Индукционные Тигельные Печи Реферат

      Комментарии к записи Индукционные Тигельные Печи Реферат отключены

Индукционные Тигельные Печи Реферат.rar
Закачек 1407
Средняя скорость 2053 Kb/s

Описание тигельной печи и принцип ее работы.

В индукционных печах металл нагревается токами, возбуждаемыми в непеременным полем индуктора. По существу индукционные печи также являются печами сопротивления, но отличаются от них способом передачи энергии нагреваемому металлу. В отличие от печей сопротивления электрическая энергия в индукционных печах превращается сначала в электромагнитную, затем снова в электрическую и, наконец, в тепловую.

При индукционном нагреве тепло выделяется непосредственно в нагреваемом металле, поэтому использование тепла оказывается наиболее полным. С этой точки зрения эти печи — наиболее совершенный тип электрических печей.

Индукционные печи бывают двух типов: с сердечником и без сердечника тигельные. В печах с сердечником металл находится в кольцевом желобе вокруг индуктора, внутри которого проходит сердечник. В тигельных печах внутри индуктора располагается тигель с металлом. Применить замкнутый сердечник в этом случае невозможно.

В силу ряда электродинамических эффектов, возникающих в кольце металла вокруг индуктора, удельная мощность канальных печей ограничивается определенными пределами. Поэтому эти печи используют преимущественно для плавления легкоплавких цветных металлов и лишь в отдельных случаях применяют для расплавления и перегрева чугуна в литейных цехах.

Удельная мощность индукционных тигельных печей может быть достаточно высока, а силы, возникающие в результате взаимодействия магнитных печей металла и индуктора, оказывают в этих печах положительное воздействие на процесс, способствуя перемешиванию металла. Бессердечниковые индукционные печи применяют для выплавки специальных, особенно низкоуглеродистых сталей и сплавов на основе никеля, хрома, железа, кобальта.

Важным достоинством тигельных печей являются простота конструкции и малые габариты. Благодаря этому они могут быть полностью помещены в вакуумную камеру и в ней возможно по ходу плавки обрабатывать металл вакуумом. Как вакуумные сталеплавильные агрегаты индукционные тигельные печи получают все более широкое распространение в металлургии качественных сталей.


Индукционная тигельная печь
состоит из основных элементов (индуктора, футеровки, каркаса, механизма наклона) и может быть оборудована дополнительными устройствами (крышкой с механизмом подъема и поворота, магнитопроводом или магнитным экраном, рабочей площадкой и др.)Рассмотрим конструкцию основных узлов индукционной тигельной печи.

Индуктор предназначен для создания переменного магнитного поля необходимой напряженности. Помимо основного назначения, индуктор выполняет также роль крепления тигля, которое удерживает его от смещения при наклоне печи.

Поскольку мощность, передаваемая садке печи, пропорциональна квадрату ампер-витков индуктора, целесообразно обеспечивать возможно большее число витков индуктора и пропускать через него токи большой силы. В среднем плотность тока в индукторе составляет около 20 А/мм2, а электрические потери в нем даже при изготовлении его из меди достигают 20—30%. Кроме того, индуктор дополнительно нагревается потоком тепла от тигля. Во избежание перегрева индуктор необходимо охлаждать.

Сечение трубки выбирают так, чтобы толщина стенки примерно в 1,3 раза превышала глубину проникновения тока, сечение стенки при заданной силе тока обеспечивало плотность тока не более 20 А/мм2, а сечение отверстия трубки обеспечивало проход количества воды, необходимого для отвода тепла. Конструкция индукционной печи
а — конструктивное оформление; 1 — индуктор, 2 — крепление витков индуктора, 3 — каркас, 4 — изоляция, 5 — подовая плита, 6 — тигель, 7 — цапфы, 8 — крышка
б — футеровка тигля; 1 — подовая плита, 2 — тигель, 3 — воротник, 4 — сливной желоб, 5 — огнеупорная обмазка

Наружный диаметр трубки при этом должен позволять разместить по высоте индуктора расчетное число витков.

Индуктор изготовляют, как правило, из медной трубки круглого сечения. Иногда, однако, использование такой трубки невозможно, так как при этом нельзя выполнить изложенные выше требования. Поэтому в некоторых случаях приходится использовать неравно-стенные или профилированные трубки. Использование профилированных трубок целесообразнее и в связи с уменьшением магнитного потока рассеивания, достигаемого в этом случае в связи с возможностью уменьшения зазора между тиглем и витками индуктора.

