Классификация и области применения установок для индукционного нагрева и плавки

Все индукционные установки можно разбить на три большие группы:

I. Установки для индукционного нагрева.

1) сквозной нагрев под пластическую деформацию;

2) сквозной нагрев под термообработку;

3) поверхностную закалку;

4) сварку, пайку и наплавку;

5) нагрев газов;

6) обогрев технологического оборудования и др;

II. Установки для диэлектрического нагрева.

1) сушку древесины, кожи, сыпучих материалов;

2) склейку полимеров, кожи, древесины;

3) сварку пластмасс и синтетических материалов;

4) подогрев порошков перед прессованием;

5) подогрев изделий перед формованием;

6) подогрев пищевых продуктов и др.

III. Индукционные плавильные установки.

1) индукционные канальные печи (ИКП);

2) индукционные тигельные печи (ИТП);

3) индукционные вакуумные печи (ИВП);

4) индукционные печи с холодным тиглем (ИПХТ);

5) устройства для плавки в электромагнитном тигле (ЭМТ);

6) устройства для зонной плавки (ИЗП);

7) устройства для выращивания монокристаллов;

8) устройства для гарниссажной плавки (ИГП);

9) устройства для струйной плавки (ИСП);

10) индукционные печи непрерывного действия (ИНП).

Дадим краткую характеристику некоторых наиболее распро­страненных индукционных установок. Обширным классом индукционных устройств являются пла­вильные печи. Наибольшее распространение в промышленности получили канальные печи (печи с желез­ным сердечником) и тигельные печи (печи без сердечника).

Канальная печь пред­ставляет собой своеобразный трансфор­матор с магнитопроводом. Первичной обмоткой является индуктор, а вторичной и одновременно нагрузкой трансформатора служит расплавляемый металл, находя­щийся в выложенном огнеупорным ма­териалом замкнутом кольцевом канале.

Индукционная канальная электропечь в настоящее время является одним из основных плавильных агрегатов для цветных металлов и сплавов. Применяются эти печи и при выплавке чугуна.

Канальные электропечи часто используются также в качестве миксеров — устройств для выравнивания температуры и доводки химического состава, для перегрева и выдержки жидкого металла.

Тигельная печь по принципу действия подобна воздушному трансформатору. Первичная обмотка — индуктор, вторичная обмотка и одновременно нагрузка — расплавленный металл в тигле, помещенном внутри индуктора.

Печи этого типа широко применяются в промышленности для плавки черных и цветных металлов как на воздухе, так и в ва­кууме и в защитных атмосферах. В настоящее время используются такие печи емкостью от десятков грамм до десятков тонн.

Основным назначением индукционных тигельных электропе­чей является выплавка черных и цветных металлов, высококаче­ственных сталей и специальных сплавов, требующих особой чистоты, однородности и точности химического состава. В послед­ние годы тигельные печи все чаще стали использовать в комплексе с другими плавильными агрегатами (вагранками, дуговыми печами). В этих случаях металл, предварительно расплавленный в ука­занных печах, поступает затем в индукционную электропечь для рафинирования и доведения до заданного химического со­става.

В индукционных тигельных печах плавят также благородные металлы (золото, платину и др.).

Установки для сквозного нагрева обеспечивают прогрев изделия (или его участка) по всему поперечному сечению.

Нагрев заготовок до конечной температуры в установках непрерывного действия осуществляется по мере их продвижения в индукторе с шагом, равным длине заготовки. При введении в индуктор очередной холодной заготовки последняя заготовка, уже нагретая до заданной температуры, автоматически выталки­вается из индуктора.

Основным назначением данных установок является нагрев заготовок из черных и цветных металлов перед обработкой давле­нием (ковкой, штамповкой, гибкой, прессованием). Применяются индукционные установки сквозного нагрева также для термиче­ской и химико-термической обработки изделий из стали и сплавов (сквозной закалки, отпуска, отжига, нормализации, цементации, цианирования).

