admin / 13.02.2018

Индукционная печь

Принцип работы оборудования

Важно знать особенности действия данного вида печи, чтобы хорошо разбираться в ее работе и параметрах. Работает оборудование за счет того, что с помощью специальных вихревых токов обеспечивается разогрев материала. Получаются такие токи за счет специального индуктора, являющегося катушкой индуктивности. В ней имеется насколько витков провода, обладающего довольно существенной толщиной.

Индуктор может нагреваться за счет сварочного инвертора или другого оборудования. Принцип работы индукционной печи предполагает, что питание индуктора поступает от сети переменного тока, а также для этого может применяться генератор высокой частоты. Ток, протекая по индуктору, формирует переменное поле, пронизывающее пространство. Если в нем имеются какие-либо материалы, то именно на них наводятся токи, обеспечивая их эффективное нагревание.

Если используется печь для создания системы отопления в доме, то обычно в качестве материала выступает вода, которая нагревается. Если же оборудование предназначено для промышленных целей, то в качестве материала может использоваться металл, который под действием тока начинает плавиться. Таким образом, принцип работы индукционной плиты считается простым и понятным, поэтому создать ее своими силами достаточно просто.

Устройство индукционных печей может быть разным, поскольку можно выделить два совершенно разных вида:

  • оборудование, оснащенное магнитопроводом;
  • печи без магнитопровода.

В первом случае индуктор находится внутри специального металла, который под действием токов начинает плавиться. Во втором индуктор располагается снаружи. Схема каждого варианта имеет свои специфические отличия.

Считается, что особенности действия конструкции с магнитопроводом является более эффективным, поскольку этот элемент повышает плотность создаваемого магнитного поля, поэтому нагрев более оперативный и качественный.

Самым популярным примером печи, оснащенной магнитопроводом, является канальная конструкция. Схема данного оборудования состоит из замкнутого магнитопровода, созданного из трансформаторной стали. На этом элементе имеется индуктор, являющийся первичной обмоткой, и тигель, обладающий кольцеобразной формой. Именно в нем находится материал, предназначенный для плавления. Тигель создается из специального диэлектрика, обладающего хорошей устойчивостью к возгоранию. Используются данные конструкции для создания чугуна высокого качества или для плавления цветных металлов.

Разновидности и характеристики различных индукционных печей

Можно выделить несколько видов индукционных печей, принцип действия которых имеет определенные отличия. Некоторые предназначаются только для промышленных работ, а другие могут использоваться в домашних условиях, поэтому часто предназначаются для кухни, где обеспечивают качественный нагрев. Наиболее часто последние варианты формируются из сварочного инвертора, имеют простую конструкцию, за счет чего их обслуживание и ремонт являются простыми работами.

К основным разновидностям индукционных печей относятся:

  • Вакуумная индукционная печь. В ней плавка осуществляется в вакууме, что позволяет удалить из различных смесей вредные и опасные примеси. В результате получаются изделия, которые совершенно безопасны для применения, отличаются высоким качеством. Следует отметить, что их ремонт считается сложной работой, а сам процесс создания, обычно, не может осуществиться своими силами без специализированного оборудования и необычных условий.
  • Канальная конструкция. Она изготавливается с применением обычного сварочного трансформатора, который работает на частоте, равной 50 Гц. Здесь вторичная обмотка данного устройства заменяется тигелем кольцеобразной формы. Видео создания такой печи можно найти в интернете, причем ее схема не считается сложной. Применяться грамотно сформированное оборудование может для плавки большого количества цветных металлов, причем потребление энергии считается небольшим. Ремонт считается специфическим и сложным.
  • Тигельная печь. Схема данной конструкции предполагает установку индуктора и генератора, которые являются самыми основными частями оборудования. Для формирования индуктора может применяться стандартная трубка из меди. Однако должно быть соблюдено необходимое количество витков, которое не должно быть больше 8, но и меньше 10. Схема самого индуктора может быть разной, он может иметь форму восьмерки или другую конфигурацию. Следует отметить, что ремонт данного оборудования считается достаточно простой работой.
  • Индукционная печь для обогрева помещения. Как правило, она предназначается для кухни, создается на основе сварочного инвертора. Обычно данная установка применяется в комбинации с водогрейным котлом, который позволяет обеспечить отопление каждого помещения в строении, кроме того, можно будет подвести горячее водоснабжение к сооружению. Принцип работы заключается в том, что индуктор получает питание от сварочного инвертора. Считается, что эффективность данного оборудования является невысокой, однако нередко только оно является единственно возможным для создания отопления в доме.

Процесс формирования печи

Сделать для кухни или другого помещения в доме индукционную печь на основе инвертора можно своими усилиями. Для этого рекомендуется не только изучить теоретическую часть данного процесса, но и просмотреть обучающее видео.

