1 Вакуумные печи................................................................4
1.1 Общая характеристика............................................................ 4
1.2 Особенности тепловой работы …………………………………..5
2 Индукционные печи …………………………………………….….6
2.1 Индукционные плавильные печи ………………………………..6
2.2 Печи без железного сердечника ………………………….……..6
2.3 Печи с железным сердечником………………………….…….. 10
3 Установки для плавки во взвешенном состояния ……….……..17
3.1 Общая характеристика …………………………………………..17
3.2 Особенности тепловой работы ………………………………….17
Заключение ……………………………………………………………19
Список использованных источников ………………………………20
1 Вакуумные печи
1.1 Общая характеристика
Компактность электромагнитной системы «индуктор–металл», характерная для индукционных тигельных печей, обусловила развитие на их основе разнообразных конструкций индукционных вакуумных плавильных (рисунок 1) и нагревательных печей, различающихся расположением индуктора вне (рисунок 1,а) или внутри (рисунок 1, б-г) вакуумной камеры. Слив металла из тигля плавильных печей может быть через донное отверстие, путем наклона корпуса печи малых размеров (рисунок 1, б) или тигля внутри вакуумной камеры больших габаритов (рисунок 1, в и г) в изложницы или литейные формы. Нагревательные печи периодического действия в зависимости от способа загрузки изделий могут быть камерные, шахтные, элеваторные; возможно создание печей непрерывного действия. Плавильные печи, работающие без нарушения вакуума в течение всей кампании тигля, называют печами полунепрерывного действия. Такие печи - наиболее сложные агрегаты (рисунок 1, г), имеющие помимо основной (плавильной) вакуумной камеры с индукционной печью ряд вспомогательных шлюзовых камер для загрузки шихты, разливки, подачи изложниц или литейных форм, дозаторы для присадок, устройство для отбора проб и измерения температуры жидкого металла по ходу плавки и другое технологическое оборудование.
Кожух вакуумной камеры изготовляют из немагнитной стали. По требованиям вакуумной гигиены внутреннюю поверхность кожуха хорошо обрабатывают (в некоторых случаях – полируют). При расположении индуктора вне вакуумной камеры кожух представляет собой кварцевую трубу (рисунок 1,а).
Индукционные вакуумные печи работают в условиях среднего вакуума с остаточным давлением 0,01-0,1 Па при нагреве и 0,1 – 1 Па при плавке.
Индукционные вакуумные печи применяют для плавки черных и цветных металлов и их сплавов из чистых твердых шихтовых материалов на частоте 1 – 2,5 кГц (вместимость до 10-15 т), рафинирования полупродукта на промышленной частоте (вместимость до 60 т), переплава чистых металлов для фасонного литья (вместимостью до 450 кг). Химически активные и особо чистые материалы получают в индукционных вакуумных печах с так называемым холодным тиглем, представляющим собой медный водоохлаждаемый тигель с продольными разрезами, через которые электромагнитные волны проходят к расплавляемому материалу, не поглощаясь в электропроводном тигле.
1.2 Особенности тепловой работы
В вакуумных индукционных печах основные принципы теплогенерации, рассмотренные для индукционных тигельных печей, сохраняются. Однако конструктивные особенности электромагнитной системы «индуктор-металл», связанные с возможным расположением индуктора вне вакуумной камеры (рисунок 1,а), наличием металлического кожуха вокруг индуктора (рисунок 1, б-г) и другие, снижают коэффициент использования электрической энергии из-за увеличения магнитного потока рассеяния и реактивной мощности, не участвующей в теплогенерации.
2 Индукционные печи
2.1 Индукционные плавильные печи
Плавка черных металлов в индукционных печах имеет ряд преимуществ перед плавкой в дуговых печах, поскольку исключается такой источник загрязнения, как электроды. В индукционных печах тепло выделяется внутри металла, а расплав интенсивно перемешивается за счет возникающих в нем электродинамических усилий. Поэтому во всей массе расплава поддерживается требуемая температура при наименьшем угаре по сравнению со всеми другими типами электрических плавильных печей. Индукционные плавильные печи легче выполнить в вакуумном варианте, чем дуговые.
