Типы конструкций тигельной печи

Индукционная плавильная тигельная печь (рис. 2.10) представ­ляет собой цилиндрическую электромагнитную систему с многовитковым индуктором 1. Поскольку загрузка 2 нагревается до темпе­ратуры, превышающей температуру плавления, обязательным эле­ментом конструкции печи является тигель — сосуд, в который помещается расплавляемая шихта. В зависимости от электрических свойств материала тигля различают индукционные печи с непрово­дящим (рис. 2.10, а) и проводящим (рис. 2.10, б) тиглем.

К первой группе относятся печи с диэлектрическим керамиче­ским тиглем 3, предназначенные для плавления металлов. В таких печах загрузка (садка) нагревается индуктированным в ней током, тигель же эквивалентен воздушному зазору.

а	б
Рис. 2.10. Устройство индукционной тигельной печи

Ко второй группе относятся печи со стальным, графитовым или графито-шамотным тиглем 4, обладающим большей или меньшей электропроводностью. Если толщина стенки тигля более чем вдвое превышает глубину проникновения тока в материал тигля, то можно считать, что индуктированный ток сосредоточен в стенке тигля, загрузка же прогревается только путем теплопередачи и может не обладать электропроводностью. При меньшей толщине стенки тигля электромагнитное поле проникает в загрузку и энергия выделяется как в стенке тигля, так и в самой загрузке, если она электропроводна. Печи с проводящим тиглем имеют теплоизоляцию 5.

По характеру рабочей среды индукционные тигельные печи можно разделить на открытые, работающие в атмосфере, и вакуум­ные. Конструкции вакуумных печей обеспечивают как плавку, так и разливку металла в вакууме, благодаря чему содержание раство­ренных в металле газов получается очень низким.

Индуктор и футеровка, основной частью которой является ти­гель, укрепляются в корпусе печи. Конструктивные детали корпуса располагаются вне индуктора на небольшом расстоянии от него, т. е. в области, пронизываемой магнитным потоком индуктора на пути его обратного замыкания. Поэтому в металлических деталях корпуса могут возникать вихревые токи, вызывающие нагрев.

Для уменьшения потерь в корпусе у печей небольшой емкости основные детали корпуса изготавливаются из непроводящих ма­териалов. Возможно также удаление металлических узлов корпуса на бо́льшее расстояние от индуктора, в область более слабого поля.

Однако такое конструктивное решение приводит к резкому увели­чению габаритов печи и потому приемлемо лишь для печей самой малой емкости. У печей значительной емкости приходится узлы несущей конструкции защищать от внешнего поля индуктора.

Для защиты используют магнитопровод в виде вертикальных пакетов трансформаторной стали, располагающихся вокруг индук­тора, или электромагнитный экран между индуктором и корпусом в виде сплошного кожуха из листового материала с малым удель­ным сопротивлением; потери в таком экране невелики.

Таким образом, в соответствии с методом снижения потерь в корпусе индукционные тигельные печи делятся на три класса:

а) неэкранированные;

б) с магнитопроводом;

в) с электромагнит­ным экраном.

Крупные тигельные печи работают на частоте 50 Гц; с умень­шением емкости печи частота тока должна повышаться, чтобы со­хранилось соотношение между глубиной проникновения тока и диа­метром загрузки, обеспечивающее высокий КПД индуктора.

По частоте питающего тока индукционные тигельные печи можно классифицировать следующим образом:

а) высокочастотные с питанием от ламповых генераторов;

б) работающие на частоте 500—10000 Гц с питанием от вентиль­ных или машинных преобразователей частоты;

в) работающие на частотах 150 и 250 Гц с питанием от статиче­ских умножителей частоты;

г) работающие на частоте 50 Гц с питанием от сети; при значи­тельной мощности оборудованные симметрирующими устройст­вами.

Керамический тигель индукционной тигельной печи имеет простейшую форму и надежен в эксплуатации. По этой причине тигельная печь является самым распространенным типом индукционной печи.

Принцип работы всех тигельных печей одинаков и соответственно одинаково их назначение. Разнообразие применения определяет и различие конструктивных форм.

