Индукционные тигельные печи.







ИНДУКЦИОННЫЕ ТИГЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ.

Содержание
Индукционные тигельные печи введение.
История тигельной плавки металла.
Области применения индукционных тигельных печей.
Принципиальные особенности работы индукционных тигельных печей и футеровки.
Характеристика устройства индукционной тигельной печи и футеровки.

Индукционные тигельные печи введение.

Огнеупорная футеровка является одним из основных элементов тепловых агрегатов. Она обеспечивает возможность проведения технологических процессов, протекающих как правило при высоких температурах.
Качество и стойкость футеровки при эксплуатации очень часто определяет  интенсификацию технологических процессов , повышение производительности, улучшение качества и снижение себестоимости выпускаемой продукции.
В индукционных плавильных печах, выплавляют металлы высокой химической чистоты и ровной, плотной структуры. Поэтому индукционные тигельные печи приобретают все большее значение, где специальные стали и сплавы, точность и качество литья имеют большое значение.
Изыскание огнеупорной футеровки, обеспечивающей высокую стойкость и надежность работы индукционных тигельных печей является одной из важнейших проблем современной металлургии.

История тигельной плавки металла.

Плавка металла в огнеупорных тиглях- тигельный метод, зародилась давно и относится к древним временам. Так, известно, что в таких древнейших центрах человеческой культуры, как Китай, Индия, Сенар, Элам, Вавилония, Египет. Производилась тигельная плавка за 2000-5000 лет до нашей эры. Выдающиеся работы по научным основам формирования огнеупорных тиглей из обожженных муллитизированных огнеупоров, глинозема и кварцевого песка с присадками титанистых минералов, смеси прозрачного кварца, густо рассеянного среди общей аморфизированной и высокой степени муллитизированной массы глинистого минерала ( каолинита) , были выполнены М.В. Ломоносовым.
Систематическое и широкое использование в металлургии тигельного метода в России связано с работами талантливого русского металлурга-практика и новатора Семена Ивановича Бадаева. Он в 1808г. применил тигельный метод плавки стали и выполнил ценные разработки по изготовлению огнеупорных тиглей. Первые опыты С.И. Бадаева на Воткинском заводе в 1810г., осуществлялись с применением тиглей емкостью 6 фунтов металла (~ 2,5 кг). О работах С.И. Бадаева сообщала Петербургская газета «Северная почта» в 1811г. , №45 . Ученый металлург Павел Петрович Аносов является основателем производства литой высококачественной стали в огнеупорных тиглях. Плавка стали тигельным способом П.П. Аносовым проводилась на Златоустовском заводе в 1828-1837гг.
В огнеупорных тиглях вели также многолетние изыскания по изготовлению литой булатной стали в России. Результаты этих работ были изложены П.П. Аносовым в статье «О булатах», опубликованной в 1841г., в «Горном журнале»
Известный русский металлург П.М. Обухов, продолжая работы П.П. Аносова, получил в 1897г. патент на тигельный способ плавки орудийной стали. «Обуховская» орудийная сталь была очень высоко по качеству и славилась во всем мире.
Плавка металла в огнеупорных тиглях с применением электротермии является дальнейшим совершенствованием тигельного метода.
Пионерами промышленной электротермии и электрометаллургии были русские ученые. В.В. Петров, открыв в 1802г. явление электрической дуги, указал на возможность ее использования для мгновенного расплавления металлов. Этим и было положено начало электрометаллургии.
Изобретение И.Ф. Усыгиным оригинального трансформатора, работающего на принципе электромагнитной индукции, позволило создать индукционную печь. В 1882г. этот трансформатор был продемонстрирован впервые на промышленной выставке в Москве. Первая индукционная печь промышленного типа была создана в 1901г.
В 1905-1907 гг. известный русский изобретатель лампочки накаливания А.Н. Лодыгин предложил ряд оригинальных конструкций индукционных нагревателей, которые легли в основу более совершенных конструкций индукционных печей. Результаты этих работ были опубликованы в 1908г. К этому периоду относится также и организация фабричного производства огнеупорных тиглей в России. Производство тиглей было начато в Петербурге, а затем группой русских промышленников была основана специальная тигельная мастерская в г.Луге,Петербургской губернии.
Таким образом, русскими учеными и производственниками был сделан значительный вклад в развитие тигельного метода плавки металла в индукционных тигельных печах.

Области применения индукционных тигельных печей.