Однако важнейшее достоинство индукционных печей, обусловленное генерацией тепла внутри расплавленного металла, становится недостатком при использовании их для рафинирующей плавки. Шлаки, имеющие очень малую электропроводность, нагреваются в индукционных печах от металла и получаются со сравнительно низкой температурой, что затрудняет проведение процессов рафинирования металла. Это обусловливает использование индукционных плавильных печей преимущественно в литейных цехах. Кроме того, высокая стоимость высокочастотных питающих преобразователей сдерживает применение высокочастотных плавильных печей.
Конструкция и схема питания индукционной печи существенно зависят от наличия или отсутствия железного сердечника. Поэтому индукционные печи рассматриваются далее в соответствии с этим признаком.
2.2 Печи без железного сердечника
В индукционной плавильной печи без железного сердечника (рисунок 2) главной частью является индуктор, выполняемый обычно из медной трубки и охлаждаемый протекающей по ней водой. Витки индуктора располагают в один ряд. Медная трубка может быть круглого, овального или прямоугольного сечения. Зазор между витками составляет 2-4 мм. Число витков индуктора зависит от напряжения, частоты тока и емкости печи. Витки закрепляют на изоляционных стойках, с помощью которых индуктор устанавливают в каркасе печи. Каркас печи должен обеспечивать достаточную жесткость конструкции; чтобы не нагревались вались его металлические части, они не должны образовывать электрически замкнутого контура вокруг индуктора.
Для выпуска металла из печи предусматривается возможность наклона печи, что осуществляется с помощью тельфера на малых печах или при помощи гидравлических цилиндров на крупных.
Футеровка (тигель) индукционной печи работает в очень тяжелых условиях, так как интенсивное движение металла и большие скорости изменения температуры вызывают ее размывание и разрушение, поэтому, чем толще стенки тигля, тем больше срок его службы. Стенки тигля должны быть, возможно, более тонкими, чтобы обеспечить хорошую электромагнитную связь между индуктором и металлом.
Тигель изготовляют обычно набивным с применением металлического шаблона. После набивки тигель подвергают обжигу и спеканию непосредственно в печи, шаблон при этом расплавляется. Возможно изготовление футеровки вне печи формовкой под давлением в специальных разборных пресс-формах с последующей установкой тигля на место. Иногда на крупных печах футеровку тигля выкладывают из готовых фасонных огнеупоров. В крупных печах тигель опирается на подовую подстилку, выложенную из огнеупорных кирпичей на толстом стальном листе, образующем днище каркаса вместе с необходимыми поперечными балками.
Футеровку выполняют кислой или основной. Основой набивочной массы для кислой футеровки служит кварцит с высоким (не менее 95 %) содержанием кремнезема. В качестве связующей добавки используют сульфитно-целлюлозный экстракт и борную кислоту (1,0-2,0%). Набивочная масса для основной футеровки состоит из молотого обожженного или плавленого магнезита со связующей добавкой (патока или водный раствор стекла и огнеупорная глина) в количестве 3%. Стойкость кислой футеровки составляет 100-150 плавок для стали и 200-250 для чугуна, а основной футеровки 30-80 плавок для стали и 150 плавок для чугуна.
Поскольку чрезмерный износ футеровки может привести к «проеданию» стенок или днища тигля расплавленным металлом, что является очень серьезной аварией, то на индукционных печах обязательно предусматривается установка датчиков (для замера активного сопротивления футеровки), сигнализирующих о появлении в ней опасных трещин в начале просачивания жидкого металла.
На средних и крупных индукционных плавильных печах тигель закрывается крышкой (сводом), выполняемой обычно набивной из того же огнеупорного материала, что и тигель. Для подъема и отвода крышки в сторону применяют простые рычажные механизмы или гидравлические цилиндры.
ВНИИЭТО разработаны индукционные печи без сердечника серии ИСТ для плавки стали, работающие на токе повышенной частоты. Емкость печей, работающих на токе частотой 2400 Гц (обеспечиваемой машинными генераторами), составляет 60, 160, 250 и 400 кг при потребляемой мощности соответственно 50, 100, 250 и 237 кВт. Печь емкостью 1 т, питаемая током частотой 1000 Гц, потребляет мощность 470 кВт. Крупные печи емкостью 2,5; 6 и 10 т потребляют мощность соответственно 1500, 1977 и 2730 кВт и питаются током частотой 500 Гц либо от машинных генераторов, либо от полупроводниковых (тиристорных) преобразователей. Продолжительность плавки в печах серии ИСТ., колеблется от 50 мин (печь емкостью 60 кг) до 2 ч (печь емкостью 10 т).
