Типи конструкцій тигельної печі

Індукційна плавильна тигельна піч (рис. 2.10) представ-ляет собою циліндричну електромагнітну систему з багатовитковим індуктором 1. Оскільки завантаження 2 нагрівається до темпе-ратури, що перевищує температуру плавлення, обов'язковим еле-ментом конструкції печі є тигель - посудина, в який поміщається розплавляється шихта . Залежно від електричних властивостей матеріалу тигля розрізняють індукційні печі з непрово-дящім (рис. 2.10, а) і проводять (рис. 2.10, б) тиглем.

До першої групи належать печі з діелектричним керамічні-ським тиглем 3, призначені для плавлення металів. У таких печах завантаження (садка) нагрівається индуктироваться в ній струмом, тигель же еквівалентний повітряному зазору.

Мал. 2.10. Пристрій індукційної тигельної печі

До другої групи належать печі зі сталевим, графітовим або графито-шамотним тиглем 4, що володіє більшою або меншою електропровідністю. Якщо товщина стінки тигля більш ніж удвічі перевищує глибину проникнення струму в матеріал тигля, то можна вважати, що индуктироваться ток зосереджений в стінці тигля, завантаження ж прогрівається тільки шляхом теплопередачі і може не володіти електропровідністю. При меншій товщині стінки тигля електромагнітне поле проникає в завантаження і енергія виділяється як в стінці тигля, так і в самій завантаженні, якщо вона електропровідність. Печі з проводять тиглем мають теплоізоляцію 5.

Індуктор і футерування, основною частиною якої є ти-гель, зміцнюються в корпусі печі. Конструктивні деталі корпуса розташовуються поза індуктора на невеликій відстані від нього, т. Е. В області, пронизує магнітним потоком індуктора на шляху його зворотного замикання. Тому в металевих деталях корпусу можуть виникати вихрові струми, що викликають нагрівання.

Для зменшення втрат в корпусі біля печей невеликої ємності основні деталі корпусу виготовляються з непровідних ма-ріалів. Можливо також видалення металевих вузлів корпусу на більшу відстань від індуктора, в область слабшого поля.

Однак таке конструктивне рішення призводить до різкого збіль-ню габаритів печі і тому прийнятно лише для печей самої малої місткості. У печей значною ємності доводиться вузли несучої конструкції захищати від зовнішнього поля індуктора.

Для захисту використовують муздрамтеатр у вигляді вертикальних пакетів трансформаторної сталі, розташованих навколо Індуктори тора, або електромагнітний екран між індуктором і корпусом у вигляді суцільного кожуха з листового матеріалу з малим питомої-ним опором; втрати в такому екрані невеликі.

Таким чином, відповідно до методу зниження втрат в корпусі індукційні тигельні печі діляться на три класи:

б) з магнітопроводом;

в) з електромагніт-ним екраном.

Великі тигельні печі працюють на частоті 50 Гц; з умень-ням ємності печі частота струму повинна підвищуватися, щоб со-зберігалося співвідношення між глибиною проникнення струму і діа-метром завантаження, що забезпечує високий ККД індуктора.

За частотою живильного струму індукційні тигельні печі можна класифікувати наступним чином:

а) високочастотні з живленням від лампових генераторів;

б) працюють на частоті 500-10000 Гц з живленням від вентиль-них або машинних перетворювачів частоти;

в) які працюють на частотах 150 і 250 Гц з живленням від статичний-ських умножителей частоти;

г) працюють на частоті 50 Гц з живленням від мережі; при значи-тельной потужності обладнані симетрувальним устройст-вами.

Керамічний тигель індукційної тигельної печі має найпростішу форму і надійний в експлуатації. З цієї причини тигельна піч є найпоширенішим типом індукційної печі.

Принцип роботи всіх тигельних печей однаковий і відповідно однаково їх призначення. Різноманітність застосування визначає і відмінність конструктивних форм.