Установки для поверхностной закалки своеобразны по кон­струкции и являются одним из наиболее распространенных видов индукционных установок.

Поверхностная закалка нашла широкое применение в совре­менном машиностроении. Этот вид термообработки позволяет получать детали с закаленным твердым поверхностным слоем при сохранении вязкой сердцевины. Такие детали хорошо работают на истирание и одновременно выдерживают ударные нагрузки. Именно в таких условиях работают, например, шестерни, колен­чатые валы и т. п.

Для осуществления поверхностной закалки необходимо обес­печить нагрев поверхности детали с очень высокой скоростью, а затем форсированное охлаждение. При этом лишь поверхностный слой заданной толщины должен успеть прогреться до температуры структурных превращений и, следовательно, закалиться. Передача тепла во внутренние слои должна быть минимальной. Индукцион­ный нагрев, позволяющий сконцентрировать в поверхностном слое нагреваемой детали любую практически необходимую удельную мощность, является оптимальным методом нагрева под поверх­ностную закалку.

На рис. 1,6 показана схема индукционной установки для непрерывно-последовательной закалки. Закаливаемый вал помещается внутри кольцевого индуктора и установленного рядом ним душевого устройства (спреера), обеспечивающего водяное охлаждение поверхности вала. При продольном перемещении вала происходит последовательный нагрев (под индуктором) и охлаждение (под спреером) поверхности вала и, таким образом, осуществляется его поверхностная закалка. Для обеспечения равномерности нагрева и охлаждения вал дополнительно вращается.

Установки для сварки, пайки и наплавки с индукционным нагревом находят все более широкое применение в промышлен­ности.

Дли примера на рис. 1, в представлена схема индукционной установки для сварки встык прутков. Концы прутков нагреваются в индукторе, повторяющем форму их поперечного сечения. После достижения заданной сварочной температуры прутки прижимаются своими торцами с усилием, необходимым для создания прочного сварного соединения. В промышленных условиях процесс индукционной сварки изделий осуществляется в высокопроизводительных установках - автоматах.

Достаточно распространены также процессы соединения деталей пайкой при индукционном нагреве. Примером может служить припайка к резцам пластин из твердых сплавов.

Твердые сплавы могут наноситься на отдельные участки Деталей также прямой наплавкой. В этом случае индуктор обес­печивает расплавление наносимого металла и прогрев соответ­ствующего участка детали до температуры, необходимой для сцепления с расплавом при затвердевании последнего. Процессы индукционной сварки, пайки и наплавки в отдельных случаях исполняются в вакууме или защитной атмосфере, что повышает качество соединения.

Установки для индивидуальных технологических процессов. К этому классу установок будем относить индукционные установки, не получившие пока широкого (массового) распространения.

В качестве примеров можно привести следующие установки: дли прогрева деталей радиоламп при их откачке; для обогрева химических реакторов, сосудов и трубопроводов; для сушки лакокрасочных покрытий на металлических изделиях; для подогрева перед горячей посадкой деталей и многие другие.

Отнесем сюда также установки для новых технологических процессов, сравнительно недавно получивших свое промышленное применение. На рис. 3, д для примера приведена схема индукцион­ной установки для одного из таких процессов — бестигельной зонной плавки. Этот процесс в настоящее время является наиболее эффективным методом глубокой очистки веществ, в частности полупроводников, от примесей. Он основан на различной раство­римости примесей в жидкой и твердой фазах вещества. Вертикально установленный стержень из очищаемого материала располагается внутри короткого индуктора, обеспечивающего сквозное проплавление узкого участка стержня. Образовавшаяся жидкая зона удерживается от проливания силами поверхностного натяжения.

