Устройство индукционной печи

1 Устройство индукционной печи.

Индукционная плавильная установка состоит из печи с механизмом наклона и питающего электрооборудования (генератора повышенной частоты, батареи конденсаторов, щита управления и на крупных печах — автоматического регулятора электрического режима). Емкость индукционных печей достигает 60 т. Основные элементы  печи — каркас, индуктор и огнеупорный тигель, который иногда закрывают крышкой.

Рис.3.

Индукционная печь

 емкостью 60 кг.

1-каркас,

2-подовая плита,

3-индуктор,

4-изоляционный слой,

5-тигель,

6-абсоцемеитная плита,

7-сливной носок,

8-воротник,

9-гибкий токопровод,

10-деревянные брусья.

Каркас (кожух) печей небольшой емкости (<0,5 т) делают в форме прямоугольного параллелепипеда, используя асбоцемент, дерево, выполняя несущие ребра из уголков и полос немагнитной стали, дюралюминия. В местах соединения металлических элементов укладывают изоляционные прокладки для исключения возникновения кольцевых токов, Индуктор в таком каркасе крепят к верхней и нижней опорным асбоцементным плитам (рис. 3). В печах средней и большой емкости каркас выполняют из стали в виде сплошного кожуха цилиндрической формы (рис. 4) и иногда в виде «беличьей клетки», представляющей собой группу вертикальных стоек, приваренных к верхнему и нижнему опорным кольцам. Для уменьшения нагрева таких каркасов индуктируемыми токами и потерь с потоками рассеивания используют следующие решения:

а) каркас выполняют из немагнитной стали;

б) между каркасом из обычной стали и индуктором размещают магнитопровод из нескольких пакетов трансформаторной стали, располагаемых вдоль индуктора (рис. 4);

в) между индуктором и каркасом размещают замкнутый электромагнитный экран из металла с низким удельным сопротивлением (меди, алюминия).

В каркасе жестко крепят индуктор, подовую плиту, верхнюю керамику, пакеты магнитопровода. К передней части каркаса на уровне сливного носка прикрепляют две цапфы, что необходимо для пово­рота печи при сливе металла.

Рис.4 Индукционная печь емкостью 8 т.

1-индуктор,

2-тигель,

3-подовая плита,

4-съемный свод,

5-сливной носок,

6-стальной кожух,

7-ось поворота,

8-магнитопровод из

трансформаторной стали.

Индуктор имеет форму полого цилиндра и образован уложенными в виде спирали витками из медной трубки. Профили применяемых медных трубок показаны на рис. 5, а; равностенные трубки используют обычно для печей повышенной частоты, а разностенные — для печей промышленной частоты. Для исключения электри­ческого пробоя витки, как правило, изолируют (на малых печах с небольшим напряжением достаточна воздушная изоляция, достигаемая зазором между витками в 10—20 мм). Широко применяют следующие виды изоляции: обмоточную, когда витки покрывают изоляционным лаком и затем обматывают лентой из диэлектрического материала (стеклоленты, микаленты); прокладочную, когда между покрытыми лаком витками закрепляют диэлектрические прокладки (например, из стеклотекстолита); напыленную, когда на поверхность трубки газопламенным или плазменным способом наносят слой окиси алюминия или двуокиси циркония с последующим покрытием лаком.

Иногда применяют монолитную изоляцию — покрытые лаком витки заливают полимерным материалом (полиэфирным компаундом), после застывания которого образуется монолитная конструкция. Прочность и жесткость индук­тора, являющегося опорой футеровки тигля, обеспечивают, применяя индукторы двух следующих разновидностей: с креплением витков шпильками и стяжные индукторы. Во-первых, к виткам индуктора приваривают латунные шпильки; с помощью шпилек и латунных гаек витки крепят к нескольким вертикальным стойкам (рис.5б), из изоляционного материала текстолита, асбоцемента ,дерева; стойки в свою очередь крепят к опорным плитам каркаса, расположенным над индуктором и под ним. В стяжных индукторах над верхним и под нижним витками размещают нажимные фланцы, которые стя­гивают в осевом направлении с помощью специальных болтов и вертикальных реек из изоляционного материала (см. рис. 5, в); вертикальные рейки препятствуют смещению витков в поперечном направлении. Для придания жесткости индуктору и его крепления в каркасе дополнительно используют пакеты магнитопровода, которые прижимают к индуктору через изолирующие прокладки с помощью специальных нажимных болтов.