Чтобы сформировать электромагнитное поле, которое будет иметься снаружи индуктора, необходимо применять специальную катушку, в которой будет достаточно большое количество витков. Дополнительно потребуется сгибать трубу, а данная работа обладает определенными сложностями, поэтому более рациональным решением в этом случае будет расположение прямой трубы непосредственно внутри катушки, в результате чего она будет работать в качестве сердечника.

Как правило, используется металлическая труба, однако она считается слабым теплоносителем, поэтому вместо нее может применяться полимерная труба, внутри которой будут находиться небольшие отрезки проволоки из металла. Для генератора тока оптимальным считается применение стандартного инвертора. Его обслуживание и ремонт считаются простыми и понятными работами, поэтому можно будет обеспечить долгий срок службы оборудования.

Таким образом, для создания конструкции потребуется:

  • полимерная труба;
  • стальная проволока;
  • медный провод;
  • сетка из проволоки;
  • наличие самого инвертора.

Катанка из стали разрезается на мелкие части. Один торец трубы из полимеров закрывается сеткой, а в другой загружаются металлические отрезки проволоки. Второй торец также закрывается сеткой. Сверху трубы создается индукционная обмотка, для чего используется медный провод. Концы данной обмотки хорошо изолируются и подводятся к выходу инвертора. Как только аппарат включается, создается от катушки электромагнитное поле, что обеспечивает появление вихревых токов в сердечнике. Это приведет к его нагреванию, поэтому и вода, протекающая по трубе, начнет греться. Таким образом, получается идеальная конструкция для кухни или другого помещения, причем ее обслуживание и ремонт считаются простыми.

Лучше всего перед работами просмотреть обучающее видео, чтобы не совершить ошибок. После создания оборудования, можно установить его в нужном помещении. Оно может предназначаться не только для топочной, но даже и для кухни. Важно выбрать такое помещение, в котором можно будет легко ухаживать за печкой и осуществлять ее ремонт.

Особенности создания оборудования

Индукционная печь, созданная на основе инвертора, не обладает какими-либо параметрами, которые позволяли бы людям устанавливать нужную температуру воды. Поэтому можно говорить о том, что данное оборудование не является совершенно безопасным для постоянного использования. Поэтому лучше всего во время процесса формирования индукционной печи предусматривать установку автоматики и устройства контроля. В этом случае можно не только повысить безопасность устройства, но и упростить его использование, а ремонт будет требоваться очень редко.

Для этих целей на выходе из трубы необходимо смонтировать специальную группу безопасности, к которой причисляется предохранительный клапан, манометр и воздухоотводчик.

Чтобы во время использования оборудования не возникало перегрева, необходимо выполнить установку элемента аварийного отключения, которым можно управлять с помощью термостата. Может быть установлен терморегулятор, оснащенный датчиком температуры. Можно смонтировать реле, которое обеспечивает размыкание цепи в том случае, если температура теплоносителя достигает определенного уровня.

Таким образом, существует несколько разновидностей индукционных печей, отличающихся принципом работы, внешним видом, конструкцией и параметрами. Для обогрева дома можно даже своими силами сформировать конструкцию, для чего может применяться стандартный сварочный инвертор. Полученная установка при добавлении многочисленных дополнительных элементов будет безопасной, надежной и качественной, а также эффективной и простой в использовании.

Принцип работы

Такое печное устройство является электрическим трансформатором со вторичной короткозамкнутой обмоткой. Принцип действия индукционной печи состоит в следующем:

  • при помощи генератора в индукторе создается переменный ток;
  • индуктор с конденсатором создает колебательный контур, он настроен на рабочую частоту;
  • в случае использования автоколебательного генератора, конденсатор исключается из схемы устройства и в этом случае используется собственный запас емкости индуктора;
  • создаваемое индуктором магнитное поле может существовать в свободном пространстве или же замыкаться с использованием индивидуального ферромагнитного сердечника;
  • магнитное поле воздействует на находящуюся в индукторе металлическую заготовку или шихту и образует магнитный поток;
  • по уравнениям Максвелла он индуцирует в заготовке вторичный ток;
  • при цельном и массивном магнитном потоке создаваемый ток замыкается в заготовке и происходит создание тока Фуко или вихревого тока;
  • после образования такого тока вступает в действие закон Джоуля-Ленца, и полученная с помощью индуктора и магнитного поля энергия нагревает заготовку металла или шихту.

Несмотря на многоступенчатую работу, устройство индукционной печи может давать в вакууме или воздухе до 100% КПД. Если среда с магнитной проницаемостью, то этот показатель будет расти, в случае со средой из неидеального диэлектрика, он будет падать.