В индукционных тигельных печах выплавляют высококачественные стали и сплавы различных свойств и назначений, а также тугоплавкие металлы. Особенно большое значение эти печи приобретают в малой металлургии, в передельных плавильных цехах различных машиностроительных и приборостроительных заводов и т.д.
Расширение области применения индукционных тигельных печей обусловливается рядом их преимуществ, к которым относятся: возможность выплавки химически чистых металлов при значительно уменьшенном угаре дорогостоящих легирующих элементов, возможность плавки металлов при более высоких температурах, в вакууме и в специальных газовых атмосферах, что очень важно для производства деталей из жаропрочных и тугоплавких металлов.
Эти печи имеют сравнительно с другими сталеплавильными печами малые габариты и поэтому не требуют больших и громоздких сооружений, фундаментов и приспособлений. Они отличаются высокой производительностью, лучшими условиями труда и возможностью максимальной автоматизации процесса. Области применения и характер промышленного использования индукционных тигельных печей: автомобильная, авиационная и приборостроительная промышленность.
В индукционных тигельных печах выплавляют стали и сплавы без углеродистые или с очень низким содержанием углерода, быстрорежущие и легированные инструментальные стали, которые содержат до 18% W, нержавеющие кислотоупорные, шарикоподшипниковые, жаропрочные сплавы, сплавы высокого электрического сопротивления и особых магнитных свойств, хромоникелевые и хромоникележелезистые сплавы для нагревательных элементов, а также тугоплавкие металлы. Плавка указанных металлов связана с необходимостью многократного и тщательного перемешивания ванны, полного растворения легирующих добавок, например ферровольфрама. Известно , что вольфрам является одним из наиболее тугоплавких м металлов ( температура плавления чистого вольфрама равна 3370⁰С). Сплавы вольфрама с железом обладают высокими температурами плавления.

Принципиальные особенности работы индукционных тигельных печей и футеровки.

Для индукционной тигельной печи характерен способ подвода электроэнергии к садке металла, предназначенного для расплавления, в основу которого положен трансформаторный принцип передачи энергии индукцией от одной катушки к другой. Эта печь является разновидностью воздушного трансформатора.
Промышленный переменный ток подводится к индуктору(первичной катушки), внутри которого находится огнеупорный тигель, загруженный металлической шихтой (вторая катушка). Вокруг витков индуктора создается переменный магнитный поток. Магнитный поток в свою очередь наводит в металлической шихте индуктированную электродвижущую силу. Таким образом электромагнитная связь между первичной и вторичной катушками осуществляется магнитным потоком, проходящим через воздушное пространство и стенки огнеупорного тигля и к металлической садке.Это явление показано на рисунке.

Электрическое взаимодействие между индуктором и металлической садкой тем эффективнее, чем меньше расстояние между ними. Поэтому стенки огнеупорного тигля рекомендуется делать не толще, чем это требуется по условиям металлургического процесса. Однако чрезмерное уменьшение толщины стенок футеровки ведет к быстрому ее износу и разрушению. При выборе толщины футеровки принимается компромиссное решение, обеспечивающее надежную ее работу и учитывающее особо тяжелые условия ее работы.
Чтобы понять условия службы футеровки, необходимо знать процессы, происходящие при индукционном плавлении металла, которые в основном заключаются в следующем. В огнеупорный тигель загружается твердая металлическая шихта различных габаритов, в которой индуктируются токи большой силы и низкого напряжения. Металл, находящийся в переменном магнитном поле нагревается до очень высоких температур, причем нагрев тем выше, чем больше частота тока.
Для получения соответствующей э.д.с. индукции необходимо при естественном уменьшении величины полезного магнитного потока соответственно увеличивать частоту тока.Это осуществляется специальным генератором, вырабатывающим ток требуемой частоты.
Для определения минимальной частоты тока, подводимого к индуктору тигельной сталеплавильной печи, используют следующую приближенную формулу:

Где fмин- минимальная частота тока,гц;
Р – удельное сопротивление расплавлению металла, ом*м;
µ- магнитная проницаемость горячего металла;
d – внутренний диаметр тигля, в см.
Из приведенной формулы видно, что с увеличением диаметра тигля минимальная частота подводимого к индуктору тока уменьшается. Поэтому печи малых емкостей работают на токе более высокой частоты , а печи больших емкостей — на токе пониженных частот.
Ток высокой частоты, проходя через индуктор печи, обеспечивает наведение в металлической садке достаточной величины э.д.с. индукции. В индукционных тигельных печах э.д.с. индукции, отнесенную к одному витку индуктора определяют по формуле:

При пропускании переменного тока по индуктору переменное электромагнитное поле, создаваемое индуктором, наводит вихревые токи в кусках металла, загруженных в тигель. Под влиянием этих токов металл нагревается, а затем расплавляется.
Наведенные токи достигают значительной величины на внешней поверхности металлической садки в сравнительно тонком поверхностном слое, где и происходит основное развитие тепла. Глубина проникновения магнитного потока определяется по формуле:

