Індукційні канальні печі

Канальні печі використовують у ливарному виробництві як міксери, роздавальних і плавильних печей.

Принцип дії канальних печей (мал.6.19) полягає в тому, що перемінний магнітний потік Ф пронизує замкнутий контур, утворений рідким металом, і збуджує в цьому контурі напруга U2 і струм I2.

Контур рідкого металу оточений з усіх боків вогнетривким матеріалом, укладеним у сталевий корпус. Простір у вогнетривкому матеріалі, що заповнюється рідким металом, має форму вигнутого каналу. Робочий простір печі з'єднаний з каналом двома отворами, тому при заповненні печі рідким металом утвориться замкнутий контур. Якщо в печі немає чи металу його недостатньо для утворення замкнутого контуру, то піч працювати не може. У цьому випадку при подачі напруги на котушку в каналі, що є вторинним витком, створюється вихрове електричне поле і відповідне напруга. Однак через те, що в каналі немає металу, його електричний опір великий і струм у ньому не протікає. При замкнутому вторинному контурі в котушці протікає порівняно невеликий струм, необхідний для намагнічування магнітопроводу і називаний струмом неодруженого ходу.

Напруга U2, створювана в каналі, у n раз менше напруги U1, яка підводиться до котушки (n - число витків котушки). Сила струму I2, що протікає по каналі, залежить від повного опору каналу Z, дорівнює геометричній сумі активного R і індуктивного XL опорів каналу.

При протіканні струму по каналі довкола нього, як і навколо будь-якого провідника зі струмом, створюється магнітне поле, а отже, і магнітний потік. Напрямок магнітного потоку каналу протилежно напрямку магнітного потоку магнітопроводу. Для зменшення впливу магнітного потоку, що розмагнічує, каналу канал розташовують навколо тієї частини магнітопроводу, на якій знаходиться котушка. Тому що магнітний потік каналу залежить від відстані до котушки, то відстань від каналу до котушки вибирають мінімальним.

Від магнітного потоку залежать індуктивна потужність і коефіцієнт потужності печі. Чим більше магнітний потік каналу, тим більше індуктивна потужність печі і тем нижче коефіцієнт потужності печі.

Під час роботи печі спостерігається безупинний рух рідкого металу в каналі й у місці з'єднання каналу з ванної печі. Рух металу виникає в результаті перегріву металу в каналі, а також у результаті впливу магнітного полючи. Температура металу в каналі на 50 – 150^оС вище температури металу у ванні печі, тому гарячий метал з каналу піднімається у ванну, а з її надходить більш холодний метал. Електродинамічні сили, що виникають унаслідок впливу магнітного полючи, прагнуть зжати і виштовхнути метал з каналу. Чим більше струм у каналі, тим велика електродинамічна сила впливає на метал.

При спорожнюванні печі нижче припустимого рівня рідкий метал викидається з каналу, і відбувається мимовільне відключення печі через розрив електричного контуру, створюваного рідким металом у каналі. Мінімальна кількість металу в печі, необхідне для нормальної роботи печі, визначають виходячи з того, щоб маса стовпа рідкого металу над каналом перевищувала електродинамічну силу, що виштовхує метал з каналу. Це кількість металу називається болотом.

У залежності від призначення індукційні канальні печі підрозділяються на міксери, роздавальні печі і плавильні печі.

4.2.1.Міксери. Цей вид устаткування призначений для нагромадження визначеної кількості рідкого металу і витримки його при заданій температурі. У міксері відбувається усереднення хімічного складу металу різних плавок, тому місткість міксера, як правило, приймають рівної не менш дворазової годинної продуктивності плавильних печей.

На мал.6.20 показана індукційна канальна піч типу ІЧКМ, що працює, як міксер при виробництві чавуна. Місткість печі: загальна 42 т, корисна 30т і болота 12 т. Піч являє собою вертикально розташований циліндр із зовнішнім діаметром 3160 мм і висотою близько 2 м. Внутрішній діаметр печі внизу 2200 мм, угорі 2345 мм. Піч має два знімних індуктори 14 потужністю 700 кВт кожний. Верх печі закритий знімною футерованою кришкою 4. Для зливу металу з печі передбачений сифонний жолоб. На шляху металу в печі мається простір з інтенсивною циркуляцією металу, що виникає при роботі індуктора.