Устройство

Рассматриваемая печь – своеобразный трансформатор, но только в нем нет вторичной обмотки, ее заменяет помещенный в индуктор металлический образец. Он будет проводить ток, а вот диэлектрики в этом процессе не нагреваются, они остаются холодными.

Конструкция индукционных тигельных печей включает в себя индуктор, который состоит из нескольких витков медной трубки, свернутой в виде катушки, внутри нее постоянно передвигается охлаждающая жидкость. Также индуктор вмещает в себе тигель, который может быть из графита, стали и других материалов.

Кроме индуктора в печи установлен магнитный сердечник и подовый камень, все это заключено в корпус печи. В него входят:

  • кожух индукционной единицы;
  • кожух ванной;
  • каркас.

В моделях печей большой мощности кожух ванны обычно выполняется достаточно жестким, поэтому каркас в таком устройстве отсутствует. Крепление корпуса должно выдерживать сильные нагрузки при наклоне всей печи. Каркас чаще всего изготавливается из фасонных балок, выполненных из стали.

Тигельная индукционная печь для плавки металла устанавливается на фундамент, в который вмонтированы опоры, на их подшипники опираются цапфы механизма наклона устройства.

Кожух ванны выполняется из металлических листов, на которые для прочности наваривают ребра жесткости.

Кожух для индукционной единицы используется в качестве соединительного звена между печным трансформатором и подовым камнем. Его для уменьшения потерь тока делают из двух половинок, между которыми предусмотрена изолирующая прокладка.

Стяжка половинок происходит за счет болтов, шайб и втулок. Такой кожух делается литым или сварным, при выборе материала для него отдают предпочтение немагнитным сплавам. Двухкамерная индукционная сталеплавильная печь идет с общим кожухом для ванны и для индукционной единицы.

В небольших печах, в которых не предусмотрено водяного охлаждения имеется вентиляционная установка, она помогает отводить из агрегата излишки тепла. Даже вы случае установки водоохлаждаемого индуктора необходимо вентилировать проем, возле подового камня, чтобы он не перегревался.

В современных печных установках имеется не только водоохлаждаемый индуктор, но и предусмотрено водяное охлаждение кожухов. На каркасе печи могут быть установлены вентиляторы, работающие от приводного двигателя. При значительной массе такого устройства, вентиляционный прибор устанавливают возле печи. Если индукционная печь для производства стали идет со съемным вариантом индукционных единиц, то для каждой из них предусматривается свой вентилятор.

Отдельно стоит отметить механизм наклона, который для малых печей идет с ручным приводом, а для крупных он оснащен гидравлическим приводом, расположенным у сливного носика. Какой бы ни был установлен механизм наклона, он обязан обеспечивать слив полностью всего содержимого ванной.

Расчет мощности

Так как индукционный способ плавки стали менее затратный, чем аналогичных методик, основанных на использовании мазута, угля и других энергоносителей, то расчет индукционной печи начинается с вычисления мощности агрегата.

Мощность индукционной печи подразделяется на активную и полезную, для каждой из них есть своя формула.

В качестве исходных данных нужно знать:

  • емкость печи, в рассматриваемом для примера случае она равна 8 тоннам;
  • мощность агрегата (берется максимальное ее значение) – 1300 кВт;
  • частота тока – 50 Гц;
  • производительность печной установки – 6 тонн в час.

Требуется также учитывать расплавляемый металл или сплав: по условию он цинковый. Это важный момент, тепловой баланс плавки чугуна в индукционной печи, также как и других сплавов свой.

Полезная мощность, которая передается жидкому металлу:

  • Рпол = Wтеор×t×П,
  • Wтеор – удельный расход энергии, он теоретический, и показывает перегрев металла на 10С;
  • П – производительность печной установки, т/ч;
  • t — температура перегрева сплава или металлической заготовки в ванной печи, 0С
  • Рпол = 0,298×800×5,5 = 1430,4 кВт.

Активная мощность:

  • Р = Рпол/Ютерм,
  • Рпол – берется с предыдущей формулы, кВт;
  • Ютерм – КПД литейной печи, его пределы от 0,7 до 0,85, в среднем принимают 0,76.
  • Р =1311,2/0,76=1892,1кВт, проводится округление значения до 1900 кВт.

На заключительном этапе рассчитывается мощность индуктора:

  • Ринд = Р/N,
  • Р – активная мощность печной установки, кВт;
  • N – количество индукторов, предусмотренных на печи.
  • Ринд =1900/2= 950 кВт.

Потребление мощности индукционной печью при плавке стали зависит от ее производительности и вида индуктора.

