Конструкция и расчет индукционной тигельной печи для выплавки чугуна производительностью 2,5 т/ч

Крышка печи, служащая для уменьшения тепловых потерь излучением, выполняется из конструкционной стали[2] и футеруется изнутри. Открывание крышки осуществляется вручную или с помощью системы рычагов (на малых печах), либо с помощью специального привода (гидро- или электромеханического).

Подина печи, служащая основанием, на которое устанавливают тигель, обычно выполняется из шамотных кирпичей или блоков (для больших печей) или из асбоцементных[3] плит, уложенных одна на другую (для малых печей небольшой ёмкости).

Индуктор печи

Индуктор  является основным элементом печи, предназначенным для создания электромагнитного  поля, индуцирующего ток в загрузке. Кроме своего основного назначения, он также должен выполнять функцию  важного конструктивного элемента, воспринимающего механическую и  тепловую нагрузку со стороны плавильного  тигля и во многом определяющего  надёжность работы печи в целом. На индуктор действуют значительные радиальные электродинамические усилия:

витки подвержены вибрациям, которые могут привести к разрушению изоляции индуктора;

распределяющая в процессе нагрева футеровка тигля создаёт  значительные осевые усилия, стремящиеся  сместить витки индуктора в осевом направлении;

механические  изгибающие усилия, возникающие при  наклоне печи могут также привести к деформации витков индуктора.

Кроме того, охлаждение индуктора  должно обеспечивать отвод тепла, вызываемого  электрическими потерями, а электрическая  изоляция витков индуктора должна исключать  возможность электрического пробоя, приводящего к прожогу трубки индуктора и к возникновению  аварийной ситуации. Таким образом, индуктор ИТП должен обеспечивать:

В общем случае — для индукционной печи любого типа:

минимальные электрические  потери,

требуемый расход охлаждающей  воды,

необходимую механическую прочность  и достаточную жёсткость,

надёжную электроизоляцию витков.

В случае обработки тугоплавких  металлов

Концентрацию электромагнитного  поля в малом объёме

Эти требования удовлетворяются в ИТП следующим  образом. Обычно индуктор представляет собой цилиндрическую однослойную  катушку (соленоид), витки которой  уложены в виде спирали (спиральный индуктор) с постоянным углом наклона, определяемым шагом набивки, или катушку, все витки которой располагаются в горизонтальных плоскостях, а переходы между соседними витками осуществляются короткими наклонными участками, — такой индуктор называют индуктором с транспозицией витков. Достоинство — простота набивки (на барабан, укладывая виток к витку), однако торцевые плоскости витков индуктора при этом не горизонтальны, что затрудняет осевую стяжку индуктора. Изготовление индуктора с транспозицией сложнее, т. к. требуются специальные приспособления для выполнения транспозиции, однако торцы индуктора при этом оказываются лежащими в горизонтальных плоскостях, что облегчает стяжку витков индуктора с помощью торцевых плит, натяжных колец и др. Ввиду больших токовых нагрузок индуктор ИТП практически всегда выполняют с водяным охлаждением. Для обеспечения минимальных электрических потерь в индукторе необходимо соблюдение следующих условий:

материал индуктора должен обладать малым удельным сопротивлением;

материал индуктора должен быть немагнитным;

толщина индуктирующего витка, обращенная к расплаву должна быть не менее 1,57∆.

 

Эти условия  могут быть удовлетворены, если индуктор выполнен из полой медной трубки круглого, прямоугольного равностенного, разностенного или специального сечений. При этом равностенные трубки используются, как правило, для печей повышенной частоты, а разностенные — промышленной частоты. Электроизоляция индуктора должна иметь высокую диэлектрическую прочность, быть пыле- и влагонепроницаемой, противостоять вибрациям и повышенным температурам (≈200—300 °C), быть ремонтоспособной. На практике применяется несколько способов выполнения межвитковой изоляции:

воздушная — промежуток между соседними витками достаточно большой (10—20 мм), чтобы исключить возможность возникновения пробоя. Воздушная изоляция выполняется при сравнительно невысоком напряжении на индукторе, в тех случаях, когда имеется возможность жестко закрепить каждый виток в отдельности (на печах малой емкости);

обмоточная — на предварительно подготовленную поверхность витков наносится слой изоляционного лака, затем витки обматываются лентой с высокой диэлектрической непроницаемостью (например, стекломикалентой). Лента обычно наматывается «в полуперекрышку». Такая изоляция широко применяется;

прокладочная изоляция — в зазоры между витками закладываются прокладки, выполненные, например, из стеклотекстолита. Индуктирующий провод предварительно покрывают изоляционным лаком, а прокладки приклеивают к виткам специальным клеем на эпоксидной основе. Этот вид изоляции используют в печах большой ёмкости;

напыленная изоляция — на индуктирующий провод, то есть на его предварительно подготовленную поверхность (дробеструйная очистка и обезжиривание) газопламенным или плазменным способом наносится тонкий слой окиси алюминия Al2O3 или двуокиси циркония ZrO2, обладающих высокими диэлектрическими свойствами и хорошо сцепляющихся с медным индуктором. Сверху на этот слой обычно наносится слой лака. Этот вид изоляции широко используется в настоящее время;монолитная изоляция с применением полиэфирного композитного состава находит ограниченное применение из-за сложности выполнения ремонта индуктора при местных повреждениях трубки или самой изоляции.