Таким образом, диапазон производительностей всей этой серии печей весьма широк: от 70 кг/ч до 5 т/ч. Удельный расход электроэнергии на расплавление твердой завалки составляет в среднем 3600 кДж/кг (1,00 кВт-ч/кг) для малых печей и снижается до 2300 кДж/кг (0,64 кВт-ч/кг) для крупных печей.
Для плавки чугуна специально разработаны крупные индукционные печи без сердечника серии ИЧТ, работающие на токе промышленной частоты (50 Гц). Печь ИЧТ-2,5 имеет емкость 2,5 т при потребляемой мощности 718 кВт и производительности 11 т/ч; печь ИЧТ-6 имеет емкость 6 т при потребляемой мощности 1238 кВт и производительности 2,1 т/ч. Удельный расход электроэнергии составляет в обеих печах 2160 кДж/кг (0,6 кВт-ч/кг).
В схемы питания всех этих печей включены конденсаторные батареи с целью повышения cos φ. Отсутствие дорогостоящих преобразователей значительно снижает стоимость печей, работающих на токе промышленной частоты.
Технологические процессы производства и обработки различных материалов нередко включают и этап прохождения термического воздействия. Таким образом выполняется закалка, сушка при высоких температурах, пайка и другие процедуры. Реализовать подобные мероприятия в обычных печах даже промышленного назначения не всегда представляется возможным. Ограничения могут быть связаны с недопустимостью контакта с воздушной средой. Поэтому для решения таких задач используется вакуумная печь, обработка в которой также исключает процессы излишнего деформирования и коробления заготовок.
Назначение и сферы применения вакуумных печей
Операции термического обжига в вакууме применяются в машино- и приборостроении, в строительной отрасли, на различных производствах и т. д. Например, в приборостроении с помощью такого агрегата выполняется операция обезгаживания элементов, которые в дальнейшем становятся компонентами различной аппаратуры. В рамках этого же направления вакуумная печь позволяет качественно осуществлять пайку и финишную герметизацию отдельных участков на электротехнических платах.
Распространена и операция спекания. С ее помощью в строительстве и производстве придаются необходимые эксплуатационные качества керамическим изделиям, твердотельным сплавам, порошкам тугоплавкого металла и т. д. Отдельно стоит отметить металлургическую промышленность, которая также заинтересована в операциях термообработки. К примеру, вакуумная печь позволяет реализовывать процедуры закалки, старения и отпуска сплавов. Таким обработкам могут подвергаться различные стали, бронза и магний.
Основные технические характеристики
Производительность печной конструкции нередко становится основным критерием выбора модели. В данном случае установки располагают потенциалом от 3 до 20 кВт. Причем на качество и эффективность при оказании термического воздействия этот показатель влияет в минимальной степени. Как правило, мощность повышается по мере увеличения объема загрузки, что зависит уже от габаритов конструкции. Так, в стандартные промышленные модели такого типа можно загружать от 15 до 40 кг материала в среднем. Но встречаются и агрегаты, позволяющие обслуживать за раз до 100 кг. Наделенная средними характеристиками индукционная плавильная печь способна за одну смену обслуживать до 9000 кг. Что касается качества и эффективности воздействия внутри камеры, то учитывать следует непосредственно температурный диапазон. Он составляет от 1800 до 2000 °С.
Процесс выплавки
Технология в традиционных агрегатах основывается на действии дугового разряда. Происходит контакт электрического тока и газовой смеси. Далее полученная дуга благодаря высокой концентрации в вакууме обеспечивает повышенное тепловое воздействие. Даже при небольшой мощности вакуумно-дуговая печь способна расплавлять стальные заготовки.
При этом существует два принципа теплопередачи по отношению к материалу. Это прямое и косвенное воздействие. В первом случае дуга формирует энергию между электродом и заготовкой, которая при такой конфигурации получает максимум тепла. Косвенный нагрев предусматривает работу с двумя электродами, которые на некотором расстоянии воздействуют на объект. Очевидно, что вакуумная печь с прямой теплопередачей эффективнее, но она допускает больший процент негативных факторов термической обработки.