Існують три конструкції, різні за способом проведення магнітного потоку з зовнішньої сторони індуктора (рис. 2.11):

а) магнітний потік проходить по магнітопровода з трансформаторної сталі;

б) магнітний потік проходить по повітрю, сталеві конструктивні частини захищаються від інтенсивного нагріву за допомогою мідного листа, екрануючого магнітне поле;

в) магнітний потік проходить по повітрю.

Ці три варіанти мають найменування: а) закрита конструкція; б) екранована конструкція; в) відкрита конструкція. Відкрита конструкція. Поза тигля магнітне поле проходить по повітрю. Відкрита конструкція в основному доцільна для малих печей. Закрита конструкція. У такій конструкції магнітний потік поза котушки проходить по радіально розташованим пакетам трансформаторної сталі - муздрамтеатру. Число магнитопроводов і їх параметри залежать від габаритів печі, потужності і частоти. Закриті конструкції використовують майже виключно в печах промислової частоти і в індукційних печах підвищеної частоти великої місткості. Екранована конструкція. Конструкція також компактна, що, однак, досягається ціною додаткових витрат. Крім того, замкнутий екранує кожух не дозволяє здійснити зручне і всебічне спостереження за

Мал. 2.11. Три варіанти проведення магнітного потоку поза тигля: а - магнітний потік проходить по магнітопровода; б - магнітний потік проходить по повітрю, сталеві конструктивні елементи захищені мідним екраном; в - магнітний потік проходить по повітрю.

індуктором. У зв'язку з цим конструкція не може отримати широкого застосування [20].

Діапазон ємностей індукційних тигельних печей дуже ши-рок.

Як приклад печі мінімальної ємності (0,1 кг) можна вказати вітчизняну установку для лиття зубних протезів з нержавіючої сталі, а максимальної (120 т) - піч фірми «Юн-кер» (ФРН), призначену для відливання великих суднових вин-тов з бронзи.

Найбільшого поширення в промисловості отримали печі ємністю понад 140 дм 3. Печі цієї групи працюють на промисловій частоті або на підвищених частотах.

Індукційна одиниця (індуктор разом з несучою кріпильної конструкцією, вбудований в кожух, утворений магнитопроводами і жорсткими профілями стали) в цих печах за допомогою болтового з'єднання підвішується до перекидної рамі, разом з якою повертається навколо зливного носка при розливанні.

Міжвиткова ізоляція індуктора здійснюється ізоляційними прокладками, розрахованими на виткове напруга. Індуктор в цілому покритий ізоляційним матеріалом, що забезпечує його ізоляцію від конструктивних елементів печі, що мають потенціал землі.

Зовні індуктор повністю захищений від проникнення пилу і бризок захисної облицюванням. Усередині індуктор обмазаний керамічною масою, що має хороші електроізоляційні властивості. Завдяки цьому створюється гладка щільна опора для робочої футеровки. На внутрішній поверхні індуктора викладений шар азбесту, товщина якого вибирається такий, щоб забезпечити перепад температури, необхідний для гарної стійкості футерувального маси. Цей перепад вибирається таким чином, щоб утворився тонкий, міцний, оплавлений шар (приблизно 1/3 всієї товщини), міцний спечений шар (приблизно 1/3) і ближче до індуктора - пухкий шар, добре сприймає деформації, пов'язані з температурними змінами. На противагу цьому азбестовий шар повинен бути щільним. Для стійкості керамічного тигля є надзвичайно важливим те, щоб шляхом ретельного нанесення азбесту (в разі необхідності попередньо зволоженого і потім висушеного зі збереженням форми) утворилася гладка, жорстка опора для набивного шару.

Ізоляція індуктора виконується таким чином, щоб з тигля через індуктор могла віддалятися волога. Пакети трансформаторної сталі вбудовуються в конструкцію з сталевих профілів і можуть бути встановлені впритул до індуктора. При ретельної стягуванні магнитопроводов, постійному контролі й підтягуванні їх в процесі експлуатації створюється дуже жорстке циліндричне тіло, в якому розташований набивної тигель. Число і розміри магнітопроводів визначаються габаритами і продуктивністю печі.

