Переплавные процессы

Индукционная печь

В основе индукционного нагрева лежит принцип работы транс­форматора: под действием переменного магнитного поля, создавае­мого индуктором (первичной обмоткой), в нагреваемом металле, являющемся вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой, инду­цируется электродвижущая сила (э.д.с.). Под действием наводимой в металле э.д.с. Е2 в металле циркулирует ток I2:

формула

За счет джоулева тепла, выделяющегося в металле при прохо­ждении тока I2, металл разогревается и плавится.

Из теории трансформатора известно, что наводимая во вторич­ной обмотке э.д.с. пропорциональна магнитному потоку (Ф), пересекающему плоскость витков обмотки, частоте изменений маг­нитного потока (f) и числу витков вторичной обмотки (n2), т. е.

формула

Величина коэффициента пропорциональности а определяется характером изменения магнитного потока во времени. При питании первичной обмотки синусоидальным током а=4,44.

Расплавленный металл, а также плотно уложенная шихта как вторичная обмотка индукционной печи представляют собой единый контур, поэтому для печей n2=1 и

формула

Таким образом, увеличить наводимую в металле э.д.с. можно, увеличивая либо магнитный поток, либо частоту питающего тока.

Первые индукционные печи появились в то время, когда еще не было экономичных генераторов тока высокой частоты. Поэтому получение необходимой в металле мощности достигалось в результате обеспечения большого магнитного потока.

Создаваемый индуктором магнитный поток не весь проходит через сечение металла. Часть магнитных силовых линий замыкается вокруг витков индуктора, образуя поток рассеивания. Уменьшить долю этого потока и увеличить полезный магнитный поток можно, если по аналоги с трансформатором внутрь индуктора вставить магнитопровод.

Первые индукционные печи работали на промышленной частоте и были действительно очень похожи на трансформатор, отличаясь тем, что и первичная (индуктор), и вторичная (кольцо расплавлен­ного металла) обмотки были расположены вокруг одного ярма сер­дечника (рисунок 1).

Схематические изображения индукционной канальной печи (а) и трансформатора (б)
Рисунок 1 — Схематические изображения индукционной канальной печи (а)  и трансформатора (б)

Усовершенствование конструкции печей с сердечником привело в дальнейшем к появлению печей с вертикальным закрытым каналом (рисунок 2). Отделение плавильного пространства от канала сделало эти печи более удобными в технологическом отношении и позволило питать их трехфазным током промышленной частоты. Эти печи могут потреблять более высокую удельную мощность и характеризуются высоким электрическим к.п.д.

Трехфазная индукционная печь с закрытым кана­лом для плавки меди
Рисунок 2 — Трехфазная индукционная печь с закрытым кана­лом для плавки меди 1 — шахта печи, 2 — подовый камень с вертикальным кана­лом, 3 — сердечник однофазного индуктора

Наличие над каналами, в которых нагревается металл, большого объема относительно холодного металла обеспечивает низкий угар элементов, так как пары, образующиеся в каналах, конденсируются в зонах плавильного объема с более низкой температурой. Интен­сивная циркуляция металла, вызываемая электромагнитными и тепловыми силами, ускоряет процесс плавки и обеспечивает полу­чение металла однородного состава.

Эти качества индукционной печи со стальным сердечником и закрытым каналом делают ее непревзойденным электрическим пла­вильным агрегатом. Однако широкое распространение этих печей ограничивается низкой стойкостью футеровки канала, работающей в очень тяжелых условиях. Печи этого типа не нашли применения для плавления черных металлов, требующих нагрева до высоких температур, но широко распространены в цветной металлургии, где не требуется нагревать расплав до таких высоких температур и важно обеспечить низкий угар дорогих цветных металлов. Их применяют для плавки меди, алюминия, никеля, магния, цинка и сплавов. В Италии, Швеции, США и некоторых других странах такие печи используют также для получения высококачественного чугуна в литейных цехах.

В индукционных печах без сердечника переплавляемый металл загружается в тигель, установленный внутрь индуктора (рисунок 3).

Тигельная индукционная печь
Рисунок 3 — Тигельная индукционная печь а — схема печи, б — распределение токов в металлической садке тигельной печи в начальный момент τ0 и спустя время τ1 после включения печи, 1 — индуктор, 2 — тигель с металлом, 3 — магнитный поток рассеивания

Разместить замкнутый сердечник в этом случае невозможно, в связи с чем значительная часть магнитных силовых линий замыкается по воздуху, величина полезного магнитного потока мала, и для полу­чения в металле необходимой э.д.с. необходимо увеличивать ча­стоту питающего тока.

Применение печей такого типа на первых порах сдерживалось отсутствием экономичных генераторов высокой частоты. Толчком к внедрению в широком масштабе индукционных тигельных печей послужило стремительное развитие радиотехники, в результате чего были созданы различные генераторы высокой и повышенной частоты.

Преимущества тигельных печей по сравнению с канальными связаны главным образом с отсутствием канала. Это значительно  упрощает конструкцию печи, позволяет полностью сливать жидкий металл (в канальных печах часть жидкого металла необходимо оставлять для замыкания кольца в начале плавки), облегчает осмотр и ремонт поврежденных участков футеровки. Условия службы футеровки тигля значительно легче, чем футеровки канала.

Это дает возможность выплавлять в тигельных печах более туго­плавкие металлы и от плавки к плавке менять состав металла, что особенно важно при производстве стали. Тем самым устраняются ограничения, делающие нецелесообразной плавку стали в индукционных канальных печах.

Но сравнительно большое расстояние между индуктором и ме­таллом в тигле вызывает появление значительной индуктивной мощности, снижающей общий cosφ. Для компенсации индуктивной мощности индукционные тигельные печи снабжают конденсаторными батареями. Наличие преобразователя частоты и конденсаторов существенно удорожает установку и ограничивает область применения таких печей. В них целесообразно плавить лишь металлы и сплавы, которые невозможно или не экономично плавить в других агрегатах.

Тигельные печи получили распространение в металлургии спе­циальных сталей и сплавов. Их использование для этих целей свя­зано с преимуществами индукционного нагрева, когда тепло выделяется в самом нагреваемом металле. Отсутствие концентрирован­ного внешнего источника тепла позволяет получать стали и сплавы высокой степени чистоты, например по углероду и газам, обеспе­чивает высокое и стабильное усвоение легирующих добавок, что особенно важно при производстве сталей и сплавов с дорогими и редкими добавками. Электродинамическое движение металла гарантирует получение однородного сплава с точно заданным химическим составом.

Кроме того, индукционные тигельные печи при небольших габаритах отличаются высокой производительностью, обеспечивают сравнительно легкие и гигиеничные условия труда, процесс плавле­ния в них легко поддается регулированию в широких пределах.

Основным технологическим недостатком индукционных печей всех типов является малая активность шлака, что затрудняет про­текание физико-химических процессов между металлом и шлаком. Это обусловлено тем, что шлаки, отличающиеся высоким омическим сопротивлением, в основном нагреваются металлом путем тепло­проводности. Поэтому шлаки холоднее металла, им свойственна высокая вязкость и вследствие этого они малоактивны.

Номинальная емкость индукционных тигельных печей, предназ­наченных для выплавки стали на отечественных заводах, характе­ризуется следующим рядом: 0,06; 0,16; 0,25; 0,40; 0,60; 1,0; 1,6;2,5; 4; 10; 16; 25; 40 и 60 т.