Виды и подвиды

Индукционные печи делятся на два основных вида:

  1. Канальный. В нем вторичным витком служит кольцевой короткозамкнутый канал, в который помещается металл. В качестве источника энергии для процесса плавки используется генератор либо переменный ток промышленной частоты. Высокое КПД таких печей обусловлено передачей высокочастотного поля через ферритовый или стальной сердечник. Плавка стали в индукционных печах такого типа отличается непрерывной подачей металлических заготовок и получением расплавленного металла. Единственным недостатком канального агрегата является сложность запуска его работы, так как предварительно необходимо заполнить канал расплавом.
  2. Тигельный. В таких печах источником энергии является генератор, который может работать в диапазоне от нескольких десятков до сотен кГц. Металлические заготовки в этом виде печи помещаются в ее термостойкий тигель, который располагается в обмотке индуктора. Как только расплав достигнет нужной температуры, тигель освобождают и заправляют следующей партией сырья. Такое печное устройство отличается высокой скоростью нагрева металла, так как в тигле очень малы потери тепла.

Кроме такого разделения, индукционные печи бывают компрессорными, вакуумными, открытыми и газонаполненными.

Индукционные печи своими руками

Среди имеющихся распространенных методик создания таких агрегатов можно найти пошаговое руководство, как сделать индукционную печь из сварочного инвертора, с нихромовой спиралью или графитовыми щетками, приведем их особенности.

Агрегат из высокочастотного генератора

Она выполняется с учетом расчетной мощности агрегата, вихревых потерь и утечек на гистерезисе. Питание конструкции будет идти от обычной сети в 220 В, но с использованием выпрямителя. Такой вид печи может идти с графитовыми щетками или нихромовой спиралью.

Для создания печи потребуется:

  • два диода UF4007;
  • пленочные конденсаторы;
  • полевые транзисторы в количестве двух штук;
  • резистор в 470 Ом;
  • два дроссельных кольца, их можно снять со старого компьютерного системщика;
  • медный провод Ø сечения 2 мм.

В качестве инструмента используется паяльник и плоскогубцы.

Приведем схему для индукционной печи:

Индукционные портативные плавильные печи такого плана создаются в следующей последовательности:

  1. Транзисторы располагаются на радиаторах. Из-за того, что в процессе плавки металла схема устройства быстро греется, радиатор для нее нужно подбирать с большими параметрами. Допустимо устанавливать несколько транзисторов на один генератор, но в этом случае их нужно изолировать от металла при помощи прокладок, сделанных из пластика и резины.
  2. Изготавливаются два дросселя. Для них берутся два заранее снятые с компьютера кольца, вокруг них обматывают медную проволоку, количество витков ограничено от 7 до 15.
  3. Конденсаторы объединяются между собой в батарею, чтобы на выходе получилась емкость в 4,7 мкФ, их соединение проводится параллельно.
  4. Вокруг индуктора обвивается медная проволока, ее диаметр должен быть 2 мм. Внутренний диаметр обмотки должен совпадать с размером используемого для печи тигля. Всего делают 7-8 витков и оставляют длинные концы, чтобы их можно было подключить к схеме.
  5. В качестве источника к собранной схеме подсоединяется аккумулятор мощностью 12 В, его хватает примерно на 40 минут работы печи.

Если необходимо, то делается корпус из материала с высокой термоустойчивостью . Если же выполняется индукционная плавильная печь из сварочного инвертора, то защитный корпус должен быть обязательно, но его нужно заземлить.

Конструкция с графитовыми щетками

Такая печь используется для выплавки любого металла и сплавов.

Для создания устройства необходимо заготовить:

  • графитовые щетки;
  • порошковый гранит;
  • трансформатор;
  • шамотный кирпич;
  • стальная проволока;
  • тонкий алюминий.

Технология сборки конструкции заключается в следующем:

  1. Выполняется основа – в виде бокса, который изготавливается из шамотного кирпича, его кладут на огнеупорную плитку.
  2. Сверху бокса укладывается лист асбестокартона, если ему нужно придать определенную форму, его поверхность нужно смочить водой. Чтобы конструкцию сделать жесткой, нужно обмотать ее проволокой. Размеры бокса зависят от мощности трансформатора. Лучше всего использовать его из сварочного аппарата. Если он большой мощности, то его следует перемотать.
  3. Во избежание перегрева трансформатора его обматывают тонким алюминием.
  4. На дне кирпичного бокса располагается глиняная подложка, чтобы расплавленный металл не растекался.
  5. Устанавливаются графитовые щетки.

Прибор с нихромовой спиралью

Такой прибор используется для выплавки больших объемов металла.

В качестве расходных материалов для обустройства самодельной печи используется:

  • нихром;
  • асбестовая нить;
  • кусок керамической трубы.

