Индукционная печь

Индукционные печи – это установки, в которых применяется индукционный нагрев для плавки металлов(или других материалов). Индукционные печи используются не только на огромных заводах, но и на маленьких заводах.

 Индукционные печи, применяемые в промышленности это:

 - тигельная индукционная печь;

 - канальная индукционная печь.

Тигельная индукционная печь состоит из индуктора и самого тигля. Тигель производится из огнеупорных, керамических материалов, для плавки цветных металлов используют графитовые тигли, а для легкоплавких металлов использую стальные или чугунные тигли. В таких индукционных печах выплавляют драгоценные металлы, сталь, чугун, алюминий и др. Емкость индукционной печи зависит от емкости тигля. Тигель может быть не большим, с емкостью от нескольких килограммов, а так же может достигать объема в несколько сотен тонн.

 Основное назначение канальных индукционных печейсостоит в том, чтобы осуществлять процесс плавки цветных металлов, например, цинк, алюминий, бронза и т.д. Канальная индукционная печь предпочтительней используется при выплавке металлов, к которым предъявляются высокие требования. Канальная индукционная печь включают в свою конфигурацию футерованные ванны и индукционные единицы, которые находятся под ванной. В футерованных ваннах содержится почти вся масса расплавленного металла.

Основными достоинствами канальных индукционных печей считаются:

1. минимальное окисление и испарение металлов;

 2. низкий расход энергии на расплавление, перегрев и выдержку металлов;

 3. высокий тепловой коэффициент полезного действия печи.

Недостатки канальных индукционных печей:

1. необходимо постоянно поддерживать в печи большое количество расплавленного металла;

 2. шлак, находящийся на поверхности ванны, имеет низкую температуру;

 3. тяжелые условия футеровки канала.

Выплавка стали в индукционных печах

 Выплавку стали в индукционных печах применяют в черной металлургии значительно реже, чем в дуговых, и используют обычно печи без железного сердечника, состоящие из индуктора в виде катушки (из медной трубки, охлаждаемой водой), которая служит первичной обмоткой, окружающей огнеупорный тигель, куда загружают плавящийся металл. При пропускании тока через индуктор в металле, находящемся в тигле, индуктируются мощные вихревые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла. Шихтовые материалы загружают сверху. Для выпуска плавки печи наклоняют в сторону сливного желоба.  Так как в индукционных печах теплота возникает в металле, шлак в них нагревается только через металл. Вместимость современных индукционных печей достигает в отдельных случаях 15 т.

Плавку проводят методом переплава, используя отходы соответствующих легированных сталей или чистый по сере и фосфору углеродистый скрап и ферросплавы. В конце периода плавления на металл загружают флюс, необходимый для образования шлакового покрова. В кислых печах в качестве флюса используют бой стекла и другие материалы, богатые SiO2. В основных печах применяют известь и плавиковый шпат. Шлаковый покров защищает металл от окисления и насыщения газами атмосферы, уменьшает потери тепла.

Крупные печи могут работать на переменном токе с промышленной частотой 50 периодов; для более мелких необходимы генераторы, работающие на частоте 500—2500 периодов в секунду. Выплавка стали из чугуна в индукционных печах распространения не получила, так как окисление и рафинирование с помощью шлака в них почти невозможно. Эти печи с успехом используют для переплавки чистых легированных сталей, так как высокая температура, возможность работы в вакууме и отсутствие науглероживания металла электродами дают возможность получить в них стали с малым содержанием углерода и различные сложные сплавы, к которым предъявляются повышенные требования.

 Индукционная печь плавильная  ИСТ

Кратное описание

Индукционная печь ИСТ применяется в литейном производстве для открытой плавки чёрных и цветных металлов. Печи ИСТ обеспечивают малый угар металла, равномерный состав и температуру расплава во всём объёме тигля, ведение плавки в любом заданном температурном режиме, высокую производительность. Система управления автоматически поддерживает выбранный оператором режим плавки.