Для скачування шлаку з печі передбачене вікно 5, що закривається дверцятами 6. Нахил печі виробляється двома гідроциліндрами 2. Для нахилу печі використовуються стійки 11 і 13 і отвору 10,12 у корпусі печі. Для зливу металу потрібно уставити вісь в отвір 10 у корпусі печі і відповідне отвір у стійці 11. Якщо необхідно нахилити піч убік жужільного вікна, сполучна вісь (при вихідному положенні печі) з'єднує стійку 13 з корпусом печі.

Для приєднання індукторів у днище печі маються отвори 7. Вони розширені убік робочого простору печі, що виключає перегрів рідкого металу в цій частині печі, а отже, поліпшує умови роботи футерівки. Кожен індуктор має замкнутий магнітопровід 9 і охолоджувану повітрям котушку 8. При заміні індуктора піч повертають таким чином, щоб приєднувальна площина кожуха печі розташувалася вертикально.

Індукційна піч встановлена в приямку, що має поглиблення 1, призначене для збору рідкого металу і шлаку.

Вітчизняна промисловість виготовляє індукційні канальні печі для витримки і перегріву чавуна ІЧКМ-6/0,5; ІЧКМ-16/0,5; ІЧКМ-40/1,0 із продуктивністю (т/год) при перегріві рідкого чавуна на 100ºС: 14, 12, 24.

4.2.2.Роздавальні печі. Цей тип печей призначений для заливання рідкого металу безпосередньо у форму. Для видачі металу з печі застосовують механізми нахилу печі, електродинамічні насоси і надлишковий тиск газу над рівнем металу в печі.

На мал.6.21 показана схема індукційної канальної печі з використанням надлишкового тиску газу для видачі металу. Ванна 5 печі закрита герметичною кришкою 3. Метал заливають у піч через заливальний сифон 2, а у форму - через розливальний сифон 8, верхня частина якого виконана у виді ванни з отвором 6. Через трубку 4 у робочий простір печі подається стиснене чи повітря інертний газ. Під дією тиску повітря рідкий метал витісняється з ванни в заливальний і розливальний сифони. Кількість металу, що випливає через отвір 6 у форму 7, регулюється з достатньою точністю по заданій програмі. Обігрів печі здійснюється індуктором 1.

Для використання печі з різними транспортними системами формувальної лінії піч може бути встановлена на візок, що переміщається в подовжньому і поперечному напрямку. Печі подібного типу мають місткість до 20 т.

Вітчизняна промисловість виготовляє для заливання рідкого чавуна безпосередньо в ливарні форми печі:

ІЧКР-0,6/0,06; ІЧКР-2,5/0,15; ІЧКР-6,0/0,15

с продуктивністю (т/год) при перегріві рідкого чавуна на 100^оС:

1,35 4,05 3,65

4.2.3.Плавильні печі. У порівнянні з тигельними індукційними печами канальні печі мають наступні переваги:

- низькі капіталовкладення, вартість канальної печі складає 50 - 70 % вартості тигельної печі при тій же плавильній потужності;

- низька питома витрата енергії на розплавлювання металу через низькі теплові втрати, тому що ванна канальної печі може мати гарну теплову ізоляцію, і через високого електричного КПД індуктор канальної печі.

До недоліківканальних плавильних печей варто віднести:

- відсутність гнучкості регулювання хімічного складу виплавлюваного металу,

- наявність болота в канальній печі утрудняє перехід від плавки одного сплаву до іншого,

- повільний рух металу у ванні канальної печі не дозволяє додавати, наприклад, графить на поверхню розплавленого чавуна, тому що у ванні він розмішується повільно.

ОСНОВНІ ВУЗЛИ ІНДУКЦІЙНОЇ КАНАЛЬНОЇ ПЕЧІ. Каркас печі повинний бути досить міцним і твердим. Його виготовляють з низьковуглецевої стали (0,1% С) товщиною 30 - 70 мм. У нижній частині каркаса маються вікна з фланцями, до яких приєднують індуктори. По всій поверхні каркаса просвердлені отвори діаметром 5 мм із кроком 300 мм, через які віддаляється пара, що утвориться при сушінні футерівки.