После подключения всех составляющих печи по схеме, ее работа состоит в следующем: после подачи электрического тока на нихромовую спираль, она передает тепло металлу и плавит его.

Создание такой печи проводится в следующей последовательности:

  1. Навивание спирали, для нее используется проволока диаметром 0,3 мм, длина заготовки должна быть около 11 метров.
  2. Проволока наматывается вокруг длинной трубки, ее диаметр – 5 мм.
  3. Кусок трубы из керамики выступает в качестве тигля, его подрезают до нужного размера, примерно на 15 см. В один его конец вставляется асбестовая нить, чтобы расплавленный металл не растекался.
  4. Укладка спирали вокруг трубы. Между ее витками укладывается асбестовая нить, она ограничит доступ кислорода и тем самым не допустит замыкания в печи.
  5. В таком виде катушка помещается в лампу высокой мощности, в ней имеется патрон нужного диаметра, который чаще всего изготовлен из керамики.

Такая конструкция отличается высокой производительностью, она долго остывает и быстро нагревается. Но необходимо учесть, что если спираль будет плохо изолирована, то она быстро перегорит.

Цены на готовые индукционные печи

Самодельные конструкции печей будут стоить гораздо дешевле покупных, но их нельзя создать большими объемами, поэтому без готовых вариантов для массового производства расплава не обойтись.

Цены на индукционные печи для плавки металла зависят от их вместимости и комплектации.

Модель Характеристики и особенности Цена, рубли
INDUTHERM MU-200 Печь поддерживает 16 температурных программ, максимальная температура нагрева – 1400 0С, контроль за режимом осуществляется с термопарой типа S. Агрегат производит мощность 3,5 кВт. 820 тыс.
INDUTHERM MU-900 Печь работает от электропитания в 380 Вт, температурный контроль происходит с помощью термопары типа S и может доходить до 1500 0С. Мощность – 15 кВт. 1,7 млн.
УПИ-60-2

Эта индукционная плавильная мини-печь может использоваться для плавки цветных и драгоценных металлов. Заготовки загружаются в графитовый тигель, их нагрев ведется по принципу трансформатора. 125 тыс.
ИСТ-1/0,8 М5 Индуктор печи представляет собой корзину, в которую встроен магнитопровод совместно с катушкой. Агрегат 1 тонну. 1,7 млн.
УИ-25П Печное устройство рассчитано на загрузку в 20 кг, он оснащен редукторным наклоном плавильного узла. В комплекте к печи идет блок конденсаторных батарей. Мощность установки – 25 кВт. Максимальная t нагрева – 1600 0С. 470 тыс.
УИ-0,50Т-400 Агрегат рассчитан на загрузку в 500 кг, самая большая мощность установки – 525 кВт, напряжение для него должно быть не ниже 380Вт, максимальная рабочая t – 1850 0С. 900 тыс.
ST 10 Печь итальянской компании оснащена цифровым термостатом, в панель управления встроена технология SMD, которая отличается быстродействием. Универсальный агрегат может работать с разной вместительностью от 1 до 3 кг, для этого ее не нужно переналаживать. Она предназначена для драгоценных металлов, ее max температура – 1250 0С. 1 млн.
ST 12 Статическая индукционная печь с цифровым термостатом. Она может быть дополнена вакуумной литьевой камерой, что дает возможность производить литье прямо рядом с установкой. Управление происходит с помощью сенсорной панели. Максимальная температура – 1250 0С. 1050 тыс.
ИЧТ-10ТН Печь рассчитана на загрузку в 10 тонн, довольно объемный агрегат, для его установки нужно выделить закрытое цеховое помещение. 8,9 млн.

Индукционная тигельная печь

Индукционный нагрев — нагрев тел в электромагнитном поле за счёт теплового действия вихревых электрических токов, протекающего по нагреваемому телу и возбуждаемого в нём благодаря явлению электромагнитной индукции. При этом ток в нагреваемом изделии называют индуцированным или наведённым током. Индукционными установками называют электротермические устройства, предназначенные для индукционного нагрева тел или плавки тех или иных материалов. Индукционная печь — часть индукционной установки, включающая в себя индуктор, каркас, камеру для нагрева или плавки, вакуумную систему, механизмы наклона печи или перемещения нагреваемых изделий в пространстве и др. Индукционная тигельная печь (ИТП), которую иначе называют индукционной печью без сердечника, представляет собой плавильный тигель, обычно цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещённый в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока. Металлическая шихта загружается в тигель, и, поглощая электромагнитную энергию, плавится.