В индукционных печах происходит перемешивание расплава за счёт электродинамических сил, вызванных взаимодействием токов индуктора и садки печи. Благодаря этому при индукционной плавке расплав имеет равномерную температуру и состав по всему объёму печи. Подвод электроэнергии к печи произведён массивными медными шинами. Этим обеспечиваются малые потери при передаче электроэнергии к индуктору печи.

Слив металла производится подъёмом и переворотом печи относительно точки слива. Подъём печи производится гидравлической системой или тельфером.

Преимущества

1. Автоподстройка при изменении электрических параметров печи в процессе плавки;
2. Возможность плавки черных и цветных металлов без перенастройки оборудования;
3. Эффективная быстродействующая защита;
4. Контроль состояния футеровки;
5. Бетонированный под;
6. Низкие потери в шинопроводах.

Технические характиристики

Ёмкость тигля, т	Мощность преобразователя, кВт	Fинд, кГц	Uинд, В	Uпит, В	Скорость расплавления, т/ч	Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/т	Расход воды, м3/ч
0,06	100	2,4	800	380х50 Гц	0,1	1100	3,9
0,16	160	2,4	-	-	0,18	885	5,1
0,25	250	1,0	-	-	0,32	780	7,8
0,4>	320	1,0	-	-	0,5	690	10,0
1,0	500	1,0	2000	570х50 Гц	0,84	620	11,0

 

Габаритный чертеж

 

Комплект оборудования печи ИСТ

1. Плавильный узел -2 шт.
2. Тиристорный преобразователь - 1 шт.
3. Батарея компенсирующих конденсаторов с переключателем - 1 шт.
4. Теплообменная станция - 1 шт.
5. Станция гидравлическая - 1 шт.
6. Комплект гибких водоохлаждаемых кабелей - 2 комп.
7. Комплект шинопроводов - 2 комп.
8. ВЧ-токопровод - 1 шт.
9. Пульт управления с кабелем управления - 1 шт.
10. Система контроля состояния футеровки - 2 комп.

Индукционная печь ИЦРТ

Кратное описание

Индукционная печь ИЦРТ применяется для плавки и выдерживания сплавов цветных металлов при работе с машинами литья под давлением. Индукционная печь ИЦРТ является эффективной заменой печей типа САТ особенно в условиях одно- и двухсменной работы предприятия.

Преимущества

1. Экономия электроэнергии, благодаря быстрому выходу на рабочий режим (20-40 минут);
2. Сокращение затрат на расходные материалы и простои, связанные с заменой нагревательных элементов. Изнашиваемый нагревательный элемент – отсутствует;
3. Равномерный состав и температура расплава. Расплав перемешивается под действием электро-динамических сил;
4. Точное поддержание температуры.

 Техничскиехарактиристики

Ёмкость тигля, т	Мощность потребляемая при расплавлении, кВт	Мощность потребляемая в режиме стабилизации, кВт	Fинд, кГц	Uинд, В	Uпит, В	Время расплавления, не более, мин	Расход воды, м3/ч
0,3	80	18	2,4	800	380х50 Гц	40	3,9
0,4	100	20	2,4	-	-	40	5,1
0,75	175	35	1,0	-	-	40	7,8

Комплект поставки индукционной плавильно-раздаточной печи ИРЦТ

1. Плавильный узел - 1 шт.
2. Тиристорный преобразователь - 1 шт.
3. Батарея компенсирующих конденсаторов - 1 шт.
4. Теплообменная станция - 1 шт.
5. Индуктор - 1 шт.
6. Пульт управления с кабелем управления - 1 шт.
7. ВЧ-токопровод - 1 шт.

Индукционная печь, тигельная

Общая характеристика индукционных тигельных печей

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 печь тигельная (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 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

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 путем 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[1] огнеупоров, электрокорунда, двуокиси 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.

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 емкости);

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 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;

 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.