Тигельні індукційні електричні печі

Індукційна тигельна піч складається з індуктора, зовнішнього магнітопроводу, вогнетривкого тиглю, пристрою для зливання металу, струмопроводів (рис. 5.10), пристроїв для нахилення печі тощо.

Рис. 5.10. Індукційна тигельна піч: 1 – індуктор; 2 – магнітопровід; 3 – набивний футер; 4 – стальний тигель.

Магнітопроводи застосовують у печах великої потужності для магнітного екранування кожуха печі і зменшення втрат енергії.

Нагрівання і розплавлення садки відбувається за законом Джоуля-Ленца електричним струмом, що індукується у металевій завалці печі змінним магнітним полем, яке створюється струмом в індукторі. Куски металу розігріваються, розтоплюються до утворення рідкої маси. Після утворення рідкої маси металу найбільша густина струму в металі спостерігається у віддалених від осі тигля шарах. Майже вся енергія, яку поглинає садка, виділяється у зовнішньому шарі, товщина якого дорівнює глибині проникнення струму ∆_гар у гарячий метал.

Оскільки глибина проникнення струму, кількість виділеної енергії, питомий опір та магнітна проникність залежить від температури і від частоти, то для оптимального розігрівання та розтоплення садки підбирають оптимальну частоту f змінного струму, при дотриманні якої буде найбільша швидкість розплавлення. Для забезпечення високого значення ККД орієнтовно мінімальне значення частоти струму f, Гц, визначають за діаметром тиглю d ₀, м, та питомим опором гарячого металу ρ_гар, Ом·м:

.

З формули видно, що частота струму джерела живлення обернено пропорційна до діаметра тигля, тому у тигельних печах великого діаметра використовують джерела живлення промислової частоти, а у печах середньої і малої місткості – підвищеної та високої частот.

За частотою струму джерела живлення печі поділяють на три види:

– високої частоти (50–500 кГц) з живленням від лампових генераторів;

– середньої (або підвищеної) частоти (150–10 000 Гц) з живленням від помножувачів чи перетворювачів части;

– низької частоти (50–60 Гц) з живленням від енергосистеми.

Необхідний об’єм тигля V_т, м³, і встановлену потужність Р, кВт, визначають або за масою металу М, кг, або за годинною продуктивністю печі N_год = N_доб / 24, кг/год:

, або ,

,

де γ_м – густина металу у розтопленому стані, кг/м³; С_м – ентальпія (тепловміст) металу при температурі розливання, кДж/кг; η = η_ел · η_тепл – повний ККД печі; τ ₁, τ ₂ – відповідно тривалість часу плавлення та часу розвантаження-завантаження печі, год.

Діаметр тигля d ₀, м, дорівнює

,

де числа 0,65–0,8 – співвідношення діаметра до висоти металу в тиглі.

Повний ККД тигельної печі η = 0,48÷0,68, тепловий ККД η_тепл = 0,8÷0,85, а електричний η_ел = 0,6÷0,8.

Природний коефіцієнт потужності тигельних печей cos φ = 0,08÷0,25, тому для досягнення регламентованого значення використовують конденсаторні батареї.

У процесі плавлення виникає циркуляція металу, що є наслідком взаємодії магнітного поля, утвореного струмом індуктора, і струмів у товщі металу. Електродинамічні сили спрямовані до осі тигля і відтискають метал від тигля; метал в центральній частині спучується, що спричиняє його циркуляцію, вирівнювання температури та хімічного складу металу.

Індуктор виконують з трубок круглого, прямокутного чи квадратного перерізу та з охолодженням водою.

Тиглі можуть бути електропровідними (сталь, графіт) або не електропровідними (з керамічних матеріалів).

Графітові тиглі застосовують для виплавлення міді та алюмінію; сталеві –для плавлення магнію.

У тигельних печах для виплавлення чавуну та сталей використовують тиглі з набивної кварцової маси (на основі SiO₂) або мас на основі магнезиту (MgO).Для підвищення міцності до магнезитових мас додають глинозем (Al₂O₃) або окис хрому (Сr₂O₃).

Набивний футер в процесі експлуатації ділиться на три добре виражені зони: запечену, перехідну і буферну. Запечена зона, що контактує з рідким металом, має щільну структуру, частково просякнуту металом. Перехідна зона має меншу густину і більшу пористість. Буферна зона – це майже не змінена набивна маса.

Під час експлуатації запечена зона інтенсивно розмивається, тому після серії плавок тигель необхідно замінити: у сталеплавильних печах – після 150 плавок, у печах для плавлення алюмінію термін експлуатації тиглю до 1–1,5 років. Тиглі виводять експлуатації, якщо товщина стінки зменшилась на 30 %.

Загальний вигляд індукційної тигельної печі для виплавлення чавуну наведений на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Загальний вигляд індукційної тигельної печі ИЧТ-10: 1 – кришка з піднімальним механізмом; 2 – каркас; 3 – плунжер; 4 – підшипники; 5 – індуктор

Тигельні печі мають певні експлуатаційні переваги перед іншими типами печей:

– швидке досягнення високої температури, оскільки енергія виділяється безпосередньо у металі;

– відсутність палива та електродів полегшує отримання металу високої чистоти;

– отримання металу однорідного за хімічним складом та температурою (внаслідок перемішування);

– малий вигар та окиснюваність, оскільки поверхня покрита відносно холодним шлаком;

– можливість здійснення технологічного процесу у вакуумі чи нейтральному середовищі;

– порівняно більші ніж в інших печах термін експлуатації футеру, оскільки він не перегрівається;

– можливість роботи у періодичному режимі; можливість зміни хімічного складу металу від плавки до плавки;

– проста конструкція тигля тощо.

До недоліків відносять:

– спучування металу (опуклий меніск);

– необхідність застосування джерел середньої і високої частоти для печей середньої і малої місткості.

У табл. 5.4. наведені енергетичні показники індукційних тигельних печей різного типорозміру та частоти живлення.

Таблиця 5.4

Індукційні тигельні плавильні печі промислової і підвищеної частоти

Примітка: У позначенні типорозміру печі ИСТ, ИЧТ, ИЧТМ, ИСВ – відповідно відкрита піч для плавлення сталі, чавуну, міксер для чавуну, вакуумна піч для сталі; у чисельнику місткість печі, т, у знаменнику – потужність, МВт, буква і цифра – модифікація конструкції.

У табл. 5.5 наведені порівняльні характеристики індукційних печей для плавлення металів. З цієї таблиці видно, що виплавлення чорних металів (сталі, чавуну) застосовують переважно тигельні печі, а для кольорових металів – канальні індукційні печі.

Таблиця 5.5

Характеристика індукційних плавильних печей