Иногда расчетное число витков оказывается настолько незначительным, что не позволяет плотно заполнить всю высоту индуктора. В этом случае индуктор целесообразно изготовлять двухсекдонным с удвоенным числом витков и параллельным соединением секций. Секции наматывают в противоположные стороны, так как [только в этом случае магнитные потоки секций складываются, на месте стыка секций напряжение крайних витков секций оказывается одинаковым и не требует усиленной Юляции. При одинаковом напряжении витков в месте стыка напряжение между витками было бы равно напряжению источника.

На генераторной (подсоединяемой к источнику питания) секции делается несколько промежуточных отводов. Подключая разное число витков секции к источнику питания, точно, как в автотрансформаторе, повышать ,напряжение на индукторе выше номинальное напряжения источника питания и тем самым регулировать потребляемую печью мощность.

Витки индуктора изолируют друг от друга стеклотканью с кремниеорганичеким лаком. Изолированные витки сжимаются плитами из изоляционного материала. В некоторых случаях каждый виток индуктора жестко крепят к изоляционным стойкам независимо от других витков. В этом случае изоляция витков не обязательна.

Футеровка. Индуктор и помещаемый внутри него тигель устанавливают на подину, изготавливаемую из шамотных блоков, шамотных кирпичей или (на крупных печах) из жаропрочного бетона.

На промышленных печах тигель, образующий плавильное пространство печи, изготавливают непосредственно в печи. Для этого собранный и установленный на подину индуктор закрепляют и внутреннюю его поверхность изолируют асбестом. Затем на подину насыпают порошкообразные огнеупорные материалыи пневматическими трамбовками уплотняют их слоями по 50—70 мм. На уплотненное днище устанавливают шаблон, сваренный из листовой углеродистой стали толщиной 2—3 мм и имеющий форму, повторяющую внутренние контуры тигля. В кольцевой зазор между шаблоном и индуктором засыпают порошки огнеупоров и уплотняют их такими же слоями.

Футеровку выше верхнего витка индуктора выполняют из обожженного кирпича, так как обжечь этот участок тигля в печи очень трудно. Воротник и сливной желоб футеруют кирпичом и обмазывают огнеупорной обмазкой.

Тигли для печей небольшой емкости можно изготавливать в пресс-формах и устанавливать в печь в готовом виде, засыпая зазор между тиглем и индуктором порошкообразными огнеупорами. Это значительно ускоряет замену футеровки, но трудно осуществимо при большой емкости тигля. Чтобы набивка тигля не создавала перебоев в работе крупных установок, их снабжают двумя печами и либо печь полностью заменяют после выхода из строя тигля, либо питание переключают на вторую печь.

Футеровка индукционных тигельных печей работает в очень тяжелых условиях. Для получения возможно меньшего магнитного потока рассеивания толщина ее должна быть минимальной и при этом обеспечивать высокую механическую прочность, не растрескиваться при смене температур после слива металла и завалки холодной шихты, обладать высокой огнеупорностью и шлакоустойчивостью. Особенно жесткие требования предъявляют к огнеупорным материалам, используемым в печах высокой частоты. Помимо перечисленных требований, в огнеупорах для индукционных печей высокой частоты должны отсутствовать токопроводящие и магнитные примеси, так как частицы этих примесей в высокочастотном поле нагреваются, оплавляются и растворяют футеровку, приводя к прогоранию тигля.

Футеровка индукционных печей может быть кислой или основной. Кислую футеровку изготовляют из кварцевого песка или кварцита и использует главным образом в литейных цехах машиностроительных заводов. Она дешевле основной футеровки, обладает более высокой термостойкостью, характеризуется меньшей тепло- и электропроводностью тиглей из кислых материалов. Срок службы длительнее. В то же время кислая футеровка восстанавливается многими элементами, входящими в состав легированной стали, и поэтому на металлургических заводах находит ограниченное применение.

Для основной футеровки обычно применяют порошок магнезита, реже — порошок, полученный из отходов хромомагнезитовых кирпичей. В некоторых случаях для изготовления тиглей пользуются техническим глиноземом и цирконовым песком (цирконовым силикатом). В качестве связующих используют борную кислоту, буру, жидкое стекло, огнеупорную глину и другие вещества.

Футеровку изготовляют из увлажненных или сухих материалов. Вновь изготовленный тигель должен быть просушен и обожжен, для чего проводят специальную обжиговую плавку. В тигель с шаблоном загружают чугун и медленно поднимают нагрузку до слабо-красного каления шаблона. Если футеровка изготовлена из увлажненных материалов, то печь сушат в течение 15—20 ч, при применении сухой массы время сушки уменьшают до нескольких часов, а затем нагрузку увеличивают и расплавляют чугун.

