Переплавные процессы

Конструкция индукционных тигельных печей

Индукционная тигельная печь (рисунок 1) 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.).

Схематическое изображение индукционной сталеплавильной печи
Рисунок 1 — Схематическое изображение индукционной сталеплавильной печи а — конструктивное оформление, 1 — индуктор, 2 — крепление витков индуктора, 3 — каркас, 4 — тепловая изоляция, 5 — подовая плита, 6 — тигель, 7 — цапфы механизма наклона, 8 — крышка, б — футеровка тигля 1 — подовая плита, 2 — тигель, 3 — воротник, 4 — сливной желоб, 5 — огнеупорная обмазка

Индуктор

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 20А/мм2, а сечение отверстия трубки обеспечивало проход количества воды, необходимого для отвода тепла.

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 неравно­стенные (рисунок 2, а, б) или профилированные (рисунок 2, в, г) 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.

Трубки для изготовления индуктора
Рисунок 2 — Трубки для изготовления индуктора

Иногда расчетное число витков оказывается настолько незна­чительным, что не позволяет плотно заполнить всю высоту индук­тора. В этом случае индуктор целесообразно изготовлять двухсекционным с удвоенным числом витков и параллельным соединением секций. Секции наматывают в противоположные стороны, так как ько в этом случае магнитные потоки секций складываются, а в месте стыка секций напряжение крайних витков секций оказывается одинаковым и не требует усиленной изоляции (рисунок 3). При одинаковом направлении витков в месте стыка напряжение между витками было бы равно напряжению источника.

Включение секций двухсекционного индуктора
Рисунок 3 — Включение секций двухсекционного индуктора

На генераторной (подсоединяемой к источнику питания) секции делается несколько промежуточных отводов. Подключая разное число витков секции к источнику питания, можно, как в автотрансформаторе, повышать напряжение на индукторе выше номиналь­ного напряжения источника питания и тем самым регулировать потребляемую печью мощность. Подключением nг витков из имеющихся в секции nн витков можно на индукторе получить напряжение Uн:

формула

Витки индуктора изолируют друг от друга стеклотканью с кремнийорганическим лаком. Изолированные витки сжимаются плитами из изоляционного материала, стягиваемыми при помощи брусьев.

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 (см. рис. 1,б).

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 материалы и 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 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—20ч, 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

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 металл 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, по­ скольку 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

Механизм наклона должен обеспечи­вать наклон печи 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

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.