Индукционные печи

Индукционный нагрев широко применяется в технике для выплавки стали и сплавов, а также для целей термообработки, сквозного нагрева заготовок перед пластической деформацией и др.

Индукционные печи имеют целый ряд преимуществ по сравнению с дуговыми печами [1,2]. К недостаткам следует отнести:

Недостатки:

1. Холодные шлаки.

2. Низкая стойкость футеровки основных тиглей.

3. Дорогостоящее оборудование.

Имеется два типа индукционных печей (рис. 12.8):

1. Печи с железным сердечником. Первая печь для плавки стали построена Челлиным в 1901 г.

1.1. Печи с железным сердечником бывают двух видов: с открытым и закрытым каналом.

2. Печи без железного сердечника (БЖС). Внедрена в производство Нортруном 1916 г.

2.1. Печи БЖС (без железного сердечника). Принцип действия тот же, что и в печах с железным сердечником. Они являются более совершенным плавильным агрегатом, широко применяются для выплавки стали сплавов в вакууме или любой заданной атмосфере (рис. 12.9, 12.10).

Основной недостаток - дорогое оборудование и сравнительно низкая стойкость огнеупорной футеровки тиглей (5-20 пл.).

cos j = R / Z » 0,15, (2.1‑4)

где R - активное сопротивление;

Z - полное или кажущееся.

Однако применение конденсаторов позволяет работать с cosj » 1.

(2.1‑5)

где X_C - емкостное сопротивление.

ЭДС индукции, В, равна:

E = 4,44×10^-8Фmax f n , (2.1‑6)

где n – число витков индуктора;

Фmax – амплитуда магнитного потока;

f – частота переменного тока.

При уменьшении Ф сохранить необходимую ЭДС индукции можно, увеличив частоту тока. В этом случае чаще будет изменяться Ф. Наведенная в садке ЭДС вызовет образование вихревых (круговых) токов в плоскости обмотки, т.е. перпендикулярно к оси магнитного потока. Тут действует «поверхностный эффект» – плотность, наведенных в садке токов – будет наибольшая на поверхности. Поэтому быстрее плавиться будут поверхностные слои за счет большего тепла.

Толщина поверхностного слоя металла садки (Δ_Э, см), где плотность наведенного тока достигает большой величины на глубине проникновения, вычисляется по формуле:

(2.1‑7)

где r - удельное сопротивление шихты, ом × см;

m - магнитная проницаемость;

f - частота, Гц.

Минимальное значение частоты для данного металла в точке Кюри определяется по формуле

(2.1‑8)

где d - средний диаметр тигля, см.

Для крупных печей требуется меньшая частота, чем для малых.

По частоте тока печи БЖС делятся на 3 типа:

1. Высокочастотные, работающие от генераторов с искровым разрядником (100-200 кГц) или от ламповых генераторов (200-1000 кГц).

2. Средней частоты (500-10000Гц), питаемые от вращающихся преобразо-вателей (генератора индукторного типа).

3. Промышленной частоты (50-60 Гц), питаемые непосредственно от сети.

Энергия превращенная в тепло в садке, равняется, кВт:

(2.1‑9)

где J - сила тока в индукторе, А;

n - число витков индуктора;

d - средний диаметр тигля, м;

h - высота металла в тигле, м;

r - удельное электросопротивление шихты, Ом, см.

m - магнитная проницаемость;

Для нормальной работы печи необходимо сохранять вполне определенные соотношения:

(2.1‑10)

где Н – высота индуктора, м;

h – высота металла в тигле, м;

d – диаметр тигля, м.

Емкость до 500 кг 500-1500 1500-3000 >3000

d/h 1/2 – 2/3 2/3 – 3/4 3/4 – 4/5 4/5 – 1

В индукционной печах БЖС из-за отсутствия железного сердечника и значительного расстояния между первичной обмоткой и металлом (толщина футеровки, изоляции индуктора) поток рассеяния велик, полезный магнитный поток мал, реактивная мощность W_X в несколько раз больше W_R и cosj £ 0,10.

Чтобы повысить cosj, для компенсации реактивной мощности к печи подключают емкость конденсаторов. Известно, что самоиндукция, включенная в цепь переменного тока дает положительный сдвиг фаз, т.е. ток отстает от напряжения. Емкость же дает отрицательный сдвиг фаз, кривая тока будет опережать кривую напряжения. При соответствующем соотношении между самоиндукцией и емкостью установка настроена в резонанс по току, т.е. cosj @ 1.