Пакети так вбудовуються в конструкцію пічного кожуха, щоб вони могли бути добре закріплені близько індуктора, а в разі їх пошкодження могли б бути окремо замінені без демонтажу його і вибивання тигля.

Верхня перекидні рама встановлена ​​на основній рамі разом з двома своїми опорами. У ній розташовано обертається кріплення обох гідравлічних циліндрів нахилу.

Тигель закривається футерованной кришкою. Ця кришка може виконуватися як поворотна або відкидна. Поворотна кришка має ту перевагу, що вона, будучи повністю відкритою, з усіх боків забезпечує доступ до розплаву або подачі шихти і, зокрема, ззаду на відміну від відкидний. Так як баланс переваг і недоліків залежить від місцевих виробничих умов, то для реалізації може бути обраний той чи інший варіант виконання кришки. В обох випадках кришка наводиться в дію гідравлічно від маслонапірні установки.

Щоб забезпечити широкі можливості при експлуатації індукційної тигельної печі, необхідно мати можливість подачі енергії до печі також і в похилому положенні (не виникає труднощів з підтриманням розплаву в розігрітому стані при будь-якому нахилі).

Харчування електричним струмом здійснюється через кабель, що охолоджується водою, який в зв'язку з цим виконує також функції водоподвода. Загальна постачання води може передбачати також використання роздільних шлангів. Установка печі повинна бути виконана так, щоб забезпечити гарне спостереження і контроль за піччю. Надійне з точки зору проривів металу конструктивне виконання підвалу печі здійснюється шляхом виконання спеціального приймального котловану, а також шляхом захищеної прокладки водо- і маслоподводов і керамічної облицювання всіх найважливіших конструктивних елементів.

2.4.1. конструкція відкритої

неекранованої тигельної печі

Основними конструктивними вузлами відкритою неекрануючого-ванною тигельної печі (рис. 2.12) є футеровка, індуктор, корпус, кришка, контактний пристрій, механізм наклона.Футеровка печі включає в себе тигель, подину і лёточную кераміку, з'єднання якої з верхнім краєм тигля виконується за допомогою обмазки.

Плавильний тигель є одним з найбільш відповідальних вузлів печі, в значній мірі визначає її експлуатаційну надійність.

До тиглю пред'являються високі вимоги: він повинен видер-проживати великі температурні напруги (градієнт темпера-тури в стінці тигля досягає 200 К / см), а також гідростатичний тиск стовпа розплаву і механічні навантаження, що виникають при завантаженні і осадженні шихти. Крім того, тигель повинен бути хімічно стійок по відношенню до розплавленого металу і шлаку і неелектропроводен при робочій температурі. Тигель повинен мати по можливості мінімальну товщину стінки для отримання високого значення електричного ККД. Матеріал тигля повинен мати малий коефіцієнт лінійного об'ємного) розширення для (виключення виникнення тріщин в тиглі в умовах високих значень градієнта температур в стінці (до С / м) і для зниження термічних напружень в тиглі. Стійкістю тигля визначається тривалість експлуатації печі, т. Е. сумарний час плавок між змінами футерування.

Існує велика кількість рецептів футеровок для індукційних-них тигельних печей [21, 22].

Вибір рецептури і гранулометричного складу футеровочних матеріалів визначається властивостями виплавленого металу або сплаву. Футеровка печей для плавки чорних металів може бути киць-лій (на основі кремнезему SiO2), основний (на основі плавленого магнезиту MgO) або нейтральної (на основі глинозему Аl2 О3). При плавці алюмінію і його сплавів застосовують футеровку з жа-роупорного бетону на основі тонкомолотого периклаза з шамот-ним заповнювачем. У печах для плавки міді використовується футерувального маса, що складається з тонкомолотого корунду і високоглиноземисті шамоту. В якості сполучних застосовуються матеріали, що забезпечують спікання сухий футерувального маси при нагріванні (бура, борна кислота і ін.), Або матеріали, цементи-рующие зволожену футерувального масу (рідке сте-кло, глина та ін.).

