Индукционные плавильные печи

Плавка черных металлов в индукционных печах имеет ряд преимуществ перед плавкой в дуговых печах, поскольку ис­ключается такой источник загрязнения, как электроды. В индукционных печах тепло выделяется внутри металла, а расплав интенсивно перемешивается за счет возникающих в нем электродинамических усилий. Поэтому во всей мас­се расплава поддерживается требуемая температура при наименьшем угаре по сравнению со всеми другими типами электрических плавильных печей. Индукционные плавильные печи легче выполнить в вакуумном варианте, чем дуго­вые.

Однако важнейшее достоинство индукцио-нных печей, обусловленное генерацией тепла внутри расплавленного металла, становится недостатком при использовании их для рафинирующей плавки. Шлаки, имеющие очень малую электропроводность, на­греваются в индукцион­ных печах от металла и получаются со сравни­тельно низкой температу­рой, что затрудняет про­ведение процессов рафи­нирования металла. Это обусловливает использо­вание индукционных пла­вильных печей преимуществе-нно в литейных це­хах. Кроме того, высокая стоимость высокочастот­ных питающих преобра­зователей сдерживает применение высокочастот­ных плавильных печей.

Конструкция и схема питания индукционной печи существенно зависят от наличия или отсутст­вия железного сердечни­ка. Поэтому индукцион­ные печи рассматривают­ся далее в соответствии с этим признаком.

Печи без железного сердечника

В индукционной плавильной печи без железного сер­дечника (рис. 153) главной частью является индуктор, вы­полняемый обычно из медной трубки и охлаждаемый про­текающей по ней водой. Витки, индуктора располагают в один ряд. Медная трубка может быть круглого, овального или прямоугольного сечения. Зазор между витками состав­ляет 2 – 4 мм. Число витков индуктора зависит от напря­жения, частоты тока и емкости печи. Витки закрепляют на изоляционных стойках, с помощью которых индуктор уста­навливают в каркасе печи. Каркас печи должен обеспечи­вать достаточную жесткость конструкции; чтобы не нагревались его металлические части, они не должны образовы­вать электрически замкнутого контура вокруг индуктора.

Для выпуска металла из печи предусматривается воз­можность наклона печи, что осуществляется с помощью тельфера на малых печах или при помощи гидравлических цилиндров на крупных.

Футеровка (тигель) индукционной печи работает в очень тяжелых условиях, так как интенсивное движение металла и большие скорости изменения температуры вызывают ее размывание и разрушение, поэтому чем толще стенки тиг­ля, тем больше срок его службы. Стенки тигля должны быть возможно более тонкими, чтобы обеспечить хорошую электромагнитную связь между индуктором и металлом.

Тигель изготовляют обычно набивным с применением металлического шаблона. После набивки тигель подверга­ют обжигу и спеканию непосредственно в печи, шаблон при этом расплавляется. Возможно изготовление футеров­ки вне печи формовкой под давлением в специальных раз­борных прессформах с последующей установкой тигля на место. Иногда на крупных печах футеровку тигля выкла­дывают из готовых фасонных огнеупоров. В крупных печах тигель опирается на подовую подстилку, выложенную из огнеупорных кирпичей на толстом стальном листе, образу­ющем днище каркаса вместе с необходимыми поперечными балками.

Футеровку выполняют кислой или основной. Основой набивочной массы для кислой футеровки служит кварцит с высоким (не менее 95%) содержанием кремнезема. В ка­честве связующей добавки используют сульфитно-целлю­лозный экстракт и борную кислоту (1,0 – 2,0%). Набивоч­ная масса для основной футеровки состоит из молотого обожженного или плавленого магнезита со связующей до­бавкой (патока или водный раствор стекла и огнеупорная глина) в количестве 3%. Стойкость кислой футеровки со­ставляет 100 – 150 плавок для стали и 200 – 250 для чугуна, а основной футеровки 30 – 80 плавок для стали и 150 пла­вок для чугуна.

Поскольку чрезмерный износ футеровки может приве­сти к «проеданию» стенок или днища тигля расплавлен­ным металлом, что является очень серьезной аварией, то на индукционных печах обязательно предусматривается ус­тановка датчиков (для замера активного сопротивления футеровки), сигнализирующих о появлении в ней опасных трещин в начале просачивания жидкого металла.

На средних и крупных индукционных плавильных печах тигель закрывается крышкой (сводом), выполняемой обыч­но набивной из того же огнеупорного материала, что и ти­гель. Для подъема и отвода крышки в сторону применяют простые рычажные механизмы или гидравлические ци­линдры.

