Конструкция индукционных тигельных печей
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.

Электрооборудование индукционных тигельных печей

Электрическая цепь индукционных тигельных печей состоит из источника питания 1, соленоида 2 и емкости 3 (рисунок 1).

Схема электрической цепи индукционных тигельных печей
Рисунок 1 — Схема электрической цепи индукционных тигельных печей

Соленоидом является индуктор печи, который относится одновременно и к ее механическому оборудованию. Поэтому конструкция индуктора будет рассмотрена позже.

Источники питания

В зависимости от емкости и назначения индукционные тигельные печи питают токами различной частоты — от 500 до 1000000 Гц. Для промышленных печей емкостью от нескольких сот килограммов и до нескольких тонн наиболее часто используют токи частотой 500— 10000Гц, печи емкостью более 6т могут питаться токами промышленной частоты (50Гц), а небольшие промышленные и лабораторные печи требуют питания токами весьма большой частоты Источниками питания индукционных печей токами высокой частоты служат преобразователи частоты — высокочастотные генераторы. В настоящее время пользуются главным образом генераторами двух видов — ламповыми и машинными преобразователями.

Генератором высокочастотных колебаний в ламповом преобразователе является колебательный контур, широко используемый также в радиопередающих и принимающих устройствах (рисунок 2).

колебательный контур
Рисунок 2 — Колебательный контур

Если к такому контуру, содержащему индуктивность L и емкость С, подвести напряжение и зарядить обкладки конденсатора, а затем замкнуть рубильник, то конденсатор начнет разряжаться и в контуре появится ток. При прохождении тока через индуктивность в момент его нарастания в ней создается запас энергии, противодействующий изменению силы тока. После разрядки конденсатора этот запас поддерживает ослабевающую силу тока в контуре, вследствие чего обкладки конденсатора вновь заряжаются, но при этом получают обратную полярность. Конденсатор вновь разряжается и в контуре периодически протекает ток одного или противоположного направления.

Частота тока в контуре, т. е. частота собственных колебаний контура, зависит от соотношения активного сопротивления, индуктивности и емкости и определяется выражением

формула

В колебательном контуре величина R много меньше величины L, поэтому последним членом в предыдущем уравнении  можно пренебречь. Тогда

формула

Меняя величины L и С, можно в широких пределах изменять частоту колебаний.

Собственные колебания контура являются затухающими, так как энергия конденсатора постепенно превращается в тепловую и выделяется в активном сопротивлении.

Чтобы колебания контура превратить в незатухающие, в него необходимо периодически подводить энергию, т. е. подзаряжать контур. Такую подзарядку осуществляют при помощи генераторной лампы — триода, включенной в цепь контура (рисунок 3).

Схематическое изображение лампового генератора
Рисунок 3 — Схематическое изображение лампового генератора

Цепь в лампе между анодом и катодом замыкается электронами, испускаемыми нагретым катодом. Цепь будет замыкаться лишь в том случае, если на сетке, расположенной между катодом и анодом,
потенциал будет положительным. В противном случае эмиттированные катодом электроны будут отбрасываться полем сетки обратно к катоду. Таким образом, управляя потенциалом на сетке, можно регулировать силу тока в цепи лампы и колебательного контура.

Импульсы питающего тока должны быть согласованы по фазе с колебаниями контура. Это обеспечивается тем, что на сетку подается потенциал с частотой собственных колебаний контура. В приведенной на рисунке 3 схеме для этого служит индуктивность L2, связанная по принципу трансформатора с индуктивностью контура. Такую связь контура с цепью сетки называют обратной связью, так как через нее одна часть схемы воздействует на другую.

Поскольку генераторная лампа пропускает ток только в одном направлении, ее целесообразно питать выпрямленным током от ламповых выпрямителей, питаемых в свою очередь трехфазным током от высоковольтного трансформатора напряжением 10— 13 кВ. Чтобы использовать оба полупериода питающего тока, ставят два блока выпрямителей, подающих на лампу выпрямленное напряжение обоих полупериодов последовательно из каждой фазы.

В настоящее время выпускают генераторные лампы мощностью до 100 кВт. Если мощность установки требует установки нескольких ламп, то их включают параллельно. Число ламп в установках обычно не превышает четырех.

Срок службы генераторных ламп составляет примерно 1000ч работы. Коэффициент полезного действия их равен примерно 80%.

Машинные преобразователи

Для питания индукционных печей применяют машинные генераторы двух типов: обычные синхронные и индукторные.

Частота тока, вырабатываемого обычным синхронным генератором, зависит от числа пар полюсов обмотки возбуждения р и числа оборотов ротора п и определяется по формуле:

формула

Число пар полюсов ограничивается трудностью исполнения обмотки, скорость вращения ротора — возникновением больших центробежных сил. Поэтому такие генераторы используют для получения токов частотой до 1000Гц. Токи частотой более 1000 Гц (до 10 000Гц) получают при помощи машинных генераторов индукторного типа.

Генератор этого типа отличается тем, что обе обмотки— и обмотка возбуждения и рабочая обмотка — размещены в статоре, а на роторе обмоток не имеется. Ротор собирают из фигурных пластин электротехнической стали таким образом, что в собранном виде на его поверхности образуются чередующиеся продольные выступы и впадины.

Обмотка возбуждения питается постоянным током и создает постоянное по величине и по направлению магнитное поле. При вращении ротора против пазов обмотки возбуждения поочередно оказываются зубцы и впадины и магнитные силовые линии замыкаются то по ротору, то по воздуху, в результате чего образуется пульсирующее магнитное поле.