Если индуктор выполнен монолитным, то в нем не требуется дополнительного крепления витков, однако такие индукторы применяют редко из-за сложности ремонта трубки в случае ее повреждения,

Высоту индуктора выбирают в пределах 1,1 —1,2 высоты расплава в тигле, внутренний диаметр определяют из соотношения:D=DT+2b (ф) +2b (и), где Dt и b (ф) — соответственно внутренний диа­метр и толщина футеровки в середине тигля; b (и) — толщина изоля­ционного слоя (<5—6мм). Число витков индуктора определяют расчетом; плотность токов в индукторе достигает 20—40 А/мм². Подвод тока к индуктору чаще всего осуществляют с помощью гибких кабелей.

По внутренней полости медной трубки пропускают охлаждающую воду. Для обеспечения равномерного охлаждения на средних и больших печах индуктор делят на 2—4 секции с самостоятельным подводом воды. Поступление воды контролируется реле, отключающем питание печи при перерыве в подаче воды.

Футеровка индукционной печи состоит из следующих основных элементов: футеровки тигля, подовой плиты (подины), верхней керамики (воротника) со сливным носком. Подовая плита слу­жит основанием для футеровки тигля и для индуктора; на средних и крупных печах ее выполняют из шамотных блоков или кирпичей, иногда на крупных печах — из огнеупорного бетона. На малых печах подовую плиту делают также из нескольких асбоцементных плит, уложенных одна на другую (см. рис. 3).

Футеровку тигля, как правило, делают набивной, при плавке она спекается в монолит; на больших печах тигель иногда выкладывают из кирпичей. Воротник, т. е. футеровку выше верхнего витка индуктора, которая не может спекаться за счет тепла жидкого металла, делают из фасонных кирпичей (шамота, хромомагнезита) или из огнеупорных масс с повышенным количеством связующих. Сливной носок представляет собой фасонное изделие из шамота.

Футеровка тигля должна обладать следующими свойствами: высокой огнеупорностью и шлакоустойчивостью; высокой термостойкостью, так как при загрузке шихты она сильно охлаждается; высокой механической прочностью, чтобы выдерживать удары шихты при загрузке; минимальной толщиной, поскольку металл должен находиться как можно ближе к индуктору, т. е. в зоне наибольшей плотности индуктируемых токов.

Рис. 5.

Профили трубок для изготовления

Индуктора(а) и способы крепления

витков индуктора (б, в):

1- латунная шпилька .

2- гайка.

3- витки индуктора

4-стойка из изоляционного материала .

5-стяжной болт .

6-вертикальная рейка.

7-нажимной фланец.

1 Футеровка может быть основной или кислой. Набивную кислую футеровку изготовляют из дробленого кварцита (фракции размером менее 3,5 мм) или кварцевого песка с добавкой в качестве связующего борной кислоты (1,5—4 %) без увлажнения. Для основных тиглей применяют огнеупорные смеси разных составов, наиболее часто магнезитовый порошок; в качестве связки используют огнеупорную глину, жидкое стекло, плавиковый шпат, борную кислоту и др. Применяют как увлажненные, так и сухие смеси. Перед набивкой тигля внутреннюю поверхность индуктора покрывают тонким изолирующим слоем, например, нанося специальную изоляционную обмазку с последующей обклейкой стеклолентой; иногда дополнительно укладывают теплоизоляционный слой из асбеста. На дне индуктора засыпают слой футеровочной массы, утрамбовывают ее и затем устанавливают на нее железный шаблон, наружные размеры которого соответствуют внутренним размерам тигля. В пространство между шаблоном и индуктором засыпают футеровочную смесь и уплотняют ее трамбовками. Затем выполняют воротник из фасонных кирпичей или специальных масс с повышенным количеством связующих.