При перемещении индуктора расплавленная зона продвигается вдоль стержня, обогащаясь примесями, которые лучше раство­ряются в жидкой фазе, чем в твердой. В результате многократ­ного прохода зоны снизу вверх добиваются глубокой очистки нижней части стержня от указанных примесей. Для обеспечения симметрии температурного поля и перемешивания расплава участки стержня, разделенные расплавленной зоной, вращают в разные стороны.

Установки для диэлектрического нагрева используются при нагреве непроводниковых материалов в переменном электрическом поле.

Схема установки для диэлектрического нагрева показана на рис. 2. Нагреваемый непроводниковый материал располагается между пластинами конденсатора, который подключается к источ­нику питания достаточно высокого напряжения и частоты.

Как известно, в диэлектрике, помещенном в электрическое поле, происходит явление поляризации: смещение заряженных частиц, входящих в молекулы (атомы), в направлении поля, или поворот полярных молекул в направлении поля. Изменение направления поля приводит к соответствующей переориентации диполей диэлектрика. Трение между материальными частицами диэлектрика при поляризации и является причиной выделения в нем тепла. Нагрев диэлектрика тем интенсивнее, чем больше напряженность приложенного электрического поля и чем быстрее ее изменение (т. е. выше частота).

В зависимости от организации режима нагрева во времени различают индукционные установки:

1) периодического действия, в которых загрузка нагревается от начальной до конечной температуры, оставаясь неподвижной относительно индуктора;

2) полунепрерывного действия — обычно это вакуумные уста­новки, в которых не требуется разгерметизации вакуумной ка­меры после окончания плавки (или нагрева) для ее загрузки и разгрузки;

3) непрерывного действия (методические установки), в кото­рых загрузка нагревается до заданной конечной температуры по мере ее непрерывного или дискретного перемещения относительно индуктора.

Так, например, для сквозного нагрева заготовок выпускаются установки двух типов:

а) периодического действия, в которых нагреву обычно под­вергается одна заготовка, расположенная стационарно относи­тельно индуктора. Электрические параметры этих установок в процессе нагрева меняются в зависимости от изменения физических свойств материала заготовки с повышением ее темпера­туры;

б) методические нагревательные установки, где в длинном индукторе находится одновременно несколько заготовок, нагрев происходит по мере продвижения их через индуктор. Электриче­ские параметры этих установок в процессе работы практически неизменны, несмотря на изменение свойств каждой заготовки и отдельности с повышением ее температуры.

По частоте питающего тока индукционные печи и установки разделяются на:

1) установки промышленной частоты, питающиеся от сети 50 Гц (в некоторых странах промышленная частота — 60 Гц) непосредственно или через специальные понизительные транс­форматоры; однофазные установки большой мощности имеют сим-метрирующие устройства для выравнивания нагрузки по фазам питающей сети;

2) установки средней или повышенной частоты (150—10 000 Гц), питающиеся от электромашинных, или статических преобразова­телей частоты;

3) высокочастотные установки (или установки высокой ча­стоты), питающиеся от ламповых генераторов, работают на ча­стотах от 20 000 Гц до нескольких мегагерц.

Чем меньше размеры нагреваемых объектов и чем меньше их!М1сктропроводность, тем, как правило, выше применяемая ча­стота. В связи с увеличением размеров нагреваемых объектов в последние годы начало разрабатываться также оборудование ил частоту менее 50 Гц (это так называемые установки пониженной частоты.

3-2. КАНАЛЬНЫЕ ПЕЧИ

Типы конструкций

Основным конструктивным элементом канальной печи является индукционная единица, представляющая собой закрытый канал, образованный керамической футеровкой, выполняющий роль вторичной обмотки, индук­тор (первичная обмотка) и магнитопровод из трансфор­маторной стали; необходимый для проведения магнитного потока. Эта индукционная единица может пристраиваться к футерованным объемам различной фор­мы, содержащим жидкий расплав (рис. 3-12).

Рис. 3-12. Виды канальных печей.

а – тигельная печь; б – печь барабанного типа;

в – печь с прямоугольной ванной, стационарная, без сливного носка.