Под действием этого поля в рабочей обмотке наводится изменяющаяся по величине и направлению э.д.с., частота изменений которой определяется выражением:

формула

Сопоставление уравнений  показывает, что поскольку в генераторах индукторного типа значительно легче изготовить ротор с большим числом зубцов, чем расположить у синхронного генератора такое же число пар полюсов в обмотке возбуждения, в них можно генерировать токи значительно более высокой частоты. Но при сравнительно низкой частоте (до 1000 Гц) синхронные генераторы оказываются более экономичными, поэтому генераторы  индукторного типа применяют только в установках более высокой  частоты.

Ротор машинного генератора приводится во вращение трехфазным асинхронным двигателем, выполняемым либо в отдельном корпусе, либо заодно с корпусом генератора. Чтобы различать конструктивное исполнение, агрегаты с обособленным приводным электродвигателем принято называть генераторами, а со встроенным электродвигателем — преобразователями.

К.п.д. современных машинных генераторов достаточно высок и составляет 80—90%.

Конденсаторы

Уже отмечалось, что вследствие значительного зазора между индуктором и садкой индукционная тигельная печь обладает большой индуктивностью, снижающей общий сos φ. Для компенсации индуктивной мощности индуктора установки тигельных печей снабжают конденсаторами, которые, будучи включенными в цепь печи, служат источниками, покрывающими безваттную мощность печи.

Так как самоиндукция создает положительный сдвиг фаз (сила тока отстает от величины напряжения), а емкость — отрицательный (сила тока опережает величину напряжения), то при равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений сдвига фаз не будет, кривая изменения силы тока совпадает с кривой изменения величины напряжений и сos φ = 1.

Это условие соблюдается автоматически в контуре со свободными колебаниями, поэтому в установках с ламповым генератором сos φ всегда равен единице. В установки же, питаемые от машинных генераторов, для равенства индуктивного xL и емкостного сопротивлений хс необходимо включать конденсаторные батареи. Так как xL = ωL, а хс = 1/ωС, то сos φ = 1 при ωL = 1/ωС, где ω — угловая частота, равная ω = 2πf. Отсюда

формула

и потребная емкость конденсатора:

формула

Емкость конденсатора зависит от величины поверхности обкладок S, расстояния между обкладками d и свойств диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками, а именно от его
диэлектрической проницаемости εn. В простейшем случае (плоский конденсатор с двумя обкладками) емкость конденсатора равна

формула

Если конденсатор собран из n пластин, соединенных через одну параллельно, то

формула

Конденсаторы применяют, как правило, собранными в группы (батареи), составленные из последовательно или параллельно соединенных элементов. При последовательном соединении

формула

при параллельном соединении

формула

Что касается мощности, то последовательное и параллельное соединения равноценны, но предпочтительнее параллельное соединение конденсаторов, так как оно обеспечивает небольшой по силе ток генератора и отсутствие перенапряжения на индукторе печи и конденсаторах.

В установках индукционных печей применяют бумажно-масляные и керамические конденсаторы.

В бумажно-масляных конденсаторах обкладками служит алюминиевая фольга толщиной 0,007—0,015 мм, а диэлектриком — парафинированная или пропитанная маслом бумага. Конденсаторы наматывают из лент в виде рулона, а затем опрессовывают в плоский пакет. Пакеты погружают в банку с трансформаторным маслом, которую во избежание загрязнения масла герметично закрывают.

Реактивную мощность конденсатора можно повысить, если от водить выделяющееся в нем тепло, погружая в масло змеевик, питаемый проточной водой, или пропуская воду между двойными стенками банки. Для увеличения теплоотдачи излучением банки снаружи окрашивают в черный цвет.

В высокочастотных установках с ламповыми генераторами широко применяют керамические конденсаторы (рисунок 4). Обкладками в таких конденсаторах служит тончайший слой серебра, напыленный на внутреннюю и наружную поверхности конденсатора перед обжигом керамики.

Керамический конденсатор ТГК1-К
Рисунок 4 — Керамический конденсатор ТГК1-К

Преимуществом керамических диэлектриков является их высокая диэлектрическая проницаемость (у отдельных сортов керамики она достигает 1000 против 3—4 у промасленной бумаги); недостатком — трудность изготовления тонкостенных конденсаторов. Значительная толщина диэлектрика снижает емкость конденсатора, поэтому эти конденсаторы изготавливают на малые емкости.

Для получения необходимых емкости, мощности и напряжения на обкладках отдельные конденсаторы собирают в большие группы — батареи, соединенные последовательно или параллельно.

В процессе нагрева и плавления шихты электрические и магнитные свойства ее меняются. Это приводит к изменению индуктивного сопротивления печи.

В контуре со свободными колебаниями изменение индуктивности вызывает такое изменение частоты тока, что ωL = 1 /(ωС). При этом сos φ не меняется и равен единице.

В установках, питаемых от машинных генераторов, частота не зависит от величины индуктивности. Поэтому изменение L приводит к нарушению равенства ωL= 1 /(ωС) и уменьшению сos φ.

Чтобы поддержать сos φ =1, при изменении L необходимо изменять величину С до значения, определяемого выражением:

формулаПо этой причине в установках с машинными генераторами часть конденсаторных батарей включают в цепь печи постоянно, а часть можно включать или выключать из цепи по ходу плавки.