Где ε –глубина проникновения, см;
Р – удельное сопротивление садки,ом*м;
µ- магнитная проницаемость садки, гн/м;
f – частота тока,гц.
Количественные значения глубины проникновения магнитного потока для различных металлов см. в таблице


Таким образом, в индукционной тигельной печи, заполненной металлической садкой, осуществляется преобразование подводимой электроэнергии в электромагнитную из электромагнитной в электрическую, из электрической в тепловую.
Тепло, как было описано, генерируется непосредственно на поверхности металлической садки, поэтому в теплотехническом отношении индукционная тигельная печь является весьма совершенным плавильным агрегатом с высокой скоростью плавления. При этом чем больше поверхность садки и глубина проникновения магнитного потока, тем больше накапливается тепла и быстрее расплавляется металлическая садка.
В индукционных тигельных печах имеются два концентрических проводника: внешний- индуктор и внутренний – расплав металла.Поскольку индуктор и металл в тигле представляют собой концентрически расположенные проводники, по которым текут противоположные токи, то в следствии взаимодействия этих токов возникают электродинамические силы, которые вызывают циркуляционное движение жидкого металла и искривление верхней его поверхности, приобретающей форму выпуклого мениска.таким образом, другой важной особенностью является интенсивное движение расплавленного металла,вызываемое электродинамическими силами.Под воздействием этих сил металл вытесняется по вертикальной оси ванны вверх и вниз, благодаря чему и создается непрерывная циркуляция металла. Такая циркуляция обеспечивает выравнивание химического состава и температуры расплавленного металла.Явление индуктивного перемешивания наглядно представлено на рисунке.

Индукционное перемешивание, обеспечивая однородность структуры выплавляемого металла, вместе с тем оказывает сильное коррозионное и эрозионное воздействие на огнеупорные стенки тигля, подвергая их сильному износу. Увеличенный износ стенок тигля объясняется тем, что шлак, располагающийся на поверхности расплавленного металла, стекает к стенкам тигля, открывая центральную часть поверхности металла. Поэтому в индукционных тигельных печах количество шлака увеличивают из такого расчета, чтобы он покрывал все зеркало ванны,что, однако повышает расход тепла в печи и вызывает ускоренный износ стенок футеровки, поскольку шлак взаимодействует на большой поверхности. При этом следует иметь ввиду, что особенностью индукционных тигельных печей является также и то, что отношение размеров глубины плавильного пространства к поверхности зеркала металла значительно больше, чем в других плавильных печах. Так, мартеновская печь емкостью 150 т имеет ориентировочно глубину ванны 75 см, электродуговая печь емкостью 4 т – 35 см, а индукционная тигельная печь такой же емкости ( 4т) имеет глубину ванны около 100 см, т.е. в три раза большую чем электродуговая. Эта особенность индукционных тигельных печей приводит к увеличению износа нижних слоев футеровки ввиду более высокого удельного давления столба жидкого металла по сравнению с другими печами. Но наряду с этим положительное значение этой особенности состоит в том, что угар металлов, особенно дорогостоящих легирующих добавок в два-три раза меньше по сравнению по сравнению с угаром, который имеется в других плавильных печах. Уменьшенный угар объясняется также тем, что отсутствуют графитовые электроды и вольтова дуга между ними и металлом. Благодаря этому предотвращается науглероживание металла и удобно переплавлять низкоуглеродистые стали с высоким содержанием дорогих легирующих элементов. Печи, в которых нагреваемый металл не соприкасается ни топливом, ни с факелом плавления, ни с электродами, ни с продуктами сгорания, имеют существенное значение в современной технике.
Другой особенностью работы индукционных тигельных печей и службы ее футеровки является то, что в ней можно плавить металл при очень высоких температурах, практически ограничиваемых стойкостью огнеупорного тигля. Это особенно важно при расплавлении жаропрочных сплавов и тугоплавких металлов, широко используемых в авиации и ракетостроении. В индукционных тигельных печах при надлежащем конструктивном оформлении их можно плавить металл не только в обычной окислительной атмосфере, но и в вакууме и любой другой необходимой для металлургического процесса атмосфере (восстановительной, нейтральной), а также в специально создаваемой инертной газовой атмосфере (азотной, водородной, аргоновой и др.)
Указанные особенности наряду с их положительным значением усиливают и без того тяжелые условия службы огнеупорной футеровки.

Характеристика устройства индукционной тигельной печи и футеровки.