Футерованные объемы могут иметь форму: а) ци­линдрического тигля (с вертикальной осью); б) бараба­на (с горизонтальной осью); в) прямоугольного сосуда. Крепление канальной единицы может осуществляться в вертикальном, горизонтальном или наклонном положении. В соответствии с этими основными вариантами (различают три типа (по расположению каналов)'конструкций каналь­ных печей.

Канальные печи с вер­тикально расположенным каналом. Эта конструкция (ис­пользуется наиболее широко (рис. 3-13). Она применяет­ся как при малых объемах (100 кг), так и при больших (гл. 8). Ее преимущество состоит в возможности легкой очистки канала. Недостатком является большая величи­на статического давления металла в канале при больших габаритах печи.

Канальные печи с горизонтально расположенным ка­налом. В канальных печах, которые не требуют чистки каналов от отложений окислов металлов, например, при плавке меди или литейного чугуна, канальная единица может быть встроена горизонтально (рис. 3-14). Благо­даря такому решению статическое давление на канал уменьшается, и вследствие этого тепловую энергию, не­обходимую для плавления, можно отводить из канала в рабочее пространство печи при большей скорости дви­жения металла. В результате в этих печах температура перегрева металла в канале по сравнению с остальным объемом меньше, чем при вертикальном расположении канальной единицы.

Канальная печь с на­клонным каналом. Кон­струкция «анальных пе­чей с наклонными кана­лами является - компро­миссом между вертикаль­ным и горизонтальным расположением (рис. 3-15). Это решение содер­жит в себе в равной сте­пени и преимущества, и недостатки обоих преды­дущих решений. Однако оно не настолько выгод­но, чтобы вытеснить эти конструкции.

Канальная печь барабан­ного типа. Для больших агрега­тов (рис. 3-16), исполь­зуемых, главным образом для поддержания рас­плава в разогретом со­стоянии и накопления его, при незначительном по­треблении мощности по отношению к емкости те­чи барабанная форма имеет ряд преимуществ. Печь барабанного типа может легко опрокиды­ваться. Она не требует большого фундамента. Кроме того, плавильная камера барабанной фор­мы имеет больший тепловой к. п. д. В печах емкостью свыше 2 м на барабане могут быть укреплены несколько канальных единиц, так что мощность печи может быть увеличена.

Рис. 3-16. Печь с тремя отдельными индукционными единицами, расположенными в цилиндрическом тигле с горизонтальной осью

Рис. 3-17. Печь с двумя камерами. Индуктор расположен между камерами, которые соединены одна с другой

Двухкамерная канальная печь. В изображенной на рис. 3-17 канальной печи две камеры так соединены между собой, что образуется закрытый канал. Тепловая энергия, выделяющаяся главным образом в канале, пере­дается благодаря интенсивному движению расплава в обе камеры. Тепловая конвекция благодаря определен­ному исполнению канала может использоваться для того, чтобы в одну из камер можно было передать боль­ше энергии, чем в другую. Если в одну камеру добав­ляется холодная загрузка, а из другой вычерпыванием отбирается жидкий металл, то тепловой обмен за счет некоторого различия в плотностях при различной темпе­ратуре поддерживается на необходимом уровне. Печь с двумя камерами является удачным вариантом для проведения одновременно плавки и отбора легких метал­лов при малой производительности (гл. 8).

Рис. 3-18. Индукционная печь с прямоугольной ванной емкостью 25 т,

мощностью 450кВт

Канальная печь с прямоугольной ванной. Такая кон­струкция встречается редко (рис. 3-18). Она применяется в двух случаях: а) при стационарной ванне, когда печь не должна опрокидываться, а жидкий металл, такой как цинк, может быть легко вычерпан из печи или же выка­чан; б) если форма ванны определяется технологически­ми соображениями.

