Индукционные тигельные печи

Рис. 2.54. Классификация индукционных тигельных печей по частоте источника питания.

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.

Индукционные тигельные печи обладают следующими преимуществами:

1. Легкое достижение высоких температур, так как энергия выделяется непосредственно в нагреваемом металле.

2. Отсутствие соприкосновения с топливом или электродами, что позволяет получать металл и сплавы, чистые по химическому составу.

3. Наличие интенсивного перемешивания расплавленного металла под воздействием электродинамических сил, что способствует получению однородного химического состава без применения механических перемешивающих устройств.

4. Малая окисляемость и небольшой угар компонентов состава из-за наличия более холодного шлака на поверхности зеркала расплавленного металла.

5. Возможность проведения плавки в вакууме и нейтральной среде для получения сплавов высокого качества.

6. Отсутствие перегрева футеровки печи, что повышает срок ее службы.

7. Возможность работы в периодическом режиме, что уменьшает простои печи на холостом ходу и дает возможность смены химического состава выплавляемых сплавов без проведения промывных плавок и без оставления несливаемого остатка металла.

8. Более простая по сравнению с канальными печами конструкция огнеупорного тигля.

Рис. 2.55. Индукционная тигельная печь с наружным магнитопроводом

Недостатками индукционных тигельных печей являются: относительно низкая температура шлаков; вспучивание поверхности расплавленного металла (мениск) из-за больших электродинамических сил, возникающих в расплаве; необходимость для печей малой и средней емкости источников питания высокой и средней частоты.

Индукционная тигельная печь (рис. 2.55.) 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 ∆_э.гор. Выделение энергии зависит от частоты тока, геометрических соотношений диаметра тигля и диаметра индуктора, размеров и электрофизических свойств шихтового материала.

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

f_min =25⋅10⁶ρ_гор /d₀², (44)

Рассмотрим конструкцию основных элементов тигельных печей.

Индуктор выполняют из медной водоохлаждаемой трубки круглого, квадратного или прямоугольного сечения.

Обычно индукторы выполняют однослойными из нескольких

катушек, имеющих раздельное водяное охлаждение.

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.

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 с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм и скрепленных между собой болтами с изоляционными втулками.

Кожух (корпус) печи предназначен для крепления индуктора и тигля. Для небольших печей (емкостью 0,1–0,5 т) применяют кожух из неметаллических материалов – дерева, асбестоцементных плит, брусков текстолита и т. п., а также из немагнитной стали и цветного металла (бронзы, латуни).

Электрооборудование и схемы питания индукционных тигельных печей .

Индукционные тигельные печи емкостью более 2 т и мощностью свыше 1000 кВт питаются от трехфазных понижающих трансформаторов с регулированием вторичного напряжения под нагрузкой, подключаемых к высоковольтной сети промышленной частоты. Печи выполняют однофазными, и для обеспечения равномерной нагрузки фаз сети в цепь вторичного напряжения подключают симметрирующее устройство, состоящее из реактора L с регулированием индуктивности методом изменения воздушного зазора в магнитной цепи и конденсаторной батареи С_с, подключаемых с индуктором по схеме треугольника. Силовые трансформаторы мощностью 1000, 2500 и 6300 кВ⋅А имеют 9–23 ступени вторичного напряжения с автоматическим регулированием мощности на желаемом уровне.

Печи меньших емкости и мощности питаются от однофазных трансформаторов мощностью 400–2500 кВ⋅А; при потребляемой мощности свыше 1000 кВт также устанавливают симметрирующие устройства, но на стороне ВН силового трансформатора.

Рис. 2.56. Схема питания индукционной тигельной печи от силового трансформатора ПТ с симметрирующим устройством и регуляторами режима печи:

ПСН – переключатель ступеней напряжения; С_с – симметрирующая емкость;

L – реактор симметрирующего устройства; С–С_n – компенсирующая конденсаторная батарея; И – индуктор печи; АРИС – регулятор симметрирующего устройства; АРИР – регулятор режима; K₁–K_n – контакторы управления емкостью батареи C₁–С_n; TT1, ТТ2 – трансформаторы тока

При меньшей мощности печи и питании от высоковольтной сети 6 или 10 кВ можно отказаться от симметрирующего устройства, если колебания напряжения при включении и выключении печи будут находиться в допустимых пределах. Схема питания печи промышленной частоты приведена на рис. 2.56. Печи снабжаются регуляторами электрического режима АРИР, которые в заданных пределах обеспечивают поддержание напряжения, мощности Р_п и cosφ_п путем изменения числа ступеней напряжения силового трансформатора и подключения дополнительных секций конденсаторной батареи. Регуляторы и измерительная аппаратура размещены в шкафах управления.

Печи малой и средней емкости питаются от машинных или тиристорных преобразователей частоты. Преобразователи представляют

собой равномерную нагрузку трехфазной сети, так что симметрирующие устройства не требуются.

Машинные преобразователи серии ВПЧ имеют мощность от 12 до 100 кВт, серии ВЭП – 60 и 100 кВт и частоту 2400 и 8000 Гц; преобразователи серии ОПЧ имеют мощность 250, 320, 500 кВт и частоту 2400, 4000, 8000 и 10 000 Гц. Эти преобразователи имеют однокорпусное вертикальное исполнение. Преобразователи большей мощности серии ОПЧ – двухкорпусные, горизонтального исполнения, с водяным охлаждением, мощностью 1000, 1500 и 2500 кВт и частотой 500 и 1000 Гц. Тиристорные преобразователи имеют мощность от 100 до 3200 кВт (например, СЧИ-100/3 и ТПЧ-800-1 мощностью 100 кВт, 3 кГц и 800 кВт, 1 кГц соответственно).

Для компенсации реактивной мощности печей промышленной частоты предназначены косинусные конденсаторы типов КМ и КС (масляные и соволовые) мощностью от 14 до 75 квар и напряжением от 0,22 до 1,05 кВ, а для средних частот – типов ЭМВ и ЭСВ с водяным охлаждением мощностью от 70 до 400 квар, напряжением 0,375–2,0 кВ и со стандартными частотами среднечастотного диапазона.