Характеристика устройства индукционной тигельной печи и футеровки.
Индукционная тигельная печь отличается большой простотой конструкции и представляет собой многовитковый индуктор, внутри которого расположен огнеупорный тигель.
Емкость тигля определяет размеры пространства печи и массу одной плавки металла. Конструктивно печь состоит из следующих главных элементов: высокочастотного генератора, каркаса печи, индуктора, футеровки, токоподводящего устройства, водоохлаждаемой системы, опрокидывающего механизма и крышки печи.
Каркас печи изготавливают или из антимагнитных металлов, или из неметаллических материалов. Чтобы магнитное поле не рассеивалось, каркас печи удаляют от индуктора и выполняют его так, чтобы охватываемый индуктором огнеупорный тигель можно было наклонить для выпуска металла в сторону сливного носка. Отдельные части каркаса изолируют друг от друга. В нижней части каркаса устанавливают нижнюю плиту для крепления индуктора и изготовления огнеупорного днища. В верхней части каркаса имеется верхняя сводовая плита, которая служит для фиксирования и крепления индуктора и огнеупорного тигля. Верхнюю и нижнюю плиты, а также боковые стенки каркаса обычно делают из асбоцементных материалов. Боковые стенки можно изготавливать из металлических листов с таким расчетом, чтобы индуктор всегда был открыт для наблюдения и очистки его от металлической пыли и конденсирующей влаги.
Внутри каркаса имеются распорки в виде изолированных стоек, которые перемещаются назад, что позволяет индуктору свободно перемещаться при нагреве и сохранять футеровку от разрушения.
Индуктор изготавливают из полых медных трубок прямоугольного или элептического сечения, внутри которых течет холодная вода. Индуктор, помимо своего основного назначения – создавать магнитное переменное поле, является главным конструктивным элементом, образующим внешние стенки огнеупорного тигля. Поэтому он должен удовлетворять не только электротехническим требованиям, но также и требованиям механической жесткости и механической прочности при действии сил, стремящихся сдвинуть тигель, особенно при поворотах и наклонах печи. Токоподводящее устройство должно обеспечивать безопасное опрокидывание и повороты печи. Наиболее надежной токоподводящей системой является подвод тока от шин через контактные ножи и губки. Однако такая система токоподвода работает достаточно надежно только при водяном охлаждении.
Общая электрическая схема включения индукционной тигельной печи приведена на рисунке.

Эта схема является типичной для промышленных индукционных тигельных печей, работающих от машинных генераторов. Для повышения коэффициента использования машинного генератора схемой предусматривается возможность питания током двух плавильных печей. Работа этих печей может быть организована так, что к концу плавки в одной печи в другой происходит подготовка к плавке.
Водоподводящая система служит для охлаждения индуктора, медные стенки которого вследствие интенсивной передачи тепла от расплавленного металла мгновенно расплавляются , если прекращается подача воды, поэтому во время работы печи вода подается непрерывно . Чтобы предупредить конденсацию паров на витках индуктора, температура отходящей воды должна быть не менее 50 ⁰С.
Поворотный и опрокидывающий механизмы печи конструктивно предусматривают возможность быстро выливать расплавленный металл, производить осмотр и чистку огнеупорного тигля после каждой плавки.
Огнеупорная футеровка располагается внутри индуктора , в ее состав входят следующие элементы:
1) Тигель, образующий плавильное пространство и определяющий емкость печи. Он является главнейшей частью футеровки высокочастотной плавильной печи. Тигель накрывают крышкой, футерованной шамотным огнеупором;
2) Нижняя плита, служащая для образования набивной подины тигля;
3) Верхняя сводовая плита, определяющая высоту тигля. Она соединяется с тиглем через керамический воротник;
4) Воротник, соединяющий тигель с верхней плитой и ленточной керамикой;
5) Ленточная керамика (носок) , которая служит для направления струи жидкого металла при сливе его из тигля;
6) Сигнализатор, контролирующий состояние футеровки печи. Принцип его работы заключается в следующем.При значительном износе стенок тигля сопротивление падает ниже установленного опытным путем в процессе наладки печи. В схему вводится сетка-электрод, и реле прибора в этом случае срабатывает и подает звуковой и световой сигналы, когда металл соприкасается с сеткой-электродом. В качестве сигнального реле используется стандартное реле типа ЭН-526, позволяющее без аварийно закончить плавку после получения сигнала об опасном состоянии стенок тигля. Опасность ликвидируется автоматическим отключением воды, предназначенной для охлаждения тигля. Сигнализатор позволяет увеличить длительность службы печи, способствуя этим повышению производительности печи. Следует иметь ввиду, что сигнализатор- это не предохранитель в прямом смысле слова, поскольку он не исключает необходимости визуального контроля за состоянием футеровки в процессе работы и после каждой плавки.
7) Схематический разрез футеровки индукционной тигельной печи представлен на рисунке.