При первой плавке в печь стремятся загрузить как можно больше чугуна с тем, чтобы обжечь тигель до высоты, превышающей обычный уровень металла. Чугун сильно перегревают, и расплав становится очень жидкотекучим и хорошо заполняет все неровности поверхности.

После обжиговой плавки на внутренней поверхности тигля образуется тонкий (2—3 мм) рабочий слой спеченной футеровки. В дальнейшем толщина этого слоя постоянно увеличивается. Неспеченный слой набивки выполняет роль буфера, воспринимающего термические и механические нагрузки рабочего слоя. Когда футеровка спекается на всю толщину, тигель трескается и выходит из строя.

Стойкость футеровки зависит от состава огнеупорной массы, частоты тока, режима работы и ряда других факторов. На печах с основным тиглем она достигает 40—100 плавок; стойкость кислых тиглей может быть значительно больше.

Каркас является основой для крепления всех элементов печи. На печах большой емкости каркас заменяют сплошным кожухом.

Элементы каркаса должны обладать большой прочностью и выдерживать значительные нагрузки. Поскольку каркас расположен в зоне сильного электромагнитного поля индуктора, он может при определенных условиях нагреваться почти так же, как сталь в тигле.

Чтобы уменьшить потери на нагрев каркаса, необходимо ослабить наводимые в нем токи. Наиболее просто это достигается тем, что каркас разбивают на отдельные электроизолированные друг от друга элементы, и тогда его лучше изготовлять из немагнитных, а еще лучше — из неэлектропроводных материалов. Однако, поскольку наиболее доступным конструкционным материалом является сталь, каркас чаще всего изготовляют из стальных изолированных друг от друга частей.

Иногда целесообразно снизить вблизи каркаса напряженность магнитного поля. Это может быть достигнута установкой между индуктором и каркасом магнитопроводов или магнитных экранов. Магнитопровод изготовляют в виде пакетов, набранных из листов электротехнической стали толщиной 0,2—0,5 мм и устанавливаемых по окружности между индуктором и каркасом. Вследствие более высокой магнитной проницаемости электротехнической стали по сравнению с воздухом магнитные силовые линии замыкаются по магнитопроводу и каркаса не достигают. Общее сечение магнитопровода выбирают таким, чтобы концентрация выделяющегося в нем тепла была невелика и он не нагревался. Это условие выполняется тогда, когда магнитопровод выполнен достаточно массивным. Часто масса магнитопровода заметно превосходит массу садки.

Установка магнитопроводов, кроме того, усложняет конструкцию печи и обслуживание индуктора. По этим причинам они находят ограниченное применение.

Более просты и компактны печи с электромагнитными экранами, изготавливаемыми в виде цилиндра из медного или алюминиевого листа и устанавливаемыми между индуктором и каркасом.

Сущность экранирования каркаса заключается в том, что электромагнитные волны, исходящие от индуктора, наводят в экране токи, противоположные по направлению току индуктора. Эти токи создают поле, противоположное полю индуктора, и оно достигает каркаса значительно ослабленным.

Для обеспечения небольших потерь в экране необходимо, чтобы его толщина минимум в 1,3 раза превышала глубину проникновения тока. Поэтому электромагнитные экраны наиболее целесообразно применять на установках высокой частоты. Для печей промышленной частоты толщина медного экрана должна быть не менее 1,3 см.

Механизм наклона. Как и в дуговой печи этот механизм должен обеспечивать наклон для полного слива металла. В настоящее время применяют очень разнообразные механизмы. Для печей малой емкости используют механизмы, состоящие из лебедки с ручным или электромеханическим приводом и троса, перекинутого через блок.

Более крупные печи наклоняют при помощи тельфера, сцепляя его крюк с серьгой, укрепленной на каркасе. Крупные печи оборудуют гидравлическим приводом наклона, в принципе аналогичным гидравлическому приводу наклона дуговых печей.

Вращение печи осуществляется, как правило, вокруг цапф, ось которых проходит под носком печи. В некоторых случаях вращение начинается вокруг нижних цапф и осуществляется с большой скоростью, пока в гнездо не уложатся верхние цапфы. После этого печь поворачивается вокруг верхней пары цапф, но уже с меньшей скоростью (увеличивается радиус точки приложения сил).

Крышка предназначена для уменьшения тепловых потерь излучением с поверхности расплава и поддержания температуры шлака на более высоком уровне.