Разновидности печей
Базовой моделью вакуумного печного сооружения является описанная выше дуговая конструкция. С помощью такой оснастки можно обслуживать большинство разновидностей сложного металлического сплава, в том числе тугоплавкие изделия. Другой разновидностью является индукционная плавильная печь, в устройстве которой предусматривается наклонный тигель. Как раз в тигле и реализуется процесс переплавки материала, загружаемого в рабочую камеру. Индукционный принцип работы считается наиболее дорогостоящим в обслуживании, поэтому его используют реже и только при необходимости работы со сложными металлами. К особым видам вакуумных печей относится электроннолучевой агрегат. Такое устройство дает на выходе очищенные сплавы и металлические слитки. Конструкционно оборудование представляет собой термическую пушку, которая посредством направленного воздействия реализует лучевой обжиг изделия.
Преимущества и недостатки вакуумных печей
По сравнению с обычными печами для термообработки вакуум позволяет осуществлять высокоэффективное тепловое воздействие на заготовки. При этом у оператора есть возможность гибкой регулировки параметров нагрева, которую, например, предусматривает вакуумная индукционная печь с тиглем. К достоинствам таких конструкций относят и возможность получения относительно чистого металлического материала. То есть сама технология исключает чрезмерное загрязнение массива инородными частицами - продуктами термообработки.
Что касается недостатков, то они связаны с низким ресурсом частей, формирующих конструкцию. Дело даже не в изъянах материала составных элементов, а в жестких условиях, которые требуются для обеспечения производительной термообработки и которые влияют на структуру рабочих поверхностей. Кроме того, вакуумная печь, цена которой в среднем составляет 500-700 тыс. руб., доступна немногим предприятиям. Все же высокое качество спекания и расплава - это дорогой способ, ограничивающий его применение.
Производители
Поставкой вакуумных печей занимаются лишь крупные предприятия, сотрудничающие с институтами проектирования и разработки промышленного оборудования. Сегодня высококачественные агрегаты такого типа на отечественный рынок поставляют зарубежные производители SCHMETZ и XERION. Данная продукция ориентируется и на выполнение типовых термических операций, и на специализированные задачи наподобие диффузного отжига. Московский завод промышленного оборудования, специализирующийся на выпуске вакуумных электропечей, также предлагает достойные по характеристикам агрегаты. С помощью такого оснащения владелец может осуществлять отпуск металла, спекание и стандартные термические процессы. Автоматические модели предлагает «Завод Спецжелезобетон», разрабатывающий высоковакуумные агрегаты с объемными камерами загрузки.
Заключение
Пример технологии вакуумного отжига показывает, что не всегда новые решения себя оправдывают в процессе эксплуатации. Хотя тот же Московский завод промышленного оборудования стремится оптимизировать агрегаты под нужды широкого круга предприятий-потребителей, высокая затратность процессов вакуумной термообработки для многих потенциальных клиентов делает этот способ недоступным. Отказ от таких печей обусловлен не только их стоимостью, но отсутствием необходимости получения высококачественного изделия. Тем не менее, передовые компании, работающие в высокотехнологичных направлениях промышленности, уже не могут обходиться без применения подобных средств тепловой обработки.
Корпус вакуумной камеры индукционной печи : двухслойный с водяным охлаждением из специальной стали SUS304. Вакуумная герметизация обеспечивается «О»-образным кольцом. Корпус оснащен установкой водяного охлаждения (предотвращает старение «О»-образного кольца). На корпусе вакуумной камеры вакуумной расположен соединительный трубопровод вакуумной системы. Внутри подина оборудована разливочной платформой или отверстием. Во время разливки печь поворачивается с помощью привода, расположенный снаружи камеры.
Индуктор вакуумной печи изготовлен из высококачественной бескислородной электротехнической меди TU1 квадратного сечения с водяным охлаждением. Использован индуктор немецкой фирмы Leybold.
Крышка вакуумной индукционной печи: двухслойная с водяным охлаждением, внутренняя стенка выполнена из специальной стали SUS304. Крышка печи оснащена установкой водяного охлаждения, смотровым окном, блокировочной установкой.