Существуют три конструкции, различные по способу проведения магнитного потока с внешней стороны индуктора (рис. 2.11):

а) магнитный поток проходит по магнитопроводам из трансформаторной стали;

б) магнитный поток проходит по воздуху, стальные конструктивные части защищаются от интенсивного нагрева с помощью медного листа, экранирующего магнитное поле;

в) магнитный поток проходит по воздуху.

Эти три варианта имеют наименования:   а) закрытая конструкция; б) экранированная конструкция; в) открытая конструкция. Открытая конструкция. Вне тигля магнитное поле проходит по воздуху. Открытая конструкция в основном целесообразна для малых печей. Закрытая конструкция. В такой конструкции магнитный поток вне катушки проходит по радиально расположенным пакетам трансформаторной стали – магнитопроводам. Число магнитопроводов и их параметры зависят от габаритов печи, мощности и частоты. Закрытые конструкции используют почти исключительно в печах промышленной частоты и в индукционных печах повышенной частоты большой емкости. Экранированная конструкция. Конструкция также компактная, что, однако, достигается ценой дополнительных затрат. Кроме того, замкнутый экранирующий кожух не позволяет осуществить удобное и всестороннее наблюдение за
а
б
в
Рис. 2.11. Три варианта проведения магнитного потока вне тигля: а – магнитный поток проходит по магнитопроводам; б – магнитный поток проходит по воздуху, стальные конструктивные элементы защищены медным экраном; в – магнитный поток проходит по воздуху.

индуктором. В связи с этим конструкция не может получить широкого применения [20].

Диапазон емкостей индукционных тигельных печей очень ши­рок.

В качестве примера печи минимальной емкости (0,1 кг) можно указать отечественную установку для литья зубных протезов из нержавеющей стали, а максимальной (120 т) — печь фирмы «Юн­кер» (ФРГ), предназначенную для отливки крупных судовых вин­тов из бронзы.

Наибольшее распространение в промышленности получили печи емкостью более 140 дм³. Печи этой группы работают на промышленной частоте или на повышенных частотах.

Индукционная единица (индуктор вместе с несущей крепежной конструкцией, встроенный в кожух, образованный магнитопроводами и жесткими профилями стали) в этих печах с помощью болтового соединения подвешивается к опрокидывающейся раме, вместе с которой поворачивается вокруг сливного носка при разливке.

Межвитковая изоляция индуктора осуществляется изоляционными прокладками, рассчитанными на витковое напряжение. Индуктор в целом покрыт изоляционным материалом, обеспечивающим его изоляцию от конструктивных элементов печи, имеющих потенциал земли.

Снаружи индуктор полностью защищен от проникновения пыли и брызг защитной облицовкой. Внутри индуктор обмазан керамической массой, имеющей хорошие электроизоляционные свойства. Благодаря этому создается гладкая плотная опора для рабочей футеровки. На внутренней поверхности индуктора выложен слой асбеста, толщина которого выбирается такой, чтобы обеспечить перепад температуры, необходимый для хорошей стойкости футеровочной массы. Этот перепад выбирается таким образом, чтобы образовался тонкий, прочный, оплавленный слой (примерно 1/3 всей толщины), прочный спеченный слой (примерно 1/3) и ближе к индуктору – рыхлый слой, хорошо воспринимающий деформации, связанные с температурными изменениями. В противоположность этому асбестовый слой должен быть плотным. Для стойкости керамического тигля является чрезвычайно важным то, чтобы путем тщательного нанесения асбеста (в случае необходимости предварительно увлажненного и затем высушенного с сохранением формы) образовалась гладкая, жесткая опора для набивного слоя.

Изоляция индуктора выполняется таким образом, чтобы из тигля через индуктор могла удаляться влага. Пакеты трансформаторной стали встраиваются в конструкцию из стальных профилей и могут быть установлены вплотную к индуктору. При тщательной стяжке магнитопроводов, постоянном контроле и подтягивании их в процессе эксплуатации создается очень жесткое цилиндрическое тело, в котором расположен набивной тигель. Число и размеры магнитопроводов определяются габаритами и производительностью печи.