Конструкция печей

Существуют многочисленные конструктивные возмож­ности приспособиться к местным технологическим усло­виям. Однако целесообразно рассмотреть лишь те конст­руктивные варианты, которые получили наибольшее рас­пространение.

Рис. 3-19. Разрез канальной печи с вертикально расположенным каналом

На рис. 3-19 показано поперечное сечение канальной печи с вертикальным расположением каналов, на рис. 3-20 — то же для печи с горизонтальным. Наряду с обычной конструкцией печей, имеющих сливной носок на цилиндрической части, вокруг которого они опроки­дываются, используются также конструкции, в которых выпуск осуществляется через сливной носок, расположенный на оси вращения. Специальная конструкция печи показана на рис. 3-21 и 3-22; в этой печи выпуск осуще­ствляется через ось вращения; рабочее пространство печи выполняется так, что при чистке канала в печи мо­жет оставаться болото. Однако в обычном случае чистка канала может также осу­ществляться сквозь боло­то, хотя это трудоемкая операция.

В различных кон­струкциях печей главное внимание уделяется ин­дукционной единице как самой слабой 'части печи. Канальная часть печи подвергается наибольше­му износу, поэтому суще­ствует много конструкций, в которых заменяе­мыми являются следую­щие элементы: а) индук­ционная единица; б) фу­терованная часть печи (без магнитопровода и ин­дуктор; в) весь темной объем, включая индукци­онную единицу, но без опрокидывающего уст­ройства.

Рис. 3-20. Разрез канальной печи с горизонтально расположенными каналами

Какая конструкция бу­дет наиболее целесооб­разной, зависит от экс­плуатационных условий и от габаритов печи. Всякая замена требует специальных конструктивных мер и соответственно дополни­тельных капитальных затрат и дополнительного техниче­ского обслуживания, поэтому требования замены долж­ны быть оправданы экономически.

В небольших печах целесообразно заменять весь печ­ной объем, включая индукционную единицу. Отсоедине­ние и замена индукционной единицы в эксплуатируемой нагретой печи исключены из-за быстрого охлаждения малых печей. Замена печного объема связана с большим объемом работ. В малых печах целесообразно так конструировать индукционную единицу, чтобы канальная часть могла быть подвергнута перенабивке, без необхо­димости обновления печного пространства.

Для «печных объемов средних размеров при износе целесообразно заменять один печной объем другим, предварительно зафутерованным. На рис. 3-23 показана конструкция канальной печи с вертикально расположен­ным каналом. В этой печи ярмо магнитопровода разби­рается и печной объем отводится назад. Тогда он может быть заменен с помощью крана на запасной, футеровка которого предварительно высушена и по возможности спечена. На рис. 3-24 показана конструкция канальной печи с горизонтально расположенными индукционными единицами, где весьма просто осуществить замену после удаления верхнего ярма.

Рис. 3-21. Печь фирмы ВВС с боковым сливом.

Крупные печи, в особенности барабанного типа, охлаждаются очень медленно и поэтому позволяют под­держивать расплав в жидком состоянии при незначи­тельном подогреве. Футеровка в рабочем пространстве печи может служить долгое время, поэтому следует пре­дусмотреть меры для облегчения замены индукционной единицы. Наилучшим является вариант, в котором индукционные единицы расположены с обеих сторон барабана. При повороте печи индукционная единица с одной стороны барабана может быть опустошена, а с помощью индукционной единицы с другой стороны барабана расплав поддерживается в разогретом состоя­нии. После снятия жесткого зажимного приспособления появляется паз, который делает возможным отсоединение заменяемой единицы и прифланцовку новой предвари­тельно нагретой индукционной единицы (рис. 3-25).

Рис. 3-22. Индукционная печь фирмы ВВС для плавки алюминия

а – нормальное положение при плавке; б – положение при сливе и очистке, «болото» печи; в – печь полностью опрожнена.