Последнее требование в некоторых случаях приобретает особенно важное значение, так как шлаки в индукционных печах нагреваются только за счет тепла металла. Однако учитывая, что при использовании индукционных печей, как правило, не ставится задача глубокого рафинирования металла шлаком, целесообразность усложнения конструкции печи в результате установки крышки представляется сомнительной, тем более, что ее можно применять лишь в очень ограниченное время после полного расплавления шихты. Поэтому крышка не является обязательным элементом конструкции индукционной тигельной печи.

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский машиностроительный колледж

Тема Конструкция и расчет индукционной тигельной печи для выплавки чугуна производительностью 2,5 т/ч

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ

Павлодарский машиностроительный колледж

На выполнение _____________________________________________________

по дисциплине _____________________________________________________

Студент группы ____________________________________________________

Руководитель ______________________________________________________

Объем расчетно-пояснительной записки _______________________________

Перечень подлежащих к разработке вопросов

Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей)

Срок сдачи проекта (работы) руководителю____________________________

Дата выдачи задания____________________________________________

Руководитель проекта (работы)___________________________________

Задание принял к исполнению студент ____________________________

1 Описание конструкции и работы печи 5

1.1 Конструкция печи 5

1.2 Характеристика индукционной печи 8

2 Расчет печи 9

2.1 Определение размеров рабочего пространства печи 9

2.2 Тепловой расчет печи 10

2.3 Электрический расчет печи 15

2.4 Расчет охлаждения индуктора 22

2.5 Расчет конденсаторной батареи 25

Список использованных источников 28

Для плавки чугуна на твердой завалке широко применяют тигельные индукционные печи. Такие печи удобны в эксплуатации, в них легко получать различные чугуны, область их применения за последнее время значительно расширилась.

Технологический процесс плавки в индукционной печи включает следующие операции: загрузку шихты, нагрев и расплавление ее, перегрев, науглероживание и доведение химического состава чугуна до заданного, а также термовременную обработку (выдержку). Загружаемая шихта частично погружается в расплав, создавая сплошную электропроводную среду, в которой индуктором наводятся вихревые токи. Загрузка в жидкий металл (остаток от предыдущей плавки, называемый зумпфом или «болотом») необходима потому, что при использовании электрического тока промышленной частоты в дискретных элементах шихты наведение вихревых токов малоэффективно. Вихревые токи разогревают металл, и он плавится. Масса зумпфа доходит до 50 % от общей массы металла в печи (емкости печи) и соответственно влияет на длительность периодов плавки. При этом загрузка в «болото» может осуществляться в несколько стадий. Так, при плавке в печи с массой садки 12 т и зумпфе массой 5 т соблюдается такая последовательность и длительность периодов: загрузка 5 — 6 т шихты (кроме возврата) 15 минут; расплавление 1 час 5 минут; доводка химического состава 40 минут; загрузка возврата (2 т) 10 минут; расплавление возврата 15 минут; доводка по температуре, скачивание шлака 25 минут. В результате получается, что часовая производительность печи составляет около 1/3 от ее массы садки.

1 Описание конструкции и работы печи

1.1 Конструкция печи

Уровень развития современной техники предъявляет высокие требования к металлам и сплавам, удовлетворить которые могут лишь металлы и сплавы, полученные в процессе электроплавки.

Наибольшее распространение получили электрические индукционные печи промышленной частоты.

В зависимости от назначения индукционные печи подразделяются на индукционные тигельные – ИЧТ (индук­ционная чугунная тигельная), тигельные печи-мик­серы – ИЧТМ (индукционная чугунная тигельная-миксер) и канальные миксеры– ИЧКМ (индукционная чугунная канальная-миксер).

Стоимость индукционных печей и современных вагранок практически одинакова, но срок окупаемости индукционных печей приблизительно в два раза меньше за счет более низкой стоимости шихтовых материалов и самих отливок.

Тигельные индукционные печи. Индукционные тигельные печи и миксеры промышленной частоты работают по принципу трансформатора без железного сердечника, первичной обмоткой которого является многовитковая катушка – индуктор, вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – расплавляемый металл.

Тигельные индукционные печи, имеющие значительную удельную мощность, применяются для плавки, а миксеры применяются для сохранения температуры и доводки металла по химическому составу; при необходимости металл в миксере может быть перегрет на 100°.

Принцип работы печи основан на поглощении электромагнитной энергии металлической шихтой, которая заложена в тигель, помещенный в переменное магнитное поле. Нагрев и расплавление шихты происходят в результате наведения электрического тока и выделения тепла в кусках шихты.

