот способ применяется, например, в печах для плавки алюминия, для которых особенно важно ослабить циркуляцию на зеркале ванны, чтобы предотвра- тить взламывание тугоплавкой окисной пленки. При такой конструкции поле в верхней части ванны ослабляется, и циркуляция вблизи оси тигля не достигает поверхности. В результате зеркало ванны становится почти плоским. Однако эта конструкция имеет существенный недостаток.
Ослабление поля в верхней части ванны приводит к снижению выделяющейся в этой зоне мощности, вследствие чего в процессе расплавления
куски шихты в верхней части тигля свариваются, образуя
«мост», под которым расплавленный металл перегревается. Поэтому в печах с низким расположением индуктора плавку ведут, тщательно осаживая шихту, чтобы не допустить образования мостов.
Предложен ряд схемных решений для улучшения циркуляции металла в индукционной тигельной печи.
Индуктор может быть разбит на несколько секций. В период расплавления включаются все секции, обеспечивая равномерное распределение мощности и быстрое расплавление шихты без образования мостов, в рафинировочный же период плавки верхняя секция отключается, и электродинамическая циркуляция у поверхности ванны ослабляется, высота мениска уменьшается.
Большой интерес представляет двухконтурная схема питания индуктора печи ИП (рис. 3.28), позволяющая перераспределять мощность и электродинамические силы по высоте ванны путем регулирования емкости конденсаторных батарей
1С и
2С, включенных параллельно верхней и нижней половинам индуктора.
Рис. 3.28. Двухконтурная схема питания индуктора тигельной печи
Рис. 3.29. Одноконтурная циркуляция металла в индукционной печи с
199
бегущим полем
Радикальным решением проблемы улучшения электродинамического перемешивания металла в тигельной печи, правда, ценой значительного усложнения системы ее питания является осуществление одноконтурной циркуляции с помощью бегущего поля. В такой печи металл перемешивается во всем объеме ванны, а поверхность его остается почти плоской (рис. 3.29).
Бегущее поле, оказывающее силовое воздействие на расплав, создается многофазным током низкой частоты (16 или 50 Гц), а энергия для нагрева передается в садку на более высокой частоте, т. е. печь является двухчастотной. Нагрев и перемешивание могут производиться одновременно или поочередно. В первом случае используются раздельные индукторы — однофазный для нагрева и многофазный для перемешивания, оборудованные фильтрами для защиты источника одной частоты от проникновения другой частоты. Во втором случае печь имеет один секционированный индуктор, подключаемый поочередно с соответствующими переключениями к раз- личным источникам питания.
Скачать 7.73 Mb.