После окончания набивки футеровку сушат и спекают. Для этого, не вынимая шаблона, включают плавильную установку; тепло, вы­деляемое в шаблоне, нагревает футеровку. В зависимости от емкости тигля спекание длится от 1 до 4 ч для кислого тигля и от 2 до 10 ч для основного. Окончательное спекание с расплавлением шаблона происходит во время первой плавки. Спекание можно проводить, вставив в тигель соответствующих размеров кусок готового электрода. Тигли емкостью до 300 кг иногда набивают увлажненной массой в специальной разборной пресс-форме. После сушки на воздухе такой тигель устанавливают в индуктор на подовую плиту, а про­странство между индуктором и тиглем засыпают мелким огнеупор­ным порошком.

Стойкость кислых тиглей составляет 20—250 плавок. Основная футеровка обладает меньшей термостойкостью и стойкость основных 'тиглей значительно ниже (от 10 до 100 плавок; меньшая величина — для печей большой емкости). Средний внутренний диаметр тигля О_т и высоту расплава h(p)определяют исходя из заданной емкости печи (объема металла) с учетом того, что величина отношения Н,,Ю_Т должна составлять 1,6—2,0 для 100-кг печи и снижаться при увеличении емкости (до 1,1—1,4 для 6-т печи). Толщину футеровки (м) в середине тигля определяют по формуле: b(ф) ~ 0,08 Т(^1/4), где Т — емкость печи, т. Примерные соотношения между размерами тиглей и индукторов сталеплавильных печей приведены в табл. 1. Механизм наклона предназначен для наклона печи при сливе металла. Металл из тигля сливают через сливной носок, поворачивая установленный на двух цапфах каркас печи на угол До 95°. Наклон печи осуществляют лебедками, тельферами, а на крупных печах устанавливают гидравлический механизм наклона.

 

Таблица 1. Размеры индуктора и тигля индукционных печей

Рис. 6.

Упрощенная электрическая

схема индукционной печи.

Емкость, кг	Размеры индуктора,		Размеры тигля, мм
	высота	Внутренний диаметр	глубина	толщина дна	сверху и снизу
100	490	410	440	165	50	80
500	790	700	610	215	70	100
8000	1300	1380	1200	200	ПО	150
1400	830	760	720	200	90	130

Электрическое оборудование -служит для подачи питания на индуктор индукционной печи. Упрощенная элек­трическая схема индукционной печи повышенной частоты, питаемой от машинного пли лампового генератора, показана на рис. 6.Переменный ток высокой частоты от генератора через выключатель 2 подается на индуктор 3, параллельно которому подключены конденсаторы 5 и 6. Конденсаторы предназначены для компенсации индуктивного сопротивления индуктора и установки в целом (компенсации реактивной мощности установки). В цепь включены две группы конденсаторов: конденсаторы первой группы 6 подключены постоянно; а конденсаторы второй группы 5 включают в случае необходимости. В процессе плавки по мере нагрева шихты изменяется ее удельное сопротивление и магнитная проницаемость, что изменяет индуктивное сопротивление установки. Включая или отключая дополнительные конденсаторы добиваются равенства индуктивного и емкостного сопротивлений, т.е. величины coos(ф) установки ,близкой к единице. В качестве источников питания (преобразователей частоты) используют ламповые и машинные генераторы, тиристорные преобразователи. Для питания малых печей («30—50 кг) применяют ламповые генераторы, вырабатывающие ток с частотой от 30 кГц до несколько мегагерц; их мощность изменяется от 0,3 до 1000 кВт. Большая часть промышленных печей с тиглями емкостью 60—100 кг и более питаются от машинных генераторов. Их выпускают мощностью от 12 до 2500 кВт с частотой вырабатываемого тока 0,5; 1; 2,4; 4; 8 и 10 кГц. Соотношение между емкостью печи и мощностью генератора примерно следующее:

Емкость, т 0,06 0,4 1,0 6 10 16 25

Мощность, кВт  50 250 500 2500 3000 5000 6000

 В последние годы в качестве источников питания все шире применяются тиристорные преобразователи частоты. Промышленность выпускает тиристорные преобразователи мощностью до 3200 кВт с частотой вырабатываемого тока от 0,5 до 10 кГц.