Рисунок 1.1 — Индукционная тигельная печь для плавки чугуна

На рисунке 2.1 представлена индукционная тигельная печь (ИЧТ) промышленной частоты емкостью 6 т. Она состоит из следующих основных узлов: металлического каркаса 1, тигля 3, индуктора 2, крышки с механизмами подъема 6, рабочей площадки 7, токо- и водоподводящих устройств, заключенных в кожухе 8. Каркас 1 печи представляет собой сварную конструкцию, выполненную из листовой стали. Жесткость каркаса обеспечивается ребрами жесткости, равномерно расположенными по диаметру обечайки. Каркас усилен средним поясом, несущим ось вращения печи, который выполнен в виде коробки из листовой стали. Под сливным носиком 5 расположена ось 4 поворота печи. Ось крепится в подшипниках, установленных на колоннах,

Печь имеет гидравлический механизм наклона, состоящий из маслонапорной установки, аппаратуры гидропровода и двух плунжеров. Посредством гидравлического механизма осуществляется наклон печи в одну сторону на любой угол до 100° для выдачи металла.

Главной частью печи является индуктор 2, представляющий собой медную профилированную водоохлаждаемую трубку. Катушки индуктора изолированы стеклолентой и микалентой; во избежание осевого перемещения индуктора он зафиксирован специальными прижимами из немагнитного материала. Индуктор печи окружен венцом из стальных пакетов, которые вместе с прижимами создают надежное крепление индуктора, что особенно важно при наклоне печи.

Воротник печи вместе с рабочей площадкой 7 составляют съемную сварную конструкцию. Воротник футеруется шамотными кирпичами, а для отвода дымовых газов в нем предусмотрен канал, расположенный непосредственно под площадкой.

Плавильным пространством печи является тигель 3, выполняемый обычно набивкой непосредственно в самой печи. В качестве набивочных материалов для изготовления тигля применяют кислые, основные и нейтральные огнеупорные массы.

Рабочее пространство печи закрывается крышкой 6 из немагнитной стали, футерованной изнутри огнеупорным бетоном и теплоизолирующим материалом. Крышка снабжена механизмом подъема и поворота с ручным приводом рычажного типа. Загрузка шихты в печь производится сверху.

Токоподвод к печи осуществляется гибкими водоохлаждаемыми кабелями. Регулирование мощности печи производится автоматически регулятором электрического режима. Для управления наклоном печи предусмотрен пульт управления.

Футеровка тигельных печей. Плавильное пространство индукционной печи выполняется в виде тигля, изготовляемого из специальной огнеупорной массы. Операции набивки тигля должны выполняться с особой тщательностью и с применением химически чистых материалов. Высокие требования к качеству изготовления тигля объясняются тем, что тигель работает в неблагоприятных условиях: внутренняя поверхность тигля обогревается жидким металлом и имеет его температуру, а наружная поверхность соприкасается с индуктором, охлаждаемым водой. Помимо этого, обычно в металлургических печах футеровка выполняется в кожухе печи. Здесь же все усилия, возникающие в процессе плавки, воспринимаются свободно стоящим тиглем.

Для футеровки индукционных тигельных печей применяется кварцевый песок либо молотый кварцит. В качестве связующей добавки применяют борную кислоту, которая является плавнем и обеспечивает быстрое спекание футеровки.

Технология выполнения футеровки включает следующие операции: подготовку материалов; заливку подины жароупорным бетоном; приготовление футеровочной массы; набивку тигля; спекание тигля; выкладку воротника; футеровку крышки.

Кварцевый песок (либо молотый кварцит) должен содержать менее 95% двуокиси кремния (Si02 ). Песок должен содержать более 0,25–0,50% остаточной влаги, и для предупреждения •включений железа подвергается магнитной сепарации. Затем песок рассеивают на фракции: 2–3 мм – 35%; 1 – 0,75 мм – 20% и менее 0,75 мм – 45%.

Потребное количество песка каждой фракции засыпают в тщательно очищенный смеситель, где песок перемешивается в течении 10–15 мин, затем добавляют борную кислоту в количестве 2–2,5%, и смесь перемешивается еще 10 мин. Приготовленная таким образом масса должна быть сразу использована. В случае приготовления массы впрок смешанные фракции песка упаковывают в мешки и хранят в сухом месте, а борную кислоту вводят перед употреблением массы.

Для футеровки подины (9 на рисунке 1.1) и крышки печи применяется жаропрочный бетон приведенного ниже состава (в кг на м3 бетона).

В индукционных тигельных печах в литейном производстве выплавляют различные металлы и сплавы (сталь, чугун, медь, бронзу, алюминий и т. д.).