Пакеты так встраиваются в конструкцию печного кожуха, чтобы они могли быть хорошо закреплены около индуктора, а в случае их повреждения могли бы быть отдельно заменены без демонтажа его и выбивания тигля.

Верхняя опрокидывающаяся рама установлена на основной раме вместе с двумя своими опорами. В ней расположено вращающееся крепление обоих гидравлических цилиндров наклона.

Тигель закрывается футерованной крышкой. Эта крышка может выполняться как поворотная или откидная. Поворотная крышка имеет то преимущество, что она, будучи полностью открытой, со всех сторон обеспечивает доступ к расплаву или подаче шихты и, в частности, сзади в отличие от откидной. Так как баланс преимуществ и недостатков зависит от местных производственных условий, то для реализации может быть выбран тот ли другой вариант выполнения крышки. В обоих случаях крышка приводится в действие гидравлически от маслонапорной установки.

Чтобы обеспечить широкие возможности при эксплуатации индукционной тигельной печи, необходимо иметь возможность подачи энергии к печи также и в наклонном положении (не возникает трудностей с поддержанием расплава в разогретом состоянии при любом наклоне).

Питание электрическим током осуществляется через кабель, охлаждаемый водой, который в связи с этим выполняет также функции водоподвода. Общее снабжение водой может предусматривать также использование раздельных шлангов. Установка печи должна быть выполнена так, чтобы обеспечить хорошее наблюдение и контроль за печью. Надежное с точки зрения прорывов металла конструктивное выполнение подвала печи осуществляется путем выполнения специального приемного котлована, а также путем защищенной прокладки водо- и маслоподводов и керамической облицовки всех важнейших конструктивных элементов.

2.4.1. Конструкция открытой

неэкранированной тигельной печи

Основными конструктивными узлами открытой неэкраниро­ванной тигельной печи (рис. 2.12) являются футеровка, индуктор, корпус, крышка, контактное устройство, механизм наклона. Футеровка печи включает в себя тигель, подину и лёточную керамику, соединение которой с верхним краем тигля выполняется с помощью обмазки .

Плавильный тигель является одним из самых ответственных узлов печи, в значительной степени определяющим ее эксплуатационную надежность.

К тиглю предъявляются высокие требования: он должен выдер­живать большие температурные напряжения (градиент темпера­туры в стенке тигля достигает 200 К/см), а также гидростатическое давление столба расплава и механические нагрузки,возникающие при загрузке и осаживании шихты. Кроме того, тигель должен быть химически стоек по отношению к расплавленному металлу и шлаку и неэлектропроводен при рабочей температуре. Тигель должен иметь по возможности минимальную толщину стенки для получения высокого значения электрического КПД. Материал тигля должен иметь малый коэффициент линейного объемного) расширения для (исключения возникновения трещин в тигле в условиях высоких значений градиента температур в стенке (до С/м) и для снижения термических напряжений в тигле. Стойкостью тигля определяется продолжительность эксплуатации печи, т. е. суммарное время плавок между сменами футеровки.

Существует большое число рецептов футеровок для индукцион­ных тигельных печей [21, 22].

Выбор рецептуры и гранулометрического состава футеровочных материалов определяется свойствами выплавляемого металла или сплава. Футеровка печей для плавки черных металлов может быть кис­лой (на основе кремнезема SiO2), основной (на основе плавленого магнезита MgO) или нейтральной (на основе глинозема Аl2О3). При плавке алюминия и его сплавов применяют футеровку из жа­роупорного бетона на основе тонкомолотого периклаза с шамот­ным заполнителем. В печах для плавки меди используется футеровочная масса, состоящая из тонкомолотого корунда и высокоглиноземистого шамота. В качестве связующих применяются мате­риалы, обеспечивающие спекание сухой футеровочной массы при нагреве (бура, борная кислота и др.), или материалы, цементи­рующие увлажненную футеровочную массу (жидкое сте­кло, глина и др.).