Эти преобразователи обладают по сравнению с машинными генераторами, следующими преимуществами: более высокий электрический к. п. д.; высокая готовность к работе; возможность автоматического поддержания оптимального электрического режима без пере­ключения в силовой цепи (не требуется переключения конденсато­ров, что упрощает конструкцию конденсаторной батареи); отсутствие вращающихся частей и бесшумность в работе.

В состав электрооборудования индукционной печи входят также подключаемые к силовой цепи через трансформаторы тока и напряжения электроизмерительные приборы и приборы защиты (от перегрузок по току и напряжению и в случае отключения охлаждающей воды). Крупные индукционные печи снабжены автоматическим регулятором, который поддерживает оптимальный электрический режим путем взаимосвязанного регулирования коэффициента мощности, напряжения и силы тока. Основные параметры работы электрооборудования (мощность генератора, емкость конденсаторов, требуемая частота тока и другие) определяют расчетом исходя из заданных емкости печи, длительности плавления, температуры жидкого металла.

 

Индукционные печи промышленной частоты

 Футеровка и индуктор печей промышленной частоты такие же, как у печей повышенной частоты. В схеме электропитания отсутствует генератор тока повышенной частоты; печь включается в сеть через ступенчатый понижающий трансформатор с вторичным напряже­нием от 100 до 1000 В. Ввиду отсутствия преобразователя частоты для этих печей характерен меньший (на 5—10 %) удельный расход электроэнергии и более высокий коэффициент мощности.

Однако при низкой частоте питающего тока (50 Гц) у этих печей интенсивность электродинамического перемешивания металла зна­чительно выше, чем в печах повышенной частоты. Чтобы избежать чрезмерной циркуляции металла, печи промышленной частоты рас­считывают на меньшую удельную мощность, чем печи повышенной частоты; такой мощности недостаточно для быстрого расплавления стальной шихты. Поэтому печи промышленной частоты обычно ис­пользуют для плавки металлов с более низкой температурой плавле­ния (чугуна, цветных металлов). Мощность печи емкостью 1 т со­ставляет 360 кВ-А, емкостью 25 т — 4800 кВ-А.

 

Технология плавки

Плавку в индукционных печах обычно ведут без окисления примесей и не ставят задачу удаления фосфора и серы, так как из-за

«холодных» шлаков дефосфорация и десульфурация затруднены.

Стали и сплавы выплавляют либо из легированных отходов (метод переплава), либо из чистого шихтового железа и лома с добавкой ферросплавов (метод сплавления).

Выбор установки. В печи с основной футеровкой можно выплавлять сталь любого состава, но стойкость этой футеровки значительно ниже, чем кислой. В печах с кислой футеровкой нельзя выплавлять стали с высоким содержанием марганца, алюминия, титана, циркония, так как окислы марганца, взаимодействуя с кремнеземом футеровки, быстро разрушают ее, а алюминий, титан и цирконий вос­станавливают кремний из кремнезема футеровки.

Плавка в печи с основной футеровкой. Продолжительность плавки в индукционной печи очень небольшая, что не позволяет многократно проверить состав металла путем его анализа. Поэтому получение стали с заданным составом базируется на предварительном расчете шихты, для чего необходимы точное знание ее состава и взвешива­ние. В частности, содержание углерода, серы и фосфора не должно превышать допустимых в выплавляемой стали пределов.

Шихту составляют из мелких и крупных кусков, что обеспечивает плотность ее укладки и сокращение длительности плавления. Наиболее крупные куски укладывают у стенок тигля, где плотность токов максимальная. Тугоплавкие ферросплавы загружают в нижнюю половину тигля.

После включения тока следят за тем, чтобы куски шихты не сваривались в «мосты», препятствующие оседанию плавящихся кусков вниз. Периодически шихту «осаживают» с помощью ломика. По мере оседания шихты догружают ту ее часть, которая не вместилась при завалке. После появления жидкого металла в тигель вводят шлакообразующую смесь из извести, плавикового шпата и магнезита в со­отношении 4:1:1. Назначение наводимого шлака — уменьшить насыщение металла газами из атмосферы и окисление легирующих элементов. При плавлении поддерживают максимальную мощность генератора и высокий соs(ф) путем подключения конденсаторов. Длительность плавления изменяется от 30—40 мин на малых печах (емкостью ~50 кг) до 2 ч на крупных.