ВНИИЭТО разработаны индукционные печи без сердеч­ника серии ИСТ для плавки стали, работающие на токе по­вышенной частоты. Емкость печей, работающих на токе ча­стотой 2400 Гц (обеспечиваемой машинными генераторами), составляет 60, 160, 250 и 400 кг при потребляемой мощности соответственно 50, 100, 250 и 237 кВт. Печь емко­стью 1 т, питаемая током частотой 1000 Гц, потребляет мощность 470 кВт. Крупные печи емкостью 2,5; 6 и 10 т потребляют мощность соответственно 1500, 1977 и 2730 кВт и питаются током частотой 500 Гц либо от машинных ге­нераторов, либо от полупроводниковых (тиристорных) пре­образователей. Продолжительность плавки в печах серии ИСТ колеблется от 50 мин (печь емкостью 60 кг) до 2 ч (печь емкостью 10 т).

Таким образом, диапазон производительностей всей этой серии печей весьма широк: от 70 кг/ч до 5 т/ч. Удель­ный расход электроэнергии на расплавление твердой завал­ки составляет в среднем 3600 кДж/кг (1,00 кВт×ч/кг) для малых печей и снижается до 2300 кДж/кг (0,64 кВт×ч/кг) для крупных печей.

Для плавки чугуна специально разработаны крупные индукционные печи без сердечника серии ИЧТ, работаю­щие на токе промышленной частоты (50 Гц). Печь ИЧТ – 2,5 имеет емкость 2,5 т при потребляемой мощности 718 кВт и производительности 11 т/ч; печь ИЧТ – 6 имеет емкость 6 т при потребляемой мощности 1238 кВт и производитель­ности 2,1 т/ч. Удельный расход электроэнергии составляет в обеих печах 2160 кДж/кг (0,6 кВт×ч/кг).

В схемы питания всех этих печей включены конденса­торные батареи с целью повышения cos j. Отсутствие доро­гостоящих преобразователей значительно снижает стои­мость печей, работающих на токе промышленной частоты.

Потери тепла за плавку составляют на индукционных печах такого типа примерно 20 – 25%, а потери в токопроводах, конденсаторных батареях и преобразователях часто­ты достигают 30%. Поэтому общий к.п.д. индукционных плавильных установок (особенно печей небольшой емко­сти), работающих на токе высокой частоты, невысок и со­ставляет примерно 0,4, возрастая с увеличением емкости печей до 0,6. Показатели работы крупных индукционных печей, работающих на токе промышленной частоты, выше и их общий к.п.д. достигает 0,8.

Улучшение показателей работы индукционных плавиль­ных установок достигается правильной подготовкой шихты и ее рациональной загрузкой, снижением потерь тепла из печи и уменьшением времени простоев на ремонт футеров­ки, а также максимально возможным использованием мощ­ности преобразователя частоты. Для этой цели обычно ис­пользуют один общий преобразователь для питания двух печей.

Сравнительная легкость герметизации индукционных печей обусловила их широкое применение для вакуумной плавки качественных сталей и жаропрочных сплавов. Принципиально вакуумная индукционная печь (ВИП) не отличается от открытой. Она помещается в герметичный кожух с патрубком, через который осуществляется откачка камеры. Разливку проводят также в вакууме наклоном тиг­ля внутри неподвижной камеры или наклоном всей каме­ры вместе с тиглем и изложницей. Изложницу в этом слу­чае подвешивают внутри вакуумной камеры на цапфах и она сохраняет при повороте вертикальное положение. В ко­жухе ВИП индуктором неизбежно наводятся токи, повы­шающие электрические потери печи, поэтому для его изго­товления следует использовать немагнитную сталь.

Сложной задачей при индукционной плавке в вакууме является также надежная изоляция витков индуктора, так как в вакууме возрастает опасность межвитковых пробо­ев. Футеровку ВИП выполняют теми же способами, что и футеровку открытых печей, но, учитывая особенности вы­плавляемых сплавов, для этой цели используют чистые ма­териалы (корунд, плавленый магнезит, диоксид циркония).

Разработана серия индукционных сталеплавильных ва­куумных печей (ИСВ) емкостью 0,16; 0,6; 1,0 и 2,5 и мощ­ностью соответственно 200, 500, 1000 и 1500 кВт. Печи ра­ботают на токе повышенной частоты 1000 Гц (за исключе­нием печи ИСВ – 0,16, работающей на токе с частотой 2400 Гц). Удельный расход электроэнергии составляет за цикл в среднем 9600 кДж/кг (2,5 кВт×ч/кг), т.е. весьма высок за счет большого расхода электроэнергии вакуумной системой.