Принцип действия тигельной печи состоит в том, что расплавляемый металл помещают в пространство, пронизываемое переменным магнитным потоком. Под действием возникающей ЭДС в металле течет ток, металл нагревается и плавится.

Внутри индуктора расположен тигель из огнеупорного материала. Внутреннее пространство тигля заполняется расплавленным металлом. Тигель защищает индуктор от воздействия жидкого металла. Толщина стенки тигля, т. е. расстояние между индуктором и жидким металлом, влияет на электрические параметры печи: чем толще стенка, тем большее количество магнитных силовых линий, пронизывающих катушку, не участвует в нагреве металла.

Для уменьшения индуктивной …
мощности печи параллельно индуктору подключают конденсаторы, число которых по ходу плавки изменяется, так как в процессе нагрева меняется электрическое сопротивление шихты, а в некоторых случаях и ее магнитные свойства.

По контуру, включающему индуктор и конденсаторную батарею, проходит ток большой силы. Поэтому для соединения индуктора с конденсаторной батареей используют шины и кабель большого сечения.

Магнитный поток, создаваемый индуктором, проходит по замкнутым линиям как внутри его, так и снаружи. В зависимости от прохождения магнитного потока с внешней стороны индуктора различают открытую, экранированную и закрытую конструкции печей.

При открытой конструкции магнитный поток с внешней стороны индуктора проходит по воздуху. Силовые линии магнитного поля пронизывают пространство, окружающее индуктор. Конструктивные элементы печи, например детали ее каркаса, должны быть неметаллическими, или их следует располагать на таком удалении от индуктора, чтобы магнитное поле не оказывало на них влияние. Вблизи от индуктора используют элементы конструкции из дерева или асбоцемента. Элементы из углеродистой стали должны быть удалены на большое расстояние от индуктора (не менее одного его диаметра). Печи открытой конструкции строят обычно небольших габаритных размеров.

При экранированной конструкции магнитный поток с внешней стороны индуктора отделяется от стальных конструкций экраном из меди. Медь имеет небольшое электрическое сопротивление, а так как выделение мощности в теле, помещенном в электромагнитное поле, зависит от его сопротивления, то в медном экране энергия поля поглощается в меньшем количестве. Стальные конструкции при наличии экрана могут быть расположены ближе к индуктору, что уменьшает габаритные размеры печи.

При закрытой конструкции магнитный поток с внешней стороны индуктора проходит, по радиально расположенным, пакетам трансформаторной стали — магнитопроводам. Магнитная проницаемость трансформаторной стали во много раз больше магнитной проницаемости воздуха, поэтому практически весь магнитный поток проходит по магнитопроводам. Магнитопроводы целесообразно располагать как можно ближе к индуктору. Это уменьшает размеры печи и увеличивает жесткость индуктора.

Число магнитопроводов и их размеры определяют в зависимости от мощности печи, частоты питающего тока, характеристики трансформаторной стали и т. д. Закрытую конструкцию широко применяют в печах большой вместимости.

Большое значение для работы индукционной печи имеет частота питающего тока. Каждому значению вместимости печи и электрическому сопротивлению шихты соответствует определенная частота тока. При выборе частоты тока учитывают, что внутренний диаметр тигля должен быть больше или равен 3,5 глубины проникания тока в шихту.

Индукционные тигельные печи состоят из следующих основных частей: индуктора, магнитопроводов, каркаса, футеровки, механизма наклона, электрооборудования и системы охлаждения печи (рис. 1.29).

1- индуктор, 2 – тигель, 3 – механизм наклона печи, 4 – ковш, 5 — крышка

Рисунок 1.29 — Тигельная индукционная печь

Индуктор. Индуктор представляет собой цилиндрическую катушку из медной трубки. Индуктор изготовляют из меди потому, что ею поглощается меньше энергии электромагнитного поля, чем сталью и другими материалами. Профиль медной трубки разнообразен: круглый, квадратный, прямоугольный. Толщину стенки медной трубки выбирают в зависимости от частоты питающего тока. Исходя из необходимости обеспечения минимальных потерь энергии в трубке, толщина ее стенки должна быть на 30 % больше глубины проникания тока. Размер отверстия в трубке обусловлен расходом охлаждающей ее воды. Поперечное сечение трубки зависит от тока, протекающего по индуктору.

Для подвода и отвода воды и электроэнергии индуктор имеет припаянные штуцера. Между витками индуктора устанавливают электроизоляционные прокладки. Индуктор покрывают слоем эпоксидной смолы, чем обеспечивается надежная электрическая изоляция одного витка от другого.