После расплавления отбирают пробу металла на анализ и сли­вают плавильный шлак, чтобы предотвратить восстановление из него фосфора, после чего наводят новый шлак, добавляя шлакообразующую смесь того же состава, что и в период плавления. Мощность, подаваемую на индуктор, снижают на 30—40 %. После получения результатов анализа проводят легирование, корректировку состава металла и его раскисление путем введения в тигель соответствующих ферросплавов, после чего металл сливают из тигля в ковш. Иногда при выплавке высококачественных сталей проводят диффузионное раскисление металла. Для этого в шлак вводят раскислительные смеси, состоящие из извести, молотого ферросилиция, порошкообразного алюминия, делая выдержку в течение примерно 30 мин; циркуляция металла в тигле индукционной печи ускоряет раскисление.

Ферросплавы при плавке в индукционной печи присаживают в следующем порядке: феррохром, ферровольфрам и ферромолибден вводят в завалку; ферромарганец, ферросилиций и феррованадий — за 7—10 мин до выпуска; алюминий перед выпуском. При таком порядке введения угар элементов следующий: вольфрама около 2 %,- хрома, марганца и ванадия — 5—10 %, кремния — 10—15 %, титана25—35

 

Плавка в печи с кислой футеровкой.

 

 Содержание серы, фосфору и углерода не должно превышать допустимых в выплавляемой стали пределов. При выплавке сталей легированных хромом, вольфраме и молибденом в завалку вводят феррохром, ферровольфрам, ферромолибден. Загрузку шихты и расплавление ведут так же, как и в с основной футеровкой. Шлак во время плавления шихты, наводя; добавками боя стекла, шамота и извести

После расплавления и анализа отбираемой пробы металла проводят легирование (корректировку состава) и раскисление. Ферромарганец, ферросилиций и, если необходимо, феррованадий, вводят в металл на 7—10 мин до выпуска, алюминий непосредственно перед выпуском. Угар марганца составляет 10 %, кремний практически не угорает, угар вольфрама и молибдена около 2 %, хрома 5 %.

Расход электроэнергии при выплавке стали в индукционных составляет 500—700 кВт -ч/т.

Плавка в вакуумных индукционных печах.

Плавка в вакуумных индукционных печах позволяет получать сталь и сплавы с малым содержанием газов, неметаллических включений и примесей цветных металлов, легировать сплав любыми элементами, в том числе обладающими высоким сродством к кислороду без их потерь на окисление .

Устройство печи. Первые печи были периодического действия. После выпуска плавки вакуумную систе­му отключали и печь открывали для извлечения слитков и загрузки шихтовых материалов. Позже были созданы более совершенные печи полунепрерывного действия. Эти печи позволяют загружать шихту, устанавливать изложницы и извлекать слитки без нарушения вакуума в плавильной камере. Емкость существующих печей достигает 50 т.

Рис. 7.

Схема вакуумной индукционной

печи полунепрерывного действия

На рис. 7 показана схема вакуумной индукционной печи полу; непрерывного действия. Плавильная камера 2 имеет сверху съемную крышку. В камере установлен индуктор с тиглем 3, закрепленный на цапфах; наклон тигля для слива металла производят с помощью привода, расположенного с наружной стороны камеры. В крышке плавильной камеры над тиглем размещена шлюзовая загрузочная камера 8, отделяемая от плавильной вакуумным затвором 6 и закрываемая крышкой 7, что позволяет загружать шихту без нарушения вакуума. В загрузочную камеру ставят бадью с раскрывающимся дном, заполненную шихтой. Закрыв крышку 7, в камере 8 создаю вакуум, после чего открывают затвор 6 и шихта из бадьи высыпается в тигель.