Печь оснащена мощным среднечастотным тиристорным преобразователем мощность, спроектированный на базе тиристоров нового поколения, высокоскоростные датчики тока и напряжения, обеспечивающие высокую надежность, помехоустойчивость и многофункциональность.
Система водоохлаждения вакуумной печи делится на три части: система охлаждения среднечастотного преобразователя, система охлаждения корпуса печи, индуктора и системы вакуумной.
Вакуумная система как правило состоит из механического насоса с электромагнитным пневматическим клапаном перепада давления (предотвращает утечку масла вакуумного насоса), насоса Рутса, подпитывающего насоса, пневматических клапанов, клапана подачи воздуха, клапана сброса воздуха, вакуумного трубопровода, гофрированных труб.
Уровень вакуума измеряется при помощи цифрового комбинированного вакуумметра. Используются передовые гелиевые датчики разгерметизации для измерения коэффициента повышения давления, что гарантирует достоверность и точность технических показателей.
Для соединения насосов и вакуумного трубопровода использовано быстрое соединение металлическими гофрированными трубами (снижает вибрацию). Уровень вакуума измеряется цифровым вакуумметром.
Компания MAGMATEX использует передовые гелиевые датчики разгерметизации для измерения коэффициента повышения давления, что гарантирует достоверность и точность технических показателей.
Принцип действия индукционных печей основан на токах, возникающих в расплаве с помощью специальных устройств — индукторов. При этом наведенные токи позволяют достигать температуры плавления в металлах, достигается высокая равномерность расплавов за счет перемешивания. Все элементы расплавов подвергаются вихревому воздействию токов, таким образом происходит движение слоев и достигается максимально возможное смешивание различных присадок и металлов. К основным достоинствам индукционных печей следует отнести простейший ремонт, высокий КПД, возможность получения сплавов, обладающих заданными характеристиками и выполнять термообработку в любом режиме.
Навигация:
Индуктор, помимо создания электрического тока в обрабатываемом металле, воспринимает механические вибрационные и температурные нагрузки, поэтому при проектировании предусматривается необходимая прочность и тугоплавкость как токопроводящей, так и изолирующей части. В качестве изоляции может применяться воздушная прослойка, при этом должно быть обеспечено необходимое расстояние между витками и жесткое закрепление проводника.
Также применяют ленточную изоляцию, которая наносится поверх лакового покрытия. Лента должна обладать хорошими диэлектрическими свойствами, обеспечивающими надежную изоляцию витков.
Другим способом обеспечения необходимой диэлектрической изоляции витков индуктора является применение специального прокладочного материала, устанавливаемого между витками. Крепление прокладок осуществляется с помощью специального клея. Такой способ обычно применяется для изоляции индуктора большой мощности.
Компаундирование также служит для обеспечения нужного уровня изоляции. Данный способ не нашел широкого применения, поскольку индуктор в этом случае очень сложно отремонтировать.
Токопроводящая часть индуктора должна обладать хорошей электропроводностью, снижающей потери мощности. Кроме того, материал, используемый в электрической части индуктора должен быть немагнитным. Для того, чтобы обеспечить максимальную площадь со стороны, обращенной к обрабатываемому металлу и меньшую массу, используются различные сечения с внутренними полостями.
Каркас печи должен обеспечить жесткость всей конструкции и исключить поглощение мощности деталями. В промышленных печах обычно применяется цилиндрический каркас из листов стали со специальными технологическими отверстиями, обеспечивающими свободный доступ к индуктору.
Плавка металла в индукционной печи позволяет точно регулировать температурные режимы, поддерживать необходимую температуру в течение определенного времени. КПД индукционных печей очень высокий, поскольку отсутствуют дополнительно нагреваемые элементы, нагревается только обрабатываемый металл. По экологическим характеристикам индукционные печи являются наиболее безопасными, так как отсутствуют продукты сгорания топлива и вредные вещества, выделяющиеся при других способах плавки.
Индукционные печи применяются для выплавки цветных и черных металлов, закалки, отпуска, отжига, нормализации сталей. Конструктивно индукционные печи бывают канального типа и тигельные. Выпускаются печи, позволяющие производить плавку с доступом воздуха, в определенной газовой среде с избыточным давлением или вакууме.
