Описание технологического процесса и особенностей работы индукционной тигельной печи, связанных с требованиями технологического процесса

В основе печей без сердечника также как и в печах с сердечником лежит трансформаторный принцип передачи энергий индукцией от первичной обмотки (индуктора) но вторичной (металлу). Таким образом, вторичная обмотка совместилась с нагрузкой. Магнитный поток в этих печах проходит по шихте, поэтому важное значение имеют магнитные свойства шихты. В этих случаях шихта играет роль незамкнутого сердечника. Поэтому протекают процессы перемагничивания. За счёт этого происходит дополнительный нагрев шихты (а не только за счёт циркуляции вихревых потоков). В этом случае печь работает сугубо по принципу воздушного трансформатора (т.е. трансформатора без сердечника). Но когда наступает температура Кюри, магнитные свойства исчезают, значит, выше этой температуры печь работает как воздушный трансформатор.

Принцип индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой шихтой.

Характеристика конструкции печи с описанием основных узлов

Индукционные тигельные печи типа ИСТ предназначены для плавки легированных и низколегированных сталей в электросталеплавильных цехах металлургических заводов и в фасонно-литейных цехах машиностроительных заводов.

Современные индукционные тигельные печи состоят из следующих основных конструктивных элементов: корпуса в виде каркаса (для малых печей) или кожуха (для крупных печей) с ферромагнитным (внешний магнитопровод) или электромагнитным экраном; индуктора с системой водяного охлаждения; футеровки, важнейшей частью которой является тигель; вспомогательных механизмов (механизм наклоном печи).

Корпус индукционной тигельной печи

Корпус является основой печи, механически соединяющей в единое целое все конструктивные элементы. Для индукционных печей характерно наличие вблизи индуктора сильного электромагнитного поля, что создаёт определённые затруднения при конструировании корпуса печи, так как в металлических массах поглощаются электромагнитные волны, вызывающие потери мощности печи и нежелательное нагревание корпуса.

Корпус печей малой ёмкости (примерно до 1 тонны) часто изготавливают из неметаллических материалов – дерева или асбестоцемента, соединяя их при помощи деталей  из немагнитных металлов (латунных шпилек, накладок и т.д.).

Экран

Экраны применяют для снижения напряжённости магнитного поля вблизи корпуса печи. Магнитный поток в пространстве между индуктором и корпусом является тем же магнитным потоком Ф, который существует в полости индуктора и замыкается вне индуктора конечной длины.

Применение ферромагнитных или электромагнитных экранов уменьшает напряжённость магнитного поля вблизи корпуса печи настолько, что оказывается  возможным изготовлять каркас корпуса из проката обычной углеродистой стали (вместо немагнитной стали).

Индуктор

Индуктор предназначен для создания переменного магнитного поля заданной напряжённости, а также является важным элементом крепления тигля, удерживающим его от смещения при наклоне печи для слива жидкого металла. Поэтому конструкция индуктора должна удовлетворять не только электротехническим требованиям, но также и требованиям механической жёсткости и прочности при действии сил, стремящихся сдвинуть тигель.

Индуктор изготовляют из медной трубки специального профиля. Это необходимо для того, чтобы обеспечить минимальные электрические потери; разместить на длине индуктора hu расчётное число витков W1; пропустить через живое сечение отверстия трубки расчётное количество охлаждающей воды.

Профилирование медных трубок, кроме того, уменьшает среднюю величину зазора между индуктором и расплавляемым металлом и несколько увеличивает электрический к.п.д. системы индуктор – металл.

Индуктор представляет собой цилиндрическую катушку, образованную винтообразно навитой медной трубкой с постоянным углом наклона (спиральная набивка) либо плоскими витками, соединёнными между собой короткими наклонными участками трубки (набивка с переходом). Преимуществом первой конструкции является простота набивки индуктора. Во втором случае, хотя изготовление индуктора сложнее, торцы индуктора оказываются плоскими и их конструктивно проще крепить между сложными плитами.