Для обеспечения  жесткости и механической прочности  индуктора применяются следующие  способы крепления его витков:с помощью шпилек, выполняемых обычно из латуни, и припаянных или приваренных к наружной стороне индуктора; каждый его виток крепится к вертикальным изоляционным стойкам, выполненным из текстолита, асбоцемента или твердых пород дерева;с помощью верхнего и нижнего прижимных колец или фланцев все витки индуктора вместе стягиваются в осевом направлении продольными стяжками, а радиальная фиксация витков осуществляется вертикальными рейками, выполненными из изолирующего материала или пакетами магнитопроводов;необходимая жёсткость может быть также обеспечена заливкой его в компаунд.

 

Система водяного охлаждения индуктора предназначена  для отвода активной мощности, теряемой в индукторе (Ри) и мощности тепловых потерь теплопроводностью от расплавленного металла через футеровку тигля (Рт. п.). Условия надёжности работы системы:механических примесей в охлаждающей воде должно быть не более 80 г/м³ и величина карбонатной (временной) жёсткости должна быть 7 г-экв/м³;температура отходящей (нагретой) воды должна быть такой, чтобы предотвратить образование накипи, обычно её принимают равной 35—40 °C, что соответствует температуре стенки индуктора 40—50 °C;температура индуктора не должна быть ниже температуры окружающего воздуха, так как иначе на индукторе будет конденсироваться влага из воздуха, что приведёт к пробою между витками;необходимый напор при входе в индуктор по условиям заводских водопроводных магистралей следует ограничить до 200 кПа. Если по расчёту этот напор превышает предел, то систему водоохлаждения приходится разбивать на секции и все секции охлаждения индуктора присоединять к охлаждающей магистрали параллельно;скорость течения охлаждающей воды должна быть определённой: не менее 0,5 м/с для создания турбулентного движения воды, предотвращающего осаждение на 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 значения.

Каркас индукционной тигельной  печи

 

Каркас (кожух) печи служит конструктивной основой для крепления всех основных элементов печи. При этом к нему предъявляются два основных требования: обеспечение максимальной жёсткости всей конструкции печи в целом и минимальное поглощение мощности элементами каркаса, так как они находятся в магнитном поле рассеяния индуктора. В настоящее время в тигельных печах применяют следующие основные схемы каркаса:

Каркас, имеющий  форму прямоугольного параллелепипеда, рёбра которого выполнены из немагнитного материала (например, из дюралюминиевого  уголка или немагнитной стали), а  грани закрыты асбоцементным  листом. С такими каркасами изготавливают  печи малой ёмкости (менее 0,5 т) и  лабораторные печи. С целью уменьшения нагрева металлических уголков  каркаса, отдельные его металлические  элементы изолируют друг от друга  изоляционными прокладками для исключения в раме каркаса кольцевых токов. Индуктор в таком каркасе обычно прикрепляют к нижней и верхней асбоцементным плитам.

Металлический каркас обычно цилиндрической формы, выполненный  в виде сплошной обмотки из толстого стального листа с вырезами («окнами») для доступа к индуктору или  в виде «беличьей клетки», образованной вертикальными металлическими стойками, приваренными к верхней и нижней опорным стойкам. Между стойками имеется доступ к индуктору. Такие каркасы применяются в основном в печах средней и большой емкости.

Магнитопроводы и экраны индукционной тигельной печи

На практике применяются  три способа уменьшения потерь в  каркасе печи от полей рассеяния:

удаление металлических  элементов каркаса на достаточное  расстояние от индуктора с устранением  замкнутых контуров тока в каркасе;

применение пакетов магнитопроводов, устанавливаемых между индуктором и каркасом, выполненных из листовой электротехнической стали толщиной 0,2; 0,35 или 0,5 мм;

применение магнитных  экранов в виде сравнительно тонких медных или алюминиевых листов, располагающихся  непосредственно у внутренней поверхности  кожуха.