Достоинства и недостатки

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, отходов, выравнивание температуры по объёму ванны и отсутствие местных перегревов, гарантирующая получение многокомпонентных сплавов, однородных по химическому составу;
  3. Принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы (окислительной, восстановительной или нейтральной) при любом давлении;
  4. Высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности, особенно на средних частотах;
  5. Возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса футеровки печи, что создаёт условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулируемого футеровкой. Печи этого типа 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 регулировки процесса плавки, широкие возможности для механизации и автоматизации процесса;
  7. Высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение воздуха.

К недостаткам тигельных печей относятся относительно низкая температура шлаков, наводимых на зеркало расплава с целью его технологической обработки. Шлак в ИТП разогревается от металла, поэтому его температура всегда ниже, а также сравнительно низкая стойкость футеровки при высоких температурах расплава и наличие теплосмен (резких колебаний температуры футеровки при полном сливе металла). Однако преимущества ИТП перед другими плавильными агрегатами значительны, и они нашли широкое применение в самых разных отраслях промышленности.

В зависимости от того, идёт ли процесс плавки на воздухе или в защитной атмосфере, различают печи:

  • открытые (плавка на воздухе),
  • вакуумные (плавка в вакууме),
  • компрессорные (плавка под избыточным давлением).

По организации процесса во времени:

  • периодического действия
  • полунепрерывного действия
  • непрерывного действия

По конструкции плавильного тигля:

  • с керамическим (футерованным) тиглем,
  • с проводящим металлическим тиглем,
  • с проводящим графитовым тиглем,
  • с холодным (водоохлаждаемым) металлическим тиглем.

Конструкция индукционной тигельной печи

1 — расплавленный металл
2 — водоохлаждаемый индуктор
3 — прокатнные хомуты
4 — тигель

Конструкция тигельной печи состоит из плавильного тигля со сливным носком, так называемым «воротником», подины, крышки и слоя тепловой изоляции. Плавильный тигель является одним из самых ответственных узлов печи, в значительной степени определяющим её эксплуатационную надежность. Поэтому к тиглю и к используемым футеровочным материалам предъявляются следующие требования:

  • материал тигля должен быть «прозрачен» для электромагнитного поля, нагревающего металл. В противном случае нагреваться будет не расплавляемый металл, а тигель;
  • огнеупорные материалы должны обладать высокой теплостойкостью и огнеупорностью, а также химической стойкостью по отношению к расплавленному металлу и шлаку при рабочих температурах;
  • материал тигля должен сохранять изоляционные свойства (то есть иметь минимальную электропроводность) во всем диапазоне температур (1600—1700 °C для черных металлов);
  • тигель должен иметь минимальную толщину стенки для получения высокого значения электрического коэффициента полезного действия;
  • тигель должен быть механически прочным в условиях воздействия высоких температур, большого металлостатического воздействия, значительных механических усилий, возникающих при наклонах печи, ударных нагрузках, возникающих при загрузке и осаждении шихты и чистке тигля;
  • материал тигля должен иметь малый коэффициент линейного (объемного) расширения для исключения возникновения трещин в тигле в условиях высокого значения градиента температур в стенке (до 30 тыс. °C/м) и для снижения термических напряжений в тигле;
  • технология конструкции и изготовления футеровки и тепловой изоляции печи должны обеспечивать условия для осуществления в течение всей кампании печи неспекшегося (буферного) наружного слоя, прилегающего к индуктору, и исключающего образование сквозных трещин и проникновение расплава к виткам индуктора.

В настоящее время в практике изготовления ИТП используют следующие методы:

  1. Набивку по шаблону непосредственно в печи, когда сваренный из листовой стали шаблон по форме внутренней поверхности тигля устанавливают на подине точно на оси печи, порошкообразные огнеупорные массы засыпают в зазор между индуктором и шаблоном, и послойно трамбуют пневматической или электрической трамбовкой.
  2. Изготовление футеровки внепечным методом: тигли прессуют, трамбуют или формуют в специальных разборных пресс-формах, затем тигли устанавливают в индуктор печи и засыпают боковое пространство порошкообразным огнеупорным материалом, что предупреждает прорыв жидкого металла к индуктору через сквозные трещины, которые могут образоваться в предварительно обожженных тиглях. Смену футеровки при таком методе можно осуществить быстрее, что сокращает время простоя печи.
  3. Выполнение футеровки из фасонных огнеупорных изделий. Толщина изделий (кольца, блоки, секционные шпунтовые изделия, стандартные кирпичи клиновидной формы) должна быть такой, чтобы при кладке не образовалось пространство (кольцевой зазор) размером 25—30 мм между наружной стенкой кладки и витками индуктора для создания буферного слоя из порошкообразных материалов.
  4. Прослойную наварку футеровки путём торкретирования или плазменным напылением контактных рабочих слоев на изготовленную любым методом футеровку. Метод напыления позволяет выполнить химически чистую и высокоогнеупорную контактную поверхность футеровки, в соответствии с требованиями к выплавляемым сплавам.