Система водяного охлаждения

Система водяного охлаждения индуктора предназначена для отвода активной мощности теряемой в индукторе (Pu), и мощности тепловых потерь теплопроводностью от расплавленного металла через футеровку тигля (Pт.п.).

Условия надёжной работы системы следующие:

• механических примесей в охлаждающей воде должно быть не более 80 г/м3 и величина карбонатной (временной) жёсткости должна быть не выше 7 г-экв./м3;
• температура отходящей (нагретой воды должна быть такой, чтобы предотвратить накипеобразование: обычно её принимают равной 35-40ºС, что соответствует температуре стенки индуктора 40-50ºС;
• температура индуктора не должна быть ниже температуры окружающего воздуха, так как в противном случае на индукторе будет конденсироваться влага из воздуха, что приведёт к пробою между витками;
• необходимы напор воды при входе в индуктор по условиям заводских водопроводных магистралей следует ограничить до 200 кПа;
• скорость течения охлаждающей воды должна быть определённой: не менее 0,5 м/с для создания турбулентного движения воды, предотвращающего осаждение не стенках трубки индуктора механических примесей и выпадающих из воды солей (вследствие уменьшения их растворимости при нагреве воды), и не более 1,5 м/с, чтобы не увеличить потери давления сверх допустимого (~200 кПа).

Футеровка

Огнеупорная футеровка индукционных тигельных печей, располагаемая внутри индуктора, состоит из следующих элементов: тигля, образующего плавильное пространство и определяющего ёмкость печи, форма которого должна обеспечить удобство ведения металлургического процесса, минимальные тепловые потери, максимальный электрический к.п.д. и достаточную механическую прочность в условиях ферростатического давления и электродинамического воздействия жидкого металла; подины, служащей основанием, на которое устанавливают тигель и индуктор; ленточной керамики (носка), предназначенной для создания струи жидкого металла при сливе его из тигля; воротника, соединяющего тигель и источную керамику.

В футеровку индукционных тигельных печей обязательно устанавливают сигнализатор, контролирующий состояние футеровки.

Работа футеровки тигля характеризуется тяжёлыми условиями: тепловое, коррозионное и эрозионное воздействие жидкого металла, химическая коррозия шлака, статическое давление столба жидкого металла (до 40-80 кПа), механические усилия при загрузке шихты и особенно при осаживании образующихся в процессе плавки мостов.

Для данной индукционной тигельной печи применим кислую огнеупорную футеровку. Кислую футеровку изготовляют из кремнезёмистых огнеупорных материалов (кварцита, кварцевого песка, молотого динасового кирпича) с содержанием окиси кремния не менее 93-98%. В качестве связующего (упрочняющего) материала применяют сульфитно-целлюлозный экстракт, а в качестве минерализатора добавляют 1-1,5% борной кислоты. Зерновой состав огнеупорной массы следующий: 5% зёрен 3-2 мм; 50% зёрен 2-0,5 мм и 45% зёрен <0,5 мм.

Кислая футеровка, как правило, выдерживает 80-100 плавок.

Механизм наклона печи

Механизм наклона печи предназначен для слива металла и является одним из важных узлов конструкции любой плавильной печи. Для того чтобы уменьшить длину струи металла и не перемещать разливочный ковш в соответствии с перемещением носка печи ось наклона индукционной тигельной печи помещают вблизи носка.

Основной часть гидравлического механизма наклона являются рабочие цилиндры одностороннего действия, установленные по одному с каждой стороны печи. Плунжеры цилиндров, шарнирно связаны с корпусом печи, давлением рабочей жидкости (обычно масла) перемещаются вверх и наклоняют печь. Цилиндры устанавливают на шарнирах, позволяющих цилиндрам в процессе наклона печи поворачиваться в соответствии с дугой, описываемой головкой плунжера. Печь опускается под действием собственного веса, когда в цилиндрах снимают давление рабочей жидкости.