Помимо цветных металлов, индукционные печи используют для плавки драгоценных металлов. При этом обычно требуется более низкая температура, чем для черных металлов. Плавка палладия в индукционной печи требует окислительной атмосферы, в отличие от других драгоценных металлов.
Выплавка стали в индукционных печах позволяет получать высоколегированные сорта, отвечающие самым жестким требованиям. В некоторых случаях применяется плавка стали в определенной газовой среде или вакууме, что позволяет получать дополнительные качества.
Плавка титана в индукционных печах дает возможность получения слитков или заготовок, обладающих равномерным составом по всему объему. Недостатком плавки в индукционных печах является сравнительно высокое содержание углерода в конечной продукции. Для уменьшения воздействия газов, выплавку титана производят в аргоновой среде или вакууме.
Следует учесть, что плавка влажных или содержащих лед металлов очень опасна, поэтому рекомендуется предварительная сушка. Наличие влаги в рабочей камере печи при появлении расплава вызовет разбрызгивание раскаленного металла, что может повлечь за собой травмы и выход из строя оборудования.
Промышленная печь индукционная
Проектирование промышленных печей осуществляется исходя из требований к технологическому процессу. Проект определяет максимально возможную температуру нагрева, возможность создания определенной газовой среды или вакуума, применение тиглей или канальное устройство рабочей части, степень автоматизации. Промышленные печи должны оборудоваться системами, обеспечивающими максимальную безопасность в процессе работы. Кроме того, так печи работают с применением переменного электрического тока, на мощность печи влияет его частота.
От того, какие температурные режимы требуются, какие виды металлов или сплавов планируется выплавлять, применяют различные виды футеровки. Футеровка индукционных печей может выполняться из огнеупорного материала, содержащего свыше 90% окиси кремния с небольшим количеством других окислов. Такая футеровка получила название кислой и может выдержать до 100 плавок.
Основная или щелочная футеровка изготавливается из магнезита с добавлением других окислов и жидкого стекла. Такая футеровка может выдержать до 50 плавок, в печах большого объема износ происходит намного быстрее.
Нейтральная футеровка применяется чаще других видов и может выдерживать свыше 100 плавок. Наиболее часто она применяется в тигельных печах. Следует учесть, что в результате проведения плавок происходит неравномерный износ футеровки. Таким образом изменяется рабочий объем и толщина стенки футеровки. Больший износ происходит в местах с большей температурой, обычно в нижней части печи.
Так как промышленные индукционные печи работают с большими нагрузками, обмотка индуктора в процессе работы может значительно нагреваться. Для предотвращения негативных последствий перегрева, обычно предусматривается водяная система охлаждения, отводящая излишки тепла от витков индуктора. При проектировании вопрос охлаждения индуктора является одним из важнейших, поскольку от эффективности системы зависит надежность и срок службы всей печи.
Максимально возможная автоматизация процессов термообработки является необходимым условием для нормальной работы промышленных индукционных печей. Правильно подобранная автоматика обеспечит различные режимы, позволяющие наиболее точно выполнить требования технологических процессов.
Производство промышленных печей осуществляется в строгом соответствии с требованиями заказчика и регулирующей НТД. Промышленные печи могут изготавливаться по типовым проектам или индивидуальным заказам. Обязательным условием является аттестация оборудования, которая должна выполняться не реже 1 раза в год.
Лабораторная индукционная печь
Исследования, проводимые с различными металлами и сплавами, требуют создания определенных условий в процессе плавки или термообработки. Индукционная печь лабораторная служит для обеспечения заданных условий, поэтому степень автоматизации такого устройства очень высока. В зависимости от того, какие материалы планируется исследовать, лабораторные печи снабжаются дополнительным оборудованием. Некоторые модели предусматривают возможность плавки при избыточном давлении или вакууме.
В лабораторных печах для футеровки, помимо указанных выше материалов, могут применяться более современные теплоизолирующие материалы, такие как:
корунд, выдерживающий до 300 плавок;
различные термостойкие волоконные материалы;
керамические теплоизолирующие пластины.