На рисунке 1.30 изображен индуктор в сборе.

Индуктор 1, подготовленный к монтажу, собирается с верхней и нижней водоохлаждаемыми катушками 10 и 3, верхним и нижним кольцами 9 и 2 и натяжным устройством.

Рисунок 1.30 – Индуктор тигельной печи в сборе.

Индуктор имеет 23 витка и изготовлен из трубки прямоугольной формы 62×50 мм со стенкой толщиной 11 мм. Между витками установлены изоляционные прокладки 8. Наружная поверхность индуктора оклеена листовым асбестом 6 толщиной 10 мм. Натяг индуктора осуществляется штангами 7, гайками 4 и тарельчатыми пружинами 5. Штанги (12 штук) равномерно расположены по наружной окружности индуктора.

Охлаждающие кольца 9 и 2 и охлаждающие катушки 10 и 3 предназначены для охлаждения футеровки печи по всей высоте индуктора.

В печах промышленной частоты верхний уровень индуктора устанавливают ниже уровня металла, вследствие чего уменьшается мениск на поверхности ванны и исключается выброс металла из тигля из-за электродинамической циркуляции.

Магнитопровод. Во избежание нагрева металлических частей печи полями рассеяния вокруг индуктора устанавливают внешний магнитопровод из листовой трансформаторной стали. Магнитопровод состоит из отдельных пакетов, расположенных равномерно по периметру индуктора. На печах промышленной частоты магнитопроводы изготовляют из стали толщиной 0,5 мм, а на печах повышенной частоты — толщиной 0,35 мм.

Длина пакетов магнитопровода больше высоты индуктора. Пакеты крепят к каркасу печи болтами и устанавливают вплотную к индуктору, что обеспечивает жесткость конструкции и минимальное рассеяние магнитного потока. Расположение пакетов магнитопровода по периметру печи показано на рис. 1.31.

1- электровывод, 2, 4 – асбест, 3 – индуктор, 5, 8 – изоляторы, 6 – магнитопровод, 7 – прижимной винт, 9 – футеровка печи, 10 – балка каркаса печи

Рисунок 1.31 – Поперечный разрез индукционной тигельной печи.

Каркас. Каркасы печей небольшой вместимости выполняют из дерева и асбоцемента, а также из немагнитных металлов. Каркасы печей большой вместимости должны иметь большие жесткость и прочность, поэтому их изготовляют из профильной стали, т. е. швеллера, уголка, балки. На рис. 1.30 видны вертикальные ребра жесткости каркаса. Каркас воспринимает все нагрузки, возникающие при расширении печи (при нагреве), ее наклоне, сливе металла и шлака.

Футеровка. Условия работы индукционной печи предъявляют определенные требования к ее футеровке. Футеровка должна выдерживать механическое воздействие жидкого металла, что особенно важно для печи большой вместимости (свыше 10 т). Футеровка со стороны жидкого металла должна иметь плотную спекшуюся поверхность, через которую он не сможет просочиться. Со стороны индуктора футеровка должна быть неспекшейся. Это предупреждает образование в ней сквозных трещин. В процессе эксплуатации в плотном спекшемся слое футеровки могут образоваться трещины. Жидкий металл, попадая по ним в неспекшийся слой, разогревает его, и футеровка, спекаясь, закрывает трещину. Наличие неспекшегося слоя исключает проникание жидкого металла к индуктору.

Стойкость футеровки определяет срок службы печи до очередного ремонта. В зависимости от металлургического процесса применяют кислые или основные огнеупорные материалы. Футеровка печи состоит из подины 1, тигля 2, верхнего кольца 4 и крышки 3 (рис. 1.32). Как правило, при изготовлении футеровки печи применяют огнеупорные массы и для подины — фасонные огнеупорные изделия.

Рисунок 1.32 – Футеровка индукционной тигельной печи.

Индукционные тигельные печи для плавки чугуна футеруют сухой кварцитовой массой. Вначале из фасонных огнеупорных изделий выполняют подину печи, затем на внутреннюю поверхность индуктора наносят слой густой кварцитовой обмазки толщиной 10 мм, который после затвердевания обклеивают или листовым асбестом, или плитками из теплоизоляционного материала. Футеровку тигля изготовляют методом уплотнения вибрацией с использованием ручных или механических вибраторов. Для изготовления тигля применяют сухие кварцитовые массы. Вначале выполняют нижнюю часть тигля. Затем на под тигля устанавливают металлический шаблон и в пространство между индуктором и шаблоном засыпают огнеупорную массу. Во избежание разделения фракций массы ее подают в печь по матерчатому или резинотканевому рукаву.