Футерівка впливає на тривалість роботи печі до чергового ремонту. У залежності від конструкції і призначення печі для цієї мети застосовують різні вогнетривкі матеріали. Час сушіння і розігріву нової футерівки печі залежить від типу застосовуваних вогнетривів. Футерівка, виконана з обпалених цеглин, допускає швидкість нагрівання до 45^оС/год, футерівка з заливальної маси (бетону) - 10-20ºС/год, з набивної маси - 20-40ºС/год, з так називаної сухої маси - до 100ºС/ч.

Піч (мал.6.20) футерована вогнетривами декількох марок. Внутрішній шар футерівки, що стикається з рідким металом, знаходиться в найбільш важких умовах - підданий великим механічним навантаженням і хімічним тепловим впливам. Внутрішній шар футерівки печі повинний мати високу механічну міцність, вогнетривкість, шлакостійкість і термостійкість. Цей шар виконаний із заливної маси (бетону), що містить до 90% AI2O3. Для наступного шару застосовують вогнетрив, що містить 60% AI2O3, для третього шару - звичайний шамотний вогнетрив, для теплоізоляційного шару - азбестові плити, що укладаються по усій внутрішній поверхні каркаса печі.

У процесі експлуатації печі спостерігається руйнування футерівки, особливо в місцях взаємодії зі шлаком. Наявність у шлаку Ca і Si2 приводить до взаємодії шлаку з футерівкою і утворенню з'єднання CaOхAI2O3х2Si2, що має температуру плавлення 1550ºС. Чим більше шлаку і чим вище в ньому концентрація Ca і Si2, тим інтенсивніше йде розпал футерівки печі. При сприятливому жужільному і температурному режимі канальні печі при виробництві чавуна працюють не менш 5 років до чергового ремонту.

В міру розпалу футерівки виробляється її ремонт. Піч зливається до болота, і на дефектне місце за допомогою торкрет-машини наносять відповідну вогнетривку масу. Після прогріву відремонтованого місця піч знову заповнюють металом.

Індуктор складається зі сталевого корпуса, футерівки, магнітопроводу, котушки й елементів охолодження корпуса і котушки. Корпус індуктора не повинний утворювати замкнутий електричний контур навколо магнітопроводу, інакше на ньому самому буде індуктуватися вихровий струм. З цих розумінь корпус виконують рознімним і окремі його частини ізолюють друг від друга.

Для футерівки індуктора застосовують вологі чи сухі вогнетривкі маси. Вологі маси використовують у виді заливальних і набивних матеріалів. Заливальні маси (бетони) застосовують при складному профілі індуктора, коли неможливо ущільнити набивну масу по всьому обсязі індуктора. Заливною масою заповнюють відразу весь індуктор і ущільнюють зануреними електричними вібраторами. Набивною масою заповнюють індуктор пошарно і пошарно ущільнюють пневматичними трамбуваннями. Сухі маси засинають в індуктор відразу й ущільнюють електричними високоякісними вібраторами. Застосування сухих мас для індукторів дозволяють виключати процес сушіння індуктора перед його установкою на піч. При виробництві чавуна футерівку індуктора виготовляють з вогнетривких мас, що містять до 98% Mg.

Магнітопровід індуктора збирають з окремих пластин трансформаторної сталі товщиною 0,5 мм. Для зменшення утрат від вихрових струмів окремі пластини ізольовані друг від друга. Розміри поперечного переріза стрижня магнітопроводу, тобто тієї його частини, на яку надягають котушку, залежать від потужності індуктора. Після зборки магнітопроводу його стягають чи болтами шпильками. Стяжні планки, шпильки, болти ізолюють від пластин магнітопроводу електрокартоном для запобігання утворення короткозамкнених витків навколо магнітопроводу.