Для ИТП применяют кислую, основную и нейтральную футеровку, состав которых очень разнообразен. Это позволяет для данного технологического процесса плавки подобрать соответствующие футеровочные материалы, рецептуру огнеупорных масс и технологию изготовления в соответствии с ранее перечисленными требованиями. Кислую футеровку изготовляют из кремнезёмистых огнеупорных материалов (кварцевого песка, кварцита, молотого динасового кирпича) с содержанием окиси кремния не менее 93—98 %. В качестве связующего (упрочняющего) материала применяют сульфитно-целлюлозный экстракт, а в качестве минерализатора добавляют 1—1,5 % раствор борной кислоты. Зерновой состав огнеупорной массы: 5% зёрен 3—2 мм, 50 % зёрен 2—0,5 мм, 45 % зёрен < 0,5 мм. Кислая футеровка выдерживает 80-100 плавок. Основную футеровку изготовляют из магнезитовых огнеупоров в предварительно спечённом или сплавленном состоянии, то есть обладающих наибольшим постоянством объёма. Для уменьшения усадки при высоких температурах (1500—1600 °C) и обеспечения некоторого роста при средних (1150—1400 °C), что предотвращает образование усадочных трещин, применяют такие минерализаторы, как храновая руда, кварцевых песок или кварциты. В качестве связующих используют глину (до 3 % от массы магнезита) с увлажнением её водным раствором жидкого стекла или патоки (до 12 %). Лучшей огнеупорной массой по зерновому составу считают: 50% зёрен 6—0,5 мм, 15 % зёрен 0,5—0,18 мм, 35 % зёрен < 0,18 мм. Данные о продолжительности службы основной футеровки крайне противоречивые и колеблются для тиглей разной ёмкости. Следует отметить, что стойкость основной футеровки ниже стойкости кислой, причём существует ещё и недостаток: образование трещин. Нейтральная футеровка характеризуется большим содержанием амфотерных окислов (Al2O3, ZnO2, Cr2O3). Она во многих случаях обладает более высокими огнеупорными характеристиками, чем кислая или основная, и даёт возможность выплавлять в ИТП жаропрочные сплавы и тугоплавкие металлы. В настоящее время нейтральную футеровку изготовляют из магнезитохромитовых огнеупоров, электрокорунда, диоксида циркония и циркона (ортосиликат циркония ZrSiO4). Возможно также изготовление тиглей нейтрального состава из некоторых тугоплавких соединений (нитридов, карбидов, силицидов, боридов, сульфидов), которые могут быть перспективными для плавки небольших количеств химически чистых тугоплавких металлов в вакууме и в восстановительных или нейтральных средах. Плавку в тиглях большой ёмкости, которая бы оправдала применение таких дорогостоящих футеровочных материалов, пока не применяют.

Крышка печи, служащая для уменьшения тепловых потерь излучением, выполняется из конструкционной стали 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 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:

  1. 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 ёмкости);
  2. 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;
  3. 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;
  4. 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 диоксида 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;
  5. 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:

  1. механических примесей в охлаждающей воде должно быть не более 80 г/м³ и величина карбонатной (временной) жёсткости должна быть 7 г-экв/м³;
  2. 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;
  3. 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;
  4. 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;
  5. 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:

  1. 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.
  2. 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 ёмкости.

Магнитопроводы и экраны индукционной тигельной печи

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

  1. удаление металлических элементов каркаса на достаточное расстояние от индуктора с устранением замкнутых контуров тока в каркасе;
  2. применение пакетов магнитопроводов, устанавливаемых между индуктором и каркасом, выполненных из листовой электротехнической стали толщиной 0,2; 0,35 или 0,5 мм;
  3. 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.

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.

Ссылки

  • Туманов И. М., Голиков В. А., Корженков М. Г., Слепченков М. Н. Схема электроснабжения тигельной печи
Общие понятия: Чёрные металлы • Сплав
Металлургический комбинат • Металлургический комплекс • История производства и использования железа
Основные
процессы
Подготовка руд и материалов к плавке
Производство чугуна
Производство стали
Обработка металлов давлением Прокатка • Прессование • Волочение • Ковка • Штамповка • Протяжка
Общие и смежные процессы
Основные
агрегаты
Подготовка руд и материалов к плавке
Плавильные
Литейные МНЛЗ • Изложница
Обработка металлов давлением Прокатный стан • Блюминг • Слябинг • Пресс • Волока • Штамп
Вспомогательные
Основные продукты
и материалы
Сырьё и полуфабрикаты
Продукты Чугун • Сталь • Слиток • Гранулированный шлак • Шлак • Окалина

Сегодня промышленная деятельность активно процветает, т. к. появляются новые проекты, требующие качественной обработки сырья или драгоценных металлов. Изначально, металлургические предприятия в сутки перерабатывали около 10-100 кг. сырья, но сейчас требуется увеличить нормативы до 25 т., поэтому предприятия регулярно приобретают усовершенствованное оборудование, воздействующее на объекты высокими температурами. Рассмотрим, что представляют собой тигельные индукционные печи и для чего их применяют.

