yandex.metrica
Электрометаллургия

Индукционные печи без железного сердечника

Принцип работы

В индукционной печи без железного сердечника тигель с металлом размещается в индукционной катушке, к которой подводится переменный электрический ток. Магнитные силовые линии при такой конструкции замыкаются частично через воздух, представляющий большое электрическое сопротивление для прохождения силовых линий. Индуцируемая этим потоком э. д. с. в металле определяется по формуле

Е = 4,44Φmax fn10-8                                                 (162)

где n — число витков катушки индуктора; f — частота тока; Φmax — максимальное значение магнитного потока.

Повысить наводимую э. д. с. можно, увеличивая либо число витков индуктора, а также применяя ток большой частоты, либо силу тока. Возможности увеличения числа витков, а следовательно, и относительной высоты тигля с металлом ограничены. Поэтому основным направлением повышения э. д. с. индукции является увеличение частоты тока. При этом для каждой емкости печи и сопротивления шихты имеется оптимальная частота тока, обеспечивающая максимальный к. п. д. печи.

Минимальное значение частоты тока может быть определено по формуле

f = 25 • 108 (ρ/μd2),                                                    (163)

где ρ — удельное электросопротивление жидкого металла, Ом/см; d— внутренний диаметр тигля, см; μ — магнитная проницаемость.

Для холодного железа ρ = 10-5 Ом•см и μ = 100; при температуре 750° С (в момент потери магнитных свойств) ρ = 1,1 • 10-4 Ом•см и μ=1,0. Как видно из уравнения (163), для крупных печей с большим внутренним диаметром тигля требуется меньшая частота тока, чем для малых.

Наводимый в шихте ток имеет максимальное значение вблизи ее поверхности (так называемый поверхностный эффект), поэтому тепло преимущественно выделяется только в поверхностном слое шихты, и плавление шихты начинается также с поверхности.

С увеличением частоты тока и магнитной проницаемости металла глубина проникновения магнитного потока уменьшается, т. е. возрастает поверхностный эффект. Вместе с тем с увеличением удельного сопротивления металла глубина проникновения тока увеличивается. Глубина проникновения в твердую сталь при частоте тока 10 000 Гц составляет 0,015 см, а в жидкую сталь при той же частоте тока 0,47 см. В связи с небольшой глубиной проникновения тока в твердый металл для ускорения плавления целесообразно шихту загружать в мелких кусках.

Из электротехники известно, что при наличии в цепи индукционной катушки (индуктивного сопротивления) наблюдается сдвиг фаз между напряжением и током. Поэтому фактически расходуемая в цепи мощность при переменном токе всегда меньше произведения напряжения U на силу тока I и равна

P = kIU,      (164)

где k — коэффициент, называемый коэффициентом мощности ≤ 1.

Для синусоидальных токов, т. е. токов, характер изменения которых протекает по синусоидальному закону и которые получили наибольшее распространение в промышленности, коэффициент мощности равен k = cosφ, где φ — угол сдвига фаз между током в цепи и напряжением. Вместе с тем угол φ определяется как соотношение между активным (R) и полным сопротивлением цепи (Z), т. е.

cosφ = R/Z              (165)

а

формула

где R — активное сопротивление цепи; X— емкостное сопротивление, равное 1/2πfL; С — емкость цепи; XL— индуктивное сопротивление, равное 2πfL; L— индуктивность; f— частота тока.

Коэффициент мощности достигает максимального значения при последовательном электрическом резонансе, т. е. при равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений.

Для того чтобы достичь резонанса на индукционной печи, в электрическую цепь включают батарею конденсаторов, емкость которых должна быть тем больше, чем меньше частота тока. Однако стоимость одной микрофарады при высокой частоте тока будет больше, чем при низкой, так как с увеличением частоты возрастают реактивные — токи, приводящие к интенсивному нагреву конденсаторов, а следовательно, и к увеличению потерь , в них.

В индукционной печи без железного сердечника индуктор и расплавленный металл представляют собой два концентрически расположенных проводника. Ток по этим проводникам течет в разных направлениях, проводники при этом отталкиваются, что приводит к подъему уровня металла в средней части тигля (так называемый спин-эффект), при этом шлак стекает к стенкам тигля. Чтобы металл был покрыт шлаком, необходимо увеличивать его количество, что в свою очередь отрицательно влияет на стойкость футеровки тигля.