Котушку індуктора виготовляють з мідного профільованого проводу. Перетин витка котушки вибирають у залежності від номінального навантажувального струму і способу її охолодження. При повітряному охолодженні допускається сила струму до 4А/мм², при водяному - до 20А/мм². Котушку кріплять на магнітопроводі за допомогою клинів з ізоляційного матеріалу. Зазор між котушкою і магнітопроводом використовують для подачі по ньому повітря, що прохолоджує котушку. Між котушкою і футерівкою, як правило, установлюють водоохолоджуємий екран з немагнітної чи сталі міді, що охороняє котушку від перегріву. У залежності від числа витків котушку виготовляють одношарової чи багатошаровий.

Для запобігання від перегріву елементів індуктора (корпуса, екрана котушки, котушки) передбачене їхнє примусове охолодження. Корпус і екран котушки прохолоджується водою. Котушка прохолоджується чи водою повітрям.

На мал.6.22 показаний знімний індуктор, підготовлений до установки на піч. В індукторі встановлений шаблон, профіль якого відповідає профілю каналу. Шаблон являє собою порожній сталевий виливок. Його встановлюють в індуктор до заповнення вогнетривкою масою. Кінці шаблона, що виступають з індуктора, з'єднані між собою перемичкою за допомогою електрозварювання. Шаблон призначений для одержання точних розмірів каналу і для сушіння і розігріву футерівки індуктора перед його заповненням рідким металом.

Індуктор має повітряне охолодження котушки і водяне охолодження корпуса й екрана. Для охолодження котушки на індукторі установлений відцентровий вентилятор, що всмоктує сторона якого з'єднана з простором, де розташована котушка.

Індуктор кріплять до каркаса печі за допомогою болтів. Для кращого відділення індуктора при знятті його з печі верхню частину його футерують тонким шаром неспікливої маси. До корпуса індуктора приварені два штирі, використовувані при транспортуванні і монтажі індуктора.

У процесі роботи індуктора спостерігається знос його футерівки, що може привести до зупинки печі. Стан футерівки індуктора звичайно оцінюють по температурі води, що прохолоджує елементи індуктора. При руйнуванні футерівки рідкий метал, що заповнює канал, наближається до водоохолоджуємих елементів, і температура води підвищується. Це служить сигналом для заміни індуктора до його виходу з ладу. Однак цей спосіб контролю не ефективний при прогарі футерівки в тій частині індуктора, де відсутнє охолодження.

Ефективний також контроль активного й індуктивного опору індуктора. Відомо, що активний опір R каналу залежить від площі поперечного переріза і довжини каналу. Якщо в процесі експлуатації печі відбувається заростання каналу, то це приводить до збільшення R, а розпал каналу, тобто його розширення, приводять до зменшення R. При подовженні каналу R збільшується, при укороченні - R зменшується.

Індуктивний опір XL каналу залежать від його розташування щодо котушки індуктора. Чим ближче канал розташований до котушки, тим менше XL, і, навпаки, чим більше відстань між каналом і котушкою, тим більше значення XL.

Оскільки первісній формі каналу відповідають визначені значення R і XL, та зміна їхній у процесі роботи вказує на характер зміни форми каналу.

Для механізму нахилу печі чи застосовують гідравлічний привід, що включає насосну станцію і гідроциліндр, чи електромеханічний привід, що складається з електродвигуна, редуктора і ланцюгової передачі. В обох випадках механізм повинний забезпечувати плавний нахил печі як при зливі рідкого металу, так і при заміні індуктора.

Електроустаткування печі складається з трансформатора, конденсаторної батареї для компенсації коефіцієнта потужності печі, конденсаторної батареї і дроселя для підключення однофазного індуктора до трифазної мережі, щитів керування і живильних кабелів.

Трансформатор печі підключають до мережі напругою 6 - 10 кв. На вторинній стороні трансформатора передбачено до 10 ступіней напруги для регулювання потужності печі в заданих межах.

Система водяного охолодження печі служить для охолодження її елементів. Чиста, спеціально підготовлена вода циркулює по замкнутому контурі, що включає теплообмінник, що прохолоджується звичайною промисловою водою. На зливальних патрубках від елементів печі встановлюють індуктори витрати води і термометри, що показують температуру води.