Поскольку металлический  корпус образует замкнутый контур вокруг индуктора, то применение экранов в  этом случае оказывается неизбежным. Как правило, в промышленных печах  используют магнитные экраны (магнитопроводы). Магнитопроводы, кроме своего основного назначения (проведение внешнего магнитного потока внутри каркаса), выполняют функцию конструктивного элемента, обеспечивающего жесткость индуктора и печи в целом. Это достигается благодаря тому, что фиксацию и радиальную стяжку индуктора осуществляют пакетами магнитопроводов, прижимаемых к индуктору специальными нажимными болтами, смонтированными в корпус печи. Усилие нажатия может регулироваться. Фиксация индуктора в осевом направлении может осуществляться с помощью кронштейнов, приваренных к боковым щекам магнитопроводов (к верхним скобам) и шпилек, притягивающих пакеты магнитопроводов к днищу печи. Благодаря такому конструктивному решению, все усилия, возникающие при работе печи, и воспринимаемые индуктором, передаются через магнитопроводы на корпус и днище, что позволяет разгрузить футеровку и повысить её стойкость и надежность печи в целом.

Контактное устройство индукционной тигельной печи

Электрооборудование включает в себя:

печь,

комплект измерительных  приборов с трансформаторами,

генератор повышенной или  высокой частоты,

коммутационную и защитную аппаратуру,

конденсаторную батарею, ёмкость которой можно менять.

 

Электрооборудование и измерительные  приборы в случае повышенной и  высокой частоты должно иметь  специальное исполнение, допускающее  использование специальной аппаратуры в зоне повышенных частот.

 Переключатель  S позволяет изменять в процессе  плавки коэффициент связи индуктора  и садки. Такое изменение необходимо  в связи с тем, что активное  сопротивление шихты различно  в различные моменты процесса. Контакторы К1, К2, К3 позволяют изменять в процессе плавки ёмкость компенсирующей конденсаторной батареи и поддерживать cos.=1 в цепи индуктора. Это приходится делать, потому что во время плавки также изменяется и индуктивное сопротивление садки, так как изменяется магнитная проницаемость, величины вихревых токов и т. д.

Механизм наклона индукционной тигельной печи

Механизм  наклона печи предназначен для слива  металла и является одним из важных узлов конструкции любой тигельной  плавильной печи. Для уменьшения длины  струи металла и для того, чтобы  не перемещать разливочный ковш в  соответствии с перемещением носка  печи (как, например, при эксплуатации дуговых сталеплавильных печей), ось наклона ИТП помещают вблизи носка. Для наклона печей малой  ёмкости (60 и 160 кг) используют тельфер  печного пролёта, предназначенный  для загрузки шихты в тигель. Для  наклона печи крюк тельфера сцепляют с серьгой, укреплённой на каркасе  печи. При вращении барабана тельфера крюк поворачивает печь на требуемый  угол (порядка 95—100°). Основной частью гидравлического механизма наклона  печи являются рабочие цилиндры одностороннего действия, установленные по одному с каждой стороны печи. Плунжеры цилиндров, шарнирно связанные 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. Если печь должна наклоняться в обе стороны (когда она выполняет роль обогреваемого копильника-миксера), гидравлический механизм наклона снабжён двумя парами рабочих цилиндров, каждая из которых наклоняет печь в одну сторону, причём осью поворота печи служат цапфы плунжеров второй пары цилиндров. Гидравлический механизм наклона прост по конструкции, обеспечивает плавный поворот, но для его работы необходимо иметь гидравлическую напорную установку. Недостатком этого механизма наклона следует также считать необходимость довольно значительного пространства под печью для установки гидравлических (рабочих) цилиндров, что в некоторых случаях исключает его применение.

Механизм подъёма и поворота свода

Обычно применяют  простые рычажные или кулачковые механизмы подъёма, позволяющие  легко приподнимать крышку на 1—2 см, после чего её отводят в сторону  поворотом кронштейна, на котором  она висит. Можно поднимать крышку небольшим гидравлическим цилиндром. Наиболее часто таким образом поднимают герметичные крышки вакуумных индукционных печей.

Уровень развития современной техники предъявляет  высокие требования к металлам и  сплавам, удовлетворить которые  могут лишь металлы и сплавы, полученные в процессе электроплавки.

Наибольшее  распространение получили электрические  индукционные печи промышленной частоты. В зависимости от назначения индукционные печи подразделяются на индукционные тигельные – ИЧТ (индукционная чугунная тигельная), тигельные печи-миксеры – ИЧТМ (индукционная чугунная тигельная-миксер) и канальные миксеры– ИЧКМ (индукционная чугунная канальная-миксер). Стоимость индукционных печей и современных вагранок практически одинакова, но срок окупаемости индукционных печей приблизительно в два раза меньше за счет более низкой стоимости шихтовых материалов и самих отливок.