Гидравлический механизм наклона прост по конструкции, обеспечивает плавный наклон, но для его работы необходимо иметь гидравлическую напорную установку. Недостатком этого типа механизма наклона следует также считать необходимость довольно значительного пространства под печью для установки гидравлических (рабочих) цилиндров, что в некоторых случаях (например, при установке печи на втором этаже здания фасонно-литейного цеха) исключает его применение.

В схеме управления механизмом наклона необходимо предусмотреть конечные выключатели, отключающие привод механизма при наклоне печи на максимально допустимый уровень.

Характеристика применяемого топлива или энергии

В тигельных печах нагрев и плавление шихты происходит за счёт индукционного нагрева, заключающегося в преобразовании энергии электромагнитного поля,  поглощаемой шихтой, в тепловую энергию. В том и другом случае электромагнитное поле создаётся индуктором, представляющим собой многовитковую медную катушку. Через индуктор пропускают переменный ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени (в соответствии с частотой тока) переменное магнитное поле. Это превращение описывается первым уравнением Максвелла (законом полного тока).

Магнитный поток, созданный индуктором, пронизывает шихту и индуцирует в ней электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в полости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, то есть электрическое поле в шихте носит вихревой характер. Под действием электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи и токи Фуко). Это – второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла (законом электромагнитной индукции).

В шихте энергия индуцированного переменного поля необратимо переходит в тепловую. Это – третье превращение энергии электромагнитного поля, описываемого законом Ленца –Джоуля (Сведения взяты из источника).

Обоснование выбора применяемого электроносителя

После расчёта критической частоты тока по формуле мы в качестве рабочей частоты тока принимаем ближайшее большее из нормализованного ряда частот (приведён в источнике ). Далее по известной рабочей частоте и мощности генератора выбираем источник питания проектируемой печи. Исходя из вышеперечисленного, в качестве источника питания печи принимает машинный преобразователь   частоты   ВГО-1500-500   с  рабочей   частотой 500 пер.,   номинальной мощностью 1500 кВт (1,5·106 Вт), что несколько превышает необходимую по расчёту мощность генератора.

Расчёт индукционной тигельной печи

Исходные данные

1. Сведения о выплавляемом сплаве.

Сталь марки ШХ15.

Температура ликвидус — 1753º К (1480ºС).

Температура выпуска из печи — 1873º К (1600ºС).

Удельная энтальпия металла при температуре выпуска из печи 40 кВт·ч/т.

Удельное сопротивление твёрдой стали при комнатной температуре 0,19·10-6 Ом·м.

Температура Кюри – 994º К (721ºС).

Удельное сопротивление твёрдой стали при температуре Кюри 0,98·10-6 Ом·м.

Удельное сопротивление жидкой стали при температуре выпуска из печи – 1,4·10-6 Ом·м.

Относительная магнитная проницаемость стали:

• при комнатной температуре — µм=150
• при температуре Кюри µм=1

Плотность жидкой стали Јм=7000 кг/м3

2. Сведения о шихтовых материалах.

В качестве шихтовых материалов используются отходы выплавляемой марки стали (возврат) и углеродистый лом. Средний размер кусков шихты – 0,1м.

Так как шихтовыми материалами служат материалы близкие по составу к выплавляемой стали, поэтому примеси для расчёта удельное сопротивление, температуру Кюри и магнитную проницаемость шихтовых материалов таким же, как у выплавляемой стали.

Футеровка

Заданием на проектирование предусматривается выплавка легированной стали, не требующей в процессе плавки обработки основным шлаком, в открытой печи. Для этой цели наиболее экономичной является кислая набивная футеровка тигля из кварцевого песка с добавкой 1,5% борной кислоты. В качестве тепловой изоляции тигля примем асбестовый картон, а в качестве обмазки индуктора – бетон на основе высокоглиноземистого цемента. По практическим данным  примет толщину слоя асбеста равной 5 мм, а слоя обмазки индуктора – равной 3 мм.