При использовании ручных электровибраторов футеровку тигля делают послойно. Высота каждого слоя в зависимости от вместимости печи составляет 70—300 мм. После уплотнения первого слоя верхнюю его поверхность разрыхляют и на нее засыпают следующую порцию массы. Второй слой уплотняют аналогично первому. Из условий высококачественного уплотнения высота шаблона должна быть не более 500—600 мм, поэтому для печей большой вместимости применяют несколько шаблонов, устанавливаемых последовательно друг на друга по мере уплотнения тигля.

При использовании механических электровибраторов вначале уплотняют нижнюю часть тигля, а затем после установки металлического шаблона сразу заполняют огнеупорной массой все пространство между индуктором и шаблоном по всей высоте печи. Механический электровибратор (рис. 1.33) опускают во внутреннее пространство шаблона и уплотняют массу через стенку шаблона. В процессе уплотнения вибратор перемещают по высоте печи (с помощью крана или электротали) и вращают (вручную) вокруг вертикальной оси печи. Использование механических вибраторов сокращает время уплотнения тигля в 2—3 раза по сравнению с уплотнением ручными вибраторами.

1 – шаблон, 2- огнеупорная масса, 3 – рычаг для вращения вибратора, 4 – вибратор

Рисунок 1.33 – Расположение электровибратора в печи.

После футеровки тигля металлический шаблон или остается в печи и расплавляется при ее нагреве, или извлекается и используется повторно.

Футеровку печи сушат, плавно повышая температуру, что исключает отслаивание футеровки. Печь нагревается при включении индуктора в электрическую сеть. Предварительно в печь загружают несколько стальных или чугунных блоков, которые, нагреваясь вихревыми токами, разогревают футеровку печи. Обычно время нагрева до температуры 1000 °С не превышает 10 ч. Затем печь переключают на более высокую ступень напряжения и расплавляют металл, загружаемый в печь, или в печь заливают жидкий металл из другой печи. Футеровка печи спекается при рабочей температуре в течение 1 ч. Температура спекания футеровки при плавке чугуна 1500 °С.

Механизм наклона. При разливке металла каркас печи с индуктором и футеровкой в сборе необходимо наклонять на 95—100°.

Индукционные печи небольшой вместимости имеют ручные механизмы наклона (лебедки). Большие печи имеют, как правило, механизм наклона с гидравлическим приводом. Печь наклоняют гидравлическим цилиндром, соединенным с помощью шарниров с ее каркасом и рамой, установленной на фундаменте. Гидравлический цилиндр гибкими шлангами соединен с насосной станцией; давление, создаваемое в нем, достигает 20 МПа. Из противопожарных соображений в гидросистемах вместо масла целесообразнее применять негорючую жидкость.

Электрооборудование. В комплект печной установки входит трансформатор, конденсаторные батареи, преобразователь частоты тока, щиты управления и питающие кабели. Печь подключается к сети высокого напряжения (до 35 кВ) через высоковольтный выключатель. Трансформатор имеет несколько регулировочных ступеней на вторичной стороне (до 10), что позволяет подводить необходимое напряжение к индуктору в зависимости от режима работы печи. Для компенсации индуктивной мощности индуктора предназначены две конденсаторные батареи. Одна батарея включена постоянно, другую включают частями, по мере необходимости. Индукционные тигельные печи, работающие на повышенной или высокой частоте, имеют дополнительный преобразователь частоты (тиристорный или машинный).

Система охлаждения печи. Такие элементы печи, как индуктор, конденсаторы, кабели, могут работать только при их интенсивном охлаждении. Для охлаждения используют преимущественно воду. Небольшие печи охлаждаются обычной водой. Крупные печи охлаждаются специально подготовленной водой.

На рис. 1.34 показана схема охлаждения индукционной тигельной печи.

Рисунок 1.34 – Схема охлаждения индукционной печи.

Вода для охлаждения печи проходит по замкнутому контуру, включающему печь 1, трубчатый теплообменник 2, конденсаторы 10. Циркуляция воды в первичном контуре обеспечивается работой насоса 9 или насоса 8. Оба насоса работают попеременно и в качестве привода имеют электродвигатель. При отсутствии электроэнергии включается насос 7 с приводом от поршневого двигателя.

Для компенсации утечек воды из первичного контура предусмотрена система добавки специально подготовленной воды, включающая бак 4, регулирующий клапан 5 и преобразователь давления 6. Уровень воды в баке автоматически регулируется поплавковым устройством 3.


Статьи по теме