Тигельные печи. Области применения

ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЕ ЖИДКИЕ СИСТЕМЫ

Рассмотрим тройную систему, состоящую из трех жидких компонентов А, В и С. Пусть А и С, а также В и С неограниченно растворимы друг в друге, тогда как А и В обладают ограниченной взаимной растворимостью.

Если смешать компоненты А и В, то в определенном интервале составов образуются два жидких слоя. При добавлении к системе компонента С он распределяется между двумя слоями, в результате чего образуются два равновесных сопряженных трехкомпонентных раствора.

Индукционная плавильная тигельная печь (рис. 14-1) представляет собой цилиндрическую электромагнитную систему с многовитковым индуктором 1. Поскольку загрузка I нагревается до темпе­ратуры, превышающей температуру плавления, обязательным элементом конструкциипечи является тигель— сосуд, в который помещается расплавляемая шихта. В зависимости от электрических свойств материала тигля различают индукционные печи с непрово­дящим (рис. 14-1, а) и проводящим (рис. 14-1, 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.

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,

Рис. 17-1. Устройство индукционной тигельной печи

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 электропро-водна. 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 большее 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 ноля 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.

Диапазон емкостей индукционных тигельных печей очень ши­рок. В качестве примера печи минимальной емкости (ОД 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.

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 (см. § 5-4 и 6-1).

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.

Индукционные тигельные печи как плавильные устройства об­ладают большими достоинствами, важнейшие из которых — воз­можность получения весьма чистых металлов и сплавов точно за­данного состава, стабильность свойств получаемого металла, ма­лый угар металла и легирующих элементов, высокая производи­тельность, возможность полной автоматизации, хорошие условия труда обслуживающего персонала, малая степень загрязнения окружающей среды.

Недостатками индукционных тигельных печей являются высо­кая стоимость электрооборудования, особенно при частотах выше 50 Гц, и низкий КПД при плавке материалов с малым удельным сопротивлением.

Сочетанием таких качеств определяется область применения индукционных тигельных печей: плавка легированных сталей и синтетического чугуна, цветных тяжелых и легких сплавов, редких и благородных металлов. Поскольку область применения этих печей ограничивается не техническими, а экономическими факто­рами по мере увеличения производства электроэнергии она непрерывно расширяется, захватывая все более дешевые металлы

Основной тенденцией в развитии индукционных тигельных пе­чей является рост как единичной емкости, так и суммарной емкости парка печей, связанный, прежде всего с потребностью в больших количествах высококачественного металла. Кроме того, при уве­личении емкости повышается КПД печи, и снижаются удельные расходы на ее изготовление и эксплуатацию.

Создаются также принципиально новые виды печей, например горизонтальные печи непрерывного действия, рассмотренные в § 14-5, а также индукционно-плазменные печи. Последние соче­тают два вида нагрева, при этом обеспечиваются интенсивное пере­мешивание расплава, как в любой индукционной печи, и высокая температура, и реакционная способность шлака, как в любой ду­говой или плазменной печи.

Эти печи представляют собой огнеупорный тигель с металлом, помещенный

Рис.17.2

в полость индуктора. В этом случае применить замкнутый магнитопровод невозможно и поэтому схема этой печи подобна схеме воздушного трансформатора, у которого роль вторичной обмотки и нагрузки выполняет расплавленный металл в тигле, что находит отражение в схеме замещения и векторной диаграмме.

Достоинства тигельных плавильных печей:

1. Выделение энергии непосредственно в загрузке, без промежуточных нагревательных элементов.

2. Интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты и отходов, быстрое выравнивание температуры по объему ванны и отсутствие местных перегревов и гарантирующая получение многокомпонентных сплавов, однородных по химическому составу.

3. Принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы при любом давлении.

4. Высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности.

5. Возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса футеровки печи, что создает условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулированного футеровкой. Печи этого типа весьма удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность быстрого перехода с одной марки сплава на другую.

6. Простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процесса плавки.

7. Высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение окружающей среды.

Принцип работы печи основан на поглощении энергии металлической шихтой, заложенной в керамической тигель, который может быть в набивном исполнении или выложенный кирпичом.

В этих печах в случае расплавленного металла проводимость для магнитных силовых линий значительно понижается, число силовых линий, сцепляемых с металлом, крайне мало, то есть величина коэффициента взаимоиндукции, определяющего наведенную ЭДС, мало. Поэтому в тигельных печах для повышения ЭДС идут по пути увеличения частоты тока.

Выбор частоты для тигельных печей определяется величиной электрического КПД.

С ростом емкости печи, то есть ее диаметра, величина оптимальной частоты снижается; так, например, минимальная емкость печи для плавки стали – при 50 Гц – 1т; при 500 Гц – 250 кг; при 10000 Гц – 30 кг.

Для плавки других металлов вес садки изменится пропорционально отношению плотности.

Увеличение частоты требует установки преобразователя частоты, что увеличивает капитальные затраты и снижает общий коэффициент полезного действия. Общий коэффициент полезного действия установки равен:

Оптимальная частота тока, определенная с учетом общего КПД, в основном соответствует минимальному удельному расходу электроэнергии. Однако ее выбор должен производиться с учетом других факторов, влияющих на стоимость нагрева. Так, стоимость конденсаторной батареи для компенсации реактивной мощности индуктора, зависит от частоты, причем, если стоимость преобразователей с ростом частоты растет, то стоимость конденсаторов падает. Кроме того, удельная площадь, занимаемая конденсаторной батареей, уменьшается с увеличением частоты: при 50 Гц она в 10 раз больше, чем при 2500Гц.

Иногда применяют 2–частотную схему питания индукционных установок для нагрева и плавки ферромагнитных материалов: с начала процесса до точки Кюри используют промышленную частоту, при достижении температуры точки Кюри и до конца процесса установку переключают к источнику повышенной частоты.

На процессе плавки в тигельных печах большое влияние оказывает электродинамические усилия в системе ”индуктор- металл”. Величина тока в индукторе может доходить до нескольких тысяч ампер, а величина напряженности магнитного поля имеет величину порядка 10000 ÷ 100 000 А/м. Вследствие этого электродинамические усилия, особенно при промышленной частоте, могут достигать значительной величины.

Дата добавления: 2014-01-07