Что такое тигельная печь

Тигельная печь для алюминия – устройство, предназначенное для термической обработки металлов, включая драгоценные. Во время работы тигель, представляющий собой жаростойкую конструкцию (до 1600˚) раскаляет и плавит металлы, помещённые внутрь печи при помощи специальных ТЭНов.

Преимущества использования тигельных плавильных печей:

  • Выделяют энергию без промежуточных ТЭНов.
  • Равномерно разогревают камеру, благодаря чему получают однородные многокомпонентные сплавы.
  • По необходимости позволяют создать внутри камеры нейтральную, окислительную либо восстановительную среду, независимо от давления.
  • Позволяют полностью слить металлический сплав из конструкции.
  • Хорошо подходят для переработки сырья с перерывами между плавками. По необходимости, специалисты могут выполнять следующую плавку, используя другие металлы.
  • Они оснащены защитными механизмами и панелью контроля, имеют экранирование.
  • Практически не загрязняют окружающую среду во время плавки.

Минусом стационарной электрической тигельной печи является низкая степень разогревания шлаков, применяемых для наведения на перерабатываемое сырьё для его расплавки. Также от резких температурных колебаний, например от полного слива раскалённых металлов может повредиться футеровка. Однако сравнительно с количеством преимуществ, имеющихся у тигельной печи, она является востребованной.

Независимо от того, где происходит процесс плавки металлов (в защитной атмосфере или на улице) существуют такие тигельные печи:

  • Компрессорные, работающие под избыточным давлением.
  • Воздушные (открытые).
  • Вакуумные.

Каждая из этих печей обладает различной организацией плавления. По продолжительности работы тигельные печи бывают: непрерывного, периодического или полунепрерывного действия.

По конструкции тигля:

  • Керамический.
  • Водоохладительный металлизированный.
  • Проводящий металлизированный.
  • Проводящий графитовый.

Неотъемлемой частью тигельной печи для плавки является футеровка, состоящая из тигля и воротника, тепловой изоляции, крышки и подины.

Индукционная печь

Основным элементом такой печи является индуктор, создающий электромагнитное поле, индуцирующий ток. Дополнительно он воспринимает нагрузку теплового и механического характера, определяющего качество функциональности индукционной печи для плавки меди.

Принцип работы промышленной индукционной печи

Суть работы индукционной печи заключается в обмене энергией. Внешне индуктор похож на трубу, изготовленную из меди и закрученную проволокой в катушку. Когда на получившийся элемент поступает переменный ток, то вокруг него образовывается магнитное поле, под воздействием которого возникает электрополе, накаляющее камеру печи.

Для полноценной работы такой печи требуется хорошее электронапряжение, а именно ток высокой частоты. Этот фактор влияет на качество выработки тепла устройством.

Самым востребованным видом индукционных тигельных печей, является вакуумная индукционная тигельная печь. Она выполняет поставленную задачу при помощи создания вакуума внутри камеры, в результате чего готовый сплав получается без излишних газов.

Принцип работы вакуумной индукционной тигельной печи:

  • Перерабатываемое сырьё кладут внутрь тигельной камеры, в которую встроен кожух, закрывающийся крышкой с тигелем и индуктором.
  • Включаются ТЭНы и начинают увеличивать температуру внутри камеры, примерно на 10-30˚ в минуту.
  • Во время работы устройства оператор наблюдает за процессом плавки при помощи экранирования (специального окошка, позволяющего видеть происходящее внутри камеры).
  • Когда металл переходит в жидкую форму, кожух наклоняют и получившееся сырьё направляется в патрубок с помещённой внутрь изложницей.

Вакуумное пространство необходимое для получения чистого сплава вырабатывается, благодаря масляному вакуумному насосу. При качественной работе этого устройства, можно добиться внутрикамерного давления – 10 Па.

Применение индукционных печей

Как было сказано ранее, плавка латуни или др. металла в индукционных печах требуется в основном промышленности, металлургии и лабораториях. Тогда опытные специалисты подвергают переработке шлаки, металлы, иногда даже газы, путём бесконтактной тепловой передачи.

FILED UNDER : Справочник

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*