Печной объем независимо от его выполнения футе­руется и с помощью теплоизоляционного кирпича или асбеста изолируется настолько, насколько это допустимо с учетом необходимой стойкости набивочной массы. Не­который перепад температуры в набивочной массе необходим для того, чтобы не произошло значительного ее спекания, которое повышает тенденцию к трещинообразованию при неизбежных колебаниях температуры.

Индукционная единица

Конструктивное решение индукционной единицы за­висит от типа используемого канала (единичный или сдвоенный). В системе со сдвоенным каналом первичные катушки соединены по схеме Скотта и могут подклю­чаться непосредственно к трехфазной сети.

Рис. 3-23. Канальная печь с вертикально расположенными каналами

Так как значительная часть индуцированной мощно­сти должна быть передана от канала к рабочему про­странству печи путем интенсивного движения металла из канала в ванну печи и обратно, в канале должна под­держиваться определенная плотность тока как по верх­нему, так и по нижнему пределу. Эти условия привели к тому, что в печах с единичным каналом устанавливает­ся мощность 50—500 кВт, а со сдвоенным каналом — 100— 1000 кВт. Только в специальных случаях сдвоенные каналы выполняются на мощность около 2000 кВт. Если для какой-либо печи требуется большая мощность, печ­ной объем снабжается несколькими индукционными единицами. При расчете индукционной единицы необходимо проверить, имеется ли в распоряжении площадь, необхо­димая для поперечного сечения сердечника трансформа­тора при допустимых значениях индукции. При этом величина индукции зависит от охлаждения. В случаях, когда не предусматривается принудительное воздушное охлаждение, значения индукции должны выбираться в пределах 0,9—1,0 тл; при воздушном принудительном охлаждении может быть допустима индукция 1,4 тл. Конструкция индукционной единицы должна гарантиро­вать безупречное охлаждение всех конструктивных эле­ментов. Конструкция магнитопровода должна обеспечить при оправданных затратах возможно лучший коэффициент заполнения активным материалом имеющейся пло­щади.

Индуктор охлаждается воздухом, если магнитопровод подвергается принудительному воздушному охлаждению. В других случаях при охлаждении водой индуктор выпол­няется из медного полого профиля. В этом случае не требуется дополнительно воздух для охлаждения печи. Кроме потерь в трансформаторной стали и в индукторе, имеют место тепловые потери, идущие от канала. Набивная масса между каналом и индуктором должна иметь механическую опору в форме трубы, от которой необходим отвод тепла. Важно, чтобы во всей конструк­ции индукционной единицы и ее креплении на печном объеме, кроме канала, не было других замкнутых конту­ров, в которых индуцируется мощность. Это относится прежде всего к трубе, находящейся внутри. При выпол­нении печи с воздушным охлаждением труба может быть неметаллической, например изготовленной из асбоцемен­та или аналогичного материала. Если отсутствует воз­можность воздушного охлаждения, должна быть выбра­на металлическая обшивка, которая позволяет осущест­вить водяное охлаждение. Эта так называемая водяная рубашка должна быть снабжена одним или несколь­кими разрезами. Охлаждение водой всегда положительно сказывается на стойкости набивочных масс, водяная ру­башка часто предусматривается также и при выполнении индукционной единицы с воздушным охлаждением.

Рис. 3-24. Канальная печь с горизонтально расположенными канальными единицами.

Рис. 3-25. Индукционная печь с отъемными индукционными единицами

Требование отсутствия других замкнутых электриче­ских контуров и благодаря этому исключения недопусти­мого нагрева обычно обеспечивается с помощью изоли­рованного крепления индукционной единицы к кожуху печи. Необходима надежная изоляция болтов, так как вследствие высокой нагрузки за счет появляющегося позднее роста набивочной массы болты могут разрушить изоляцию. На краях индуктора не удается избежать воз­никновения магнитных полей рассеяния, поэтому обе боковые части выполняются из немагнитного материала.