Устройство индукционной печи

Электрическая схема индукционной печи без железного сердечника представлена на рис. 103. Переменный ток высокой частоты подводится через выключатель к индуктору от генератора. В цепь включены две группы конденсаторов. Одна из них подключена постоянно, другая подключается периодически, что позволяет подключать емкость, необходимую для создания резонанса в любой момент плавки. Обычно от одного генератора попеременно питаются две печи (индуктора).

Электрическая схема индукционной печи без железного сердечникаВ качестве источника тока высокой частоты на промышленных установках используют машинные генераторы, обеспечивающие частоту тока от 500 до 10 000 пер/с. Мощность их колеблется от десятков до тысяч киловатт при к. п. д., равном 0,56—0,9. В последнее время все шире находят применение полупроводниковые тиристорные преобразователи частоты тока, обеспечивающие частоту тока 500—3000 пер/с и имеющие по сравнению с машинными генераторами более высокий к. п. д. (на 7-15%).

Для лабораторных индукционных печей емкостью несколько килограмм вследствие малой э. д. с., индуцируемой в шихте, требуется очень высокая частота (несколько сотен тысяч герц). В этом случае в качестве генератора высокой частоты применяют электронные генераторы с трехэлектродными лампами. Подобные генераторы позволяют менять частоту тока в широких пределах (до нескольких сот тысяч периодов в секунду), что особенно удобно при выплавке металла с разной магнитной проницаемостью. К- п. д. высокочастотных генераторов не превышает 0,75—0,8.

На крупных промышленных печах емкостью в несколько сот килограмм частота тока составляет 100—150 Гц. Подобная частота может быть получена удвоением или утроением нормальной частоты при помощи умножителей тока — трансформаторов с разным числом витков, соединенных по специальной схеме. Мощность умножителей частоты достигает 1 МВт при к. п. д., равном 0,85—0,92. На крупных печах емкостью несколько тонн может быть применен ток нормальной частоты (50 Гц).

В индукционных печах применяют электрические конденсаторы, которые собирают в секции и оборудуют масляным охлаждением. Индуктор выполняют из медной трубки, охлаждаемой водой (рис. 104). В крупных печах вода в индуктор поступает благодаря создаваемому в трубах разрежению, что делается для большей безопасности в случае прорыва металла через стенку тигля и расплавления индуктора.

Индуктор и тигель индукционной печи без железного сердечника

Для обеспечения равномерного охлаждения индуктор делится на две-четыре секции с самостоятельным подводом воды. Температура воды на выходе должна быть 30—40° С. При более низкой температуре на индукторе конденсируется влага, что вызывает замыкание, а при более высокой температуре на поверхности индуктора вследствие перегрева воды может образоваться накипь.

Витки индуктора изолируют один от другого чаще всего лентой из стекловолокна, к ним приварены болты, крепящие индуктор к стойкам каркаса, выполненным из дерева, текстолита или асбоцемента. Внутри индуктора размещен тигель. Сверху индуктор ограничен верхней плитой, снизу — подовой плитой. Для предохранения верхней плиты от повреждения металлом и удобства выпуска в верхней части тигля делается воротник со сливным носком.

Увеличением числа витков индуктора возрастает и количество тепла, выделяемого в садке. При одной и той же высоте индуктора большее число витков можно расположить, если трубкам в поперечном сечении придать форму эллипса или прямоугольника. Число витков, в индукторе обычно составляет 10—60.

Для изготовления каркаса печи необходимо применять немагнитный материал, так как в противном случае магнитным потоком рассеивания наводятся вихревые токи вызывающие сильный нагрев каркаса. Поэтому для больших печей делаются каркасы из немагнитной стали, а каркасы печей небольшой емкости выполняют из деревянных брусков, скрепленные латунными уголками.

К каркасу печи крепят стойку с индуктором, нижнюю и верхнюю керамические плиты. Нижняя (подовая) плита выполнена из одного или нескольких шамотных блоков, имеющих отверстия для латунных болтов и скоб, скрепляющих блоки с уголками каркаса или деревянной рамой основания. На подовой плите устанавливают индуктор и крепят стойки. В верхней плите имеется отверстие под индуктор. Для слива металла из тигля печь снабжена механизмом наклона.