Мал. 2.12. Відкрита неекранована індукційна піч: 1 - кришка; 2 - леточная кераміка; 3 - корпус; 4 - тигель; 5 - індуктор; 6 - подина; 7 - контактний пристрій; 8 - обмазка; 9 - механізм нахилу

Тиглі виготовляють зазвичай методом набивання в печі, тих-монолог якої ретельно відпрацьована [21, 22], і зна-ве рідше - формуванням поза печі.

Стінка тигля спікається при плавках не на всю товщі-ну, а має три зони: щільну спечену з ошлако-ванною внутрішньої поверх-ністю, менш щільну перехідну і зовнішню бу-Ферн зону, що зберегла рихлість, яка служить теплоізоляцією, компенсуючого-рует теплове розширення футеровки і амортизує поштовхи і удари при завантаженні і осадженні шихти, а так-же вібрацію, що передається від індуктора.

Стійкість футеровки індукційних тигельних печей залежить від багатьох чинників: якості застосовуваних вогнетривких матеріалів, технології набивання і спікання, особливостей технології плавки, режимів експлуатації та обслуговування печей. Найменша стійкість тигля спостерігається у сталеплавильних печей (до 150 плавок), найбільша - у печах для плавки алюмінієвих сплавів (до 1 - 1,5 років).

Руйнування тигля і пошкодження електричної ізоляції індуктора може привести до прожогам трубки індуктора і розвитку аварії з можливим викидом металу з печі. Тому необхідні профілактичні огляди футерування і її ремонт, а також своєчасна заміна зношених тиглів. Встановлено, що навіть при хорошому стані внутрішньої поверхні тигля його необхідно замінювати, якщо товщина стінок в будь-якому з перетинів зменшилася на 30%.

У ряді випадків вдається запобігти розвитку аварії, використовуючи сигналізатори стану ізоляції печі, засновані на контролі зміни електричного опору ізоляції індуктора щодо заземленого розплаву, що знаходиться в тиглі. Провідні тиглі не є футеровкою печі. Вони застосовуються для плав-ки матеріалів, що не взаємо-діючих з ма-ломтігля (наприклад, маг-ний можна плавити в сталь-них тиглях, а мідь і алю-міній - в графітових). У провідних тиглях можна плавити матеріали з дуже високим питомим опором. При плавці матеріалу з низьким питомим опором в гра-фітовая тиглі електричний ККД індуктора вище, ніж при ис-користуванні непровідного тигля. Таку систему можна рассмат-ривать як двошарову середу.

Сталеві тиглі роблять звареними, виготовлення їх нескладно; графітові і графито-шамотні тиглі виготовляються специали зірованним електродними заводами.

Між проводять тиглем і індуктором поміщають теплоизо-ляціонному шар набивної футеровки або засипання, оскільки проводить тигель нагрівається при роботі до температури розплаву.

Подина - укріплена в корпусі печі нижня плита, на ній встановлюються індуктор і тигель, для якого є круглий поглиблення. Подина печей малої місткості виготовляється з фасон-них шамотних блоків або стеклотекстолитовую плит в кілька шарів, а великих печей - викладається зі стандартних шамотних цеглин або заливається з жароміцного бетону.

Індуктор виконується з профільованої водоохлаждаемой мідної трубки прямокутного перетину. Товщина стінки трубки ви-вибирається відповідно до частоти струму. На частоті 50 Гц нерідко застосовується неравностенная трубка, одна зі стінок ко-торою потовщена до 10 - 13 мм. Стовщена стінка розташовується з боку тигля. Як приклад на рис 2.13 зображені мідні профілі, що застосовуються при виготовленні індукторів, а в табл. 2.3, 2.4, 2.5 - їх розміри Конструкція індуктора повинна мати ви-сокой механічної жорсткістю і міцністю, оскільки Індуктори тор сприймає великі зусилля, особливо при нахилі печі.

Мал. 2.13. Мідні профілі, що застосовуються при виготовленні індукторів