Камера изложниц 1 отделена от плавильной камеры и от помеще­ния цеха задвижками 15. Через нее, как через шлюзовое устройство, в плавильную камеру подают изложницы 14, установленные на те­лежке и после слива в них металла из тигля возвращают обратно.

На крышке 11 смонтирован шлюзовой дозатор 10 для введения добавок по ходу плавки и гляделка 4. Через крышку // с помощью герметичных уплотнителей вводят термопару 5 и ломик 9 для осаживания шихты.

Печь питается током повышенной частоты. Вакуумная система состоит из группы форвакуумных 13 и бустерных 12 насосов, обеспечивающих вакуум порядка 1,33—0,13 Па.

 Процесс плавки в вакуумной индукционной печи.

 Для плавки в вакуумных печах применяют шихтовые материалы, очищенные от масла и окалины; состав их должен быть точно известен. В шихту вводят никель, ферромолибден, ферровольфрам и кобальт, если этого требует состав выплавляемой стали. После загрузки шихты включают ток, а на печах периодического действия предварительно из печи откачивают воздух.

Плавление ведут, непрерывно откачивая насосами из плавильного пространства выделяющиеся газы. За время плавления удаляется большая часть вносимых шихтой газов — водород, часть азота, а также влага; жидкий металл при плавлении кипит, что является ре­зультатом выделения пузырьков окиси углерода, получающейся при взаимодействии углерода с растворенным в металле кислородом.

После расплавления делают выдержку в течение 20 — 40 мин, вовремя которой происходит рафинирование от ряда примесей , раскисление и легирование металла. В печи в этот период поддерживают давление

1,3 — 0,13 Па. Раскисление металла происходит углеродом по реакции , равновесие которой в условиях вакуума сдвинуто вправо, поскольку продукт реакции непрерывно удаляют (откачивают). Преимуществом такого раскисления является то, что металл не загрязняется его продуктами. Обычно выдержка длится до полного успокоения ванны (т. е. до прекращения выделения СО). Раскисление идет либо за счет содержащегося в металле углерода, либо за счет углерода, вводимого в начале рафинирования в виде графита, чугуна.

Помимо рафинирования от кислорода в период выдержки удаляются азот и водород и испаряются примеси цветных металлов (2п, 5п, РЬ, Аз, В). В период выдержки проводят легирование и окончательное раскисление кусковыми раскислителями, которые вводят через дозаторы. В начале выдержки вводят феррохром, феррованадий, в конце выдержки ферросилиций, ферротитан, алюминий, ферромарганец. Перед выпуском, если это потребуется, кальций, магний и РЗМ

 Выплавленный металл разливают в изложницы, как правило, в вакууме.

 Иногда в процессе плавки ведут десульфурацию металла. С этой целью на дно тигля до начала завалки шихты загружают десульфурирующую шлакообразующую смесь (например, из 90 % СаО и 10 % СаF2).

Основные преимущества вакуумной индукционной плавки обусловлены наличием вакуума, обеспечивающего рафинирование от ряда примесей и раскисление углеродом, а также отсутствием контакта ме­талла с окислительной атмосферой. Выплавляемые при этом сталь и сплавы содержат пониженные количества азота, примесей цветных металлов, кислорода и неметаллических включений, почти не содержат водорода; все это повышает целый ряд служебных свойств сталей. Отсутствие контакта с кислородом атмосферы позволяет выплавлять стали и сплавы, содержащие легкоокисляющиеся элементы без их угара.

Недостатком вакуумных индукционных печей является то, что при длительной выдержке в результате реагирования с окислами футеровки металл загрязняется кислородом и неметаллическими включениями, а также восстанавливаемыми из футеровки элементами (кремнием, алюминием и др.).

Заключение

Открытие явления электромагнитной индукции имело большое значение, так и была доказана возможность получения электрического тока с помощью магнитного поля. Этим была установлена взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, что послужило в дальнейшем толчком для разработки теории электромаг­нитного поля.

 

Используемая литература:

1.         Трофимова Т.И. Курс Физики: Учебное пособие для вузов. стр.223-224.

2.         Паволоцкий ,Рощин В.Е. «Электрометаллургия и стали».

3.         Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. «Общая металлургия» Учебник для вузов. Стр.482-496