Электротехнологические установки (стр. 8 из 32)

4.2. Индукционные плавильные установки

По конструктивным особенностям индукционные плавильные печи подразделяют на два типа: канальные и тигельные. Конструкции этих печей в значительной мере определяют их электрические параметры, энергетические характеристики и технологические возможности.

Необходимость получения полупроводниковых материалов, металлов высокой чистоты, сплавов на основе химически активных и тугоплавких металлов, а также плавленых огнеупорных материалов повышенной чистоты, получение которых в печах с керамической футеровкой весьма затруднительно, привела к созданию новых методов и установок индукционной плавки, обеспечивающих получение указанных материалов без примесей и при гораздо более высоких температурах, чем в тигельных или канальных индукционных печах. К такого типа процессам относятся индукционная гарниссажная плавка, индукционная струйная плавка, плавка во взвешенном состоянии, зонная плавка в холодном тигле, кристаллизационная плавка.

Индукционные канальные печи. В этих печах канал с расплавленным металлом является короткозамкнутым витком вторичной обмотки

трансформатора, в нем поглощается 90-95 % подведенной к печи электрической энергии. По электротехническим характеристикам канальные печи подобны силовым трансформаторам с распределенной по длине вторичной обмотки нагрузкой. Принципиальная схема индукционной канальной печи (ИКП) приведена на рис. 4.2. С целью уменьшения потока рассеяния Ф_s первичную ω₁ и вторичную ω₂ обмотки располагают одном стержне магнитопровода М, по которому протекает основной магнитный поток Ф₁.

Рис 4 2. Схема индукционной канальной печи

Наиболее важным достоинством индукционных канальных

печей является их высокий энергетический КПД, достигающий в зависимости от рода переплав- ляемого металла значений 60-95 %.

Следует также отметить малый угар металла в индукционных канальных печах, поскольку здесь нет большого перегрева металла и его сильного окисления на поверхности ванны печи.

Рис. 4.6. Основные типы конструкций ИКП: а - шахтная; б - барабанная; в - двухкамерная

Рис. 4.7. Схема индукционной тигельной печи

В промышленности находят применение также электромиксеры и копильники жидкого металла - устройства для подогрева и выравнивания его температуры перед разливкой, когда объем отливаемой детали больше емкости плавильной печи. Электромиксеры могут быть использованы для литья в кристаллизатор машин непрерывного действия, требующих регулирования скорости литья. Миксеры всегда работают в комплексе с плавильными печами.

Так, для плавки меди и ее сплавов печи имеют максимальную емкость до 16 т, максимальную удельную мощность 30 кВт/т, производительность до 10 т/ч при плавке меди и 13-15 т/ч при плавке латуни, В зависимости от емкости печи удельный расход электроэнергии при плавке меди в них составляет 270-330 кВт·ч/т, а при плавке сплавов на медной основе 190—210 кВт·ч/т. Для плавки цинка применяются ИКП емкостью до 100 т и производительностью 30 т/ч, удельный расход электроэнергии при этом составляет 95-110 кВт·ч/т. Алюминий и его сплавы переплавляются в ИКП емкостью от 170 кг до 40 т, производительностью от 75-100 кг/ч до 10 т/ч при удельном расходе электроэнергии 360-500 кВт·ч/т.

При разливе чугуна применяют ИКП-миксеры емкостью до 250 т, мощностью 4400 кВт. Удельная мощность при плавке твердой шихты составляет 30-100 кВт/т, а в дуплекс-процессе при жидкой загрузке 20-50 кВт/ч. Максимальная производительность находящихся в эксплуатации в чугунолитейном производстве ИКП составляет 10 т/