Рис. 2.12. Открытая неэкранированная индукционная тигельная печь:   1 – крышка; 2 – леточная керамика; 3 – корпус; 4 – тигель; 5 – индуктор; 6 – подина; 7 – контактное устройство; 8 – обмазка; 9 – механизм наклона

Тигли изготовляют обычно методом набивки в печи, тех­нология которой тщательно отработана [21, 22], и зна­чительно реже - формовкой вне печи.

Стенка тигля спекается при плавках не на всю толщи­ну, а имеет три зоны: плот­ную спеченную с ошлако­ванной внутренней поверх­ностью, менее плотную переходную и наружную бу­ферную зону, сохранившую рыхлость, которая служит теплоизоляцией, компенси­рует тепловое расширение футеровки и амортизирует толчки и удары при загрузке и осаживании шихты, а так­же вибрацию, передающуюся от индуктора.

Стойкость футеровки индукционных тигельных печей зависит от многих факторов: качества применяемых огнеупорных материалов, технологии набивки и спекания, особенностей технологии плавки, режимов эксплуатации и обслуживания печей. Наименьшая стойкость тигля наблюдается у сталеплавильных печей (до 150 плавок), наибольшая – в печах для плавки алюминиевых сплавов (до 1 – 1,5 лет).

Разрушение тигля и повреждение электрической изоляции индуктора может привести к прожогу трубки индуктора и развитию аварии с возможным выбросом металла из печи. Поэтому необходимы профилактические осмотры футеровки и ее ремонт, а также своевременная замена изношенных тиглей. Установлено, что даже при хорошем состоянии внутренней поверхности тигля его необходимо заменять, если толщина стенок в каком-либо из сечений уменьшилась на 30 %.

В ряде случаев удается предотвратить развитие аварии, используя сигнализаторы состояния изоляции печи, основанные на контроле изменения электрического сопротивления изоляции индуктора относительно заземленного расплава, находящегося в тигле. Проводящие тигли не являются футеровкой печи. Они применяются для плав­ки материалов, не взаимо­действующих с материа­ломтигля (например, маг­ний можно плавить в сталь­ных тиглях, а медь и алю­миний - в графитовых). В проводящих тиглях можно плавить материалы с очень высоким удельным сопротивлением. При плавке материала с низким удельным сопротивлением в гра­фитовом тигле электрический КПД индуктора выше, чем при ис­пользовании непроводящего тигля. Такую систему можно рассмат­ривать как двухслойную среду.

Стальные тигли делают сварными, изготовление их несложно; графитовые и графито-шамотные тигли изготовляются специали­зированными электродными заводами.

Между проводящим тиглем и индуктором помещают теплоизо­ляционный слой набивной футеровки или засыпки, поскольку проводящий тигель нагревается при работе до температуры расплава.

Подина - укрепленная в корпусе печи нижняя плита, на ней устанавливаются индуктор и тигель, для которого имеется круглое углубление. Подина печей малой емкости изготовляется из фасон­ных шамотных блоков или стеклотекстолитовых плит в несколько слоев, а крупных печей - выкладывается из стандартных шамот­ных кирпичей или заливается из жаропрочного бетона.

Индуктор выполняется из профилированной водоохлаждаемой медной трубки прямоугольного сечения. Толщина стенки трубки вы­бирается в соответствии с частотой тока. На частоте 50 Гц нередко применяется неравностенная трубка, одна из стенок ко­торой утолщена до 10 - 13 мм. Утолщенная стенка располагается со стороны тигля. В качестве примера на рис 2.13 изображены медные профили, применяемые при изготовлении индукторов, а в табл. 2.3, 2.4, 2.5 - их размеры Конструкция индуктора должна обладать вы­сокой механической жесткостью и прочностью, поскольку индук­тор воспринимает большие усилия, особенно при наклоне печи.

Рис. 2.13. Медные профили, применяемые при изготовлении индукторов

Таблица 2.3

Параметры медной профилированной трубки

для индуктора промышленной частоты

Эскиз	А, мм	В, мм	D, мм	A, мм	B, мм	D, мм

Таблица 2.4