На рис. 154 показана серийная печь типа ИСВ-1,0-НИ, предназначенная для плавки высокачественных сталей и жаропрочных сплавов с отливкой слитка в вакууме. Рабо­чеедавление в печи 0,13 Па. Загрузка шихты проводится через шлюзовую загрузочную камеру, в которой помещает­ся загрузочная корзина с шихтой, а введение необходимых легирующих добавок осуществляется с помощью дозатора. В верхней части камеры предусмотрена установка пиро­метра для измерения температуры металла, а также гля­делок для наблюдения за операциями, проводимыми в камере. После завершения плавки печь наклоняют и разли­вают металл в изложнипы, находящиеся на тележках внут­ри вакуумной камеры. Тележки имеют привод и могут перемещаться в камере. Изложницы извлекают из камеры после затвердевания в них металла.

Печи с железным сердечником

Плавильная индукционная печь с железным сердечни­ком (рис. 155) состоит из футерованной рабочей емкости шахтного или барабанного типа, где сосредоточена основ­ная масса металла, железного сердечника (магнитопровода) с индуктором и узкого ка­нала, заполненного металлом. Если рассматривать эту печь как трансформатор с первич­ной обмоткой-индуктором, то канал играет роль одновитковой вторичной обмотки. Тепло­выделение происходит в метал­ле, находящемся в канале. Расплавленный металл вслед­ствие разности плотностей, а также возникающих з нем электродинамических усилий циркулирует между каналом и шахтой печи, отдавая тепло находящемуся в ней металлу. Угар металла очень мал, так как нагрев до высокой темпе­ратуры происходит в канале, изолированном от окружаю­щей среды.

Футеровка канала (подовый камень) работает в очень тяжелых условиях, поскольку интенсивное движение пере­гретого до высокой температуры металла приводит к ее раз­рушению. Футеровку подового камня выполняют обычно набивной по металлическому шаблону с последующим об­жигом и спеканием непосредственно в печи; металличес­кий шаблон при этом расплавляется. Для набивки исполь­зуют массу на кварцитовой, магнезитовой и корундовой основах с применением в качестве связующих добавок ог­неупорной глины, молотого стекла, борной кислоты и бу­ры. Стойкость футеровки подового камня при плавке цвет­ных металлов и сплавов составляет несколько тысяч пла­вок. При плавке чугуна, имеющего температуру разливки 1400 – 1450°С, стойкость футеровки подового камня обыч­но не превышает 500 плавок.

Индуктор имеет обычно принудительное воздушное охлаждение, осуществляемое при помощи вентилятора; иног­да витки индуктора изготовляют из трубки и охлаждают водой.

Питание плавильных печей с железным наконечником проводится током промышленной частоты с напряжением 220 – 1000 В через автотрансформаторы, позволяющие ре­гулировать подводимую к печи мощность. Для повышения cos j в схему питания включают конденсаторы.

В индукционных печах с железным сердечником необ­ходимо при сливе расплавленного металла часть его (20 – 30% массы расплава) оставлять в печи с тем, чтобы ка­нал был заполнен жидким металлом, т.е. чтобы была замкнута вторичная обмотка. Этот остаток называют «боло­то» и загрузку твердой шихты ведут порциями на поверх­ность расплава; постепенно весь металл, загруженный в ра­бочую емкость, расплавляется. Иначе нагреть шихту до плавления невозможно. Это обстоятельство очень затруд­няет переход с плавки одного сплава на другой. Индукци­онные плавильные печи с сердечником имеют на 20 – 30% более высокий к.п.д., чем индукционные тигельные, они значительно дешевле и занимают меньшую площадь. Одна­ко низкая стойкость футеровки канала при высоких тем­пературах также ограничивает область применения подоб­ных печей, используемых в основном для плавки цветных металлов сплавов и чугуна и в качестве миксеров для чу­гуна, выплавленного в вагранках.

Разработан ряд серийных индукционных печей — мик­серов с железным сердечником и каналом типа ИЧКМ, предназначенных для выдержки литейных чугунов, с емко­стью 2,5 – 100 т, мощностью 400 – 2000 кВт, расчетной производительностью 6 – 50 т/ч.

Удельный расход электроэнергии невелик и составляет в среднем при выдержке чугуна в таких индукционных миксерах 240 – 140 кДж/кг.