К лабораторным печам можно отнести также ювелирные печи, служащие для обработки драгоценных металлов и стоматологические, предназначенные для изготовления протезов. Печи такого типа обычно не предназначены для получения высоких температур и обработки больших объемов металла, поэтому мощность их не высока.
Каркас лабораторных печей обычно имеет форму куба или параллелепипеда. Для изготовления ребер применяют различные немагнитные материалы (дюралюминий, специальная сталь, медь). Элементы каркаса закрываются асбоцементными листами, обеспечивающими дополнительную теплоизоляцию. Для уменьшения нагрева элементов каркаса применяют специальные изолирующие прокладки. Также они служат для предотвращения возникновения блуждающих токов. Крепление индуктора в этом случае осуществляется к верхним и нижним плитам.
Лабораторные индукторные печи, как и промышленные, требуют эффективного охлаждения обмотки. В некоторых моделях достаточно воздушного охлаждения, в работающих с высокими температурами индукторах применяется водяное.
Наличие необходимого уровня защиты от токов индукции в лабораторных печах является необходимым условием, обеспечивающим безопасность персонала. Для обеспечения нужного уровня безопасности, используются специальные электромагнитные экраны. Обычно они изготавливаются из листового алюминия или меди.
Принцип индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию.
В установках индукционного нагрева электромагнитное поле создают индуктором, представляющим собой многовитковую цилиндрическую катушку (соленоид). Через индуктор пропускают переменный электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени переменное магнитное поле. Это — первое превращение энергии электромагнитного поля, описываемое первым уравнением Максвелла .
Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора или рядом с ним. Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданной индуктором, пронизывает нагреваемый объект и индуктирует электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т. е. электрическое поле в нагреваемом объекте носит вихревой характер. Под действием электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи). Это — второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла .
В нагреваемом объекте энергия индуктированного переменного электрического поля необратимо переходит в тепловую. Такое тепловое рассеивание энергии, следствием чего является нагрев объекта, определяется существованием токов проводимости (вихревых токов). Это — третье превращение энергии электромагнитного поля, причем энергетическое соотношение этого превращения описывается законом Ленца-Джоуля .
Описанные превращения энергии электромагнитного поля дают возможность:
1) передать электрическую энергию индуктора в нагреваемый объект, не прибегая к контактам (в отличие от печей сопротивления)
2) выделить тепло непосредственно в нагреваемом объекте (так называемая «печь с внутренним источником нагрева» по терминологии проф. Н. В. Окорокова), в результате чего использование тепловой энергии оказывается наиболее совершенным и скорость нагрева значительно увеличивается (по сравнению с так называемыми «печами с внешним источником нагрева»).
На величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора: величина магнитного потока, т. е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцепленных с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т. е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцепленного с нагреваемым объектом.
Это дает возможность выполнить два типа установок индукционного нагрева, которые различаются и по конструкции и по эксплуатационным свойствам: индукционные установки с сердечником и без сердечника.
По технологическому назначению установки индукционного нагрева подразделяют на плавильные печи для плавки металлов и нагревательные установки для термической обработки (закалки, отпуска), для сквозного нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой), для сварки, пайки и наплавки, для химико-термической обработки изделий и т. д.
По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают:
1) установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно или через понижающие трансформаторы;
2) установки повышенной частоты (500-10000 Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;
3) высокочастотные установки (66 000-440 000 Гц и выше), питающиеся от ламповых электронных генераторов.
Установки индукционного нагрева с сердечником
В плавильной печи (рис. 1) цилиндрический многовитковый индуктор, изготовленный из медной профилированной трубки, насаживают на замкнутый сердечник, набранный из листовой электротехнической стали (толщина листов 0,5 мм). Вокруг индуктора размещают огнеупорную керамическую футеровку с узким кольцевым каналом (горизонтальным или вертикальным), где находится жидкий металл. Необходимым условием работы является замкнутое электропроводное кольцо. Поэтому невозможно расплавить отдельные куски твердого металла в такой печи. Для пуска печи приходится в канал заливать порцию жидкого металла из другой печи или оставлять часть жидкого металла от предыдущей плавки (остаточная емкость печи).
Рис.1. Схема устройства индукционной канальной печи: 1 - индикатор; 2 - металл; 3 - канал; 4 - магнитопровод; Ф - основной магнитный поток; Ф 1р и Ф 2р - магнитные потоки рассеяния; U 1 и I 1 - напряжение и ток в цепи индуктора; I 2 - ток проводимости в металле
В стальном магнитопроводе индукционной канальной печи замыкается большой рабочий магнитный поток и лишь небольшая часть полного магнитного потока, создаваемого индуктором, замыкается через воздух в виде потока рассеяния. Поэтому такие печи успешно работают на промышленной частоте (50 Гц).
В настоящее время существует большое число типов и конструкций таких печей, разработанных во ВНИИЭТО (однофазные и многофазные с одним и несколькими каналами, с вертикальным и горизонтальным закрытым каналом разной формы). Эти печи применяют для плавки цветных металлов и сплавов со сравнительно низкой температурой плавления, а также для получения высококачественного чугуна. При плавке чугуна печь используют либо в качестве копильника (миксера), либо в качестве плавильного агрегата. Конструкции и технические характеристики современных индукционных канальных печей приведены в специальной литературе.
Установки индукционного нагрева без сердечника
В плавильной печи (рис. 2) расплавляемый металл находится в керамическом тигле, помещенном внутрь цилиндрического многовиткового индуктора. изготовляют из медной профилированной трубки, через которую пропускают охлаждающую воду. Узнать подробнее о конструкции индуктора можно .
Отсутствие стального сердечника приводит к резкому увеличению магнитного потока рассеяния; число магнитных силовых линий, сцепляемых с металлом в тигле, будет крайне мало. Это обстоятельство требует соответствующего увеличения частоты изменения (во времени) электромагнитного поля. Поэтому для эффективной работы индукционных тигельных печей приходится питать их токами повышенной, а в отдельных случаях и высокой частоты от соответствующих преобразователей тока. Подобные печи имеют очень низкий естественный коэффициент мощности (cos φ=0,03-0,10). Поэтому необходимо применять конденсаторы для компенсации реактивной (индуктивной) мощности.
В настоящее время имеется несколько типов индукционных тигельных печей, разработанных во ВНИИЭТО в виде соответствующих размерных рядов (по емкости) высокой, повышенной и промышленной частоты, для плавки стали (тип ИСТ).
Рис. 2. Схема устройства индукционной тигельной печи: 1 - индуктор; 2 - металл; 3 - тигель (стрелками показана траектория циркуляции жидкого металла в результате электродинамических явлений)
Преимуществами тигельных печей являются следующие: выделяющееся непосредственно в металле тепло, высокая равномерность металла по химическому составу и температуре, отсутствие источников загрязнения металла (помимо футеровки тигля), удобство управления и регулирования процесса плавки, гигиеничность условий труда. Кроме этого, для индукционных тигельных печей характерны: более высокая производительность вследствие высоких удельных (на единицу емкости) мощностей нагрева; возможность плавить твердую шихту, не оставляя металл от предыдущей плавки (в отличие от канальных печей); малая масса футеровки по сравнению с массой металла, что уменьшает аккумуляцию тепловой энергии в футеровке тигля, снижает тепловую инерцию печи и делает плавильные печи этого типа исключительно удобными для периодической работы с перерывами между плавками, в частности для фасонно-литейных цехов машиностроительных заводов; компактность печи, что позволяет достаточно просто изолировать рабочее пространство от окружающей среды и осуществлять плавку в вакууме или в газовой среде заданного состава. Поэтому в металлургии широко применяют вакуумные индукционные тигельные печи (тип ИСВ).
Наряду с преимуществами у индукционных тигельных печей имеются следующие недостатки: наличие относительно холодных шлаков (температура шлака меньше температуры металла), затрудняющих проведение рафинировочных процессов при выплавке качественных сталей; сложное и дорогое электрооборудование; низкая стойкость футеровки при резких колебаниях температуры вследствие небольшой тепловой инерции футеровки тигля и размывающего действия жидкого металла при электродинамических явлениях. Поэтому такие печи применяют для переплава легированных отходов с целью снижения угара элементов.
Использованная литература:
1. Егоров А.В., Моржин А.Ф. Электрические печи (для производства сталей). М.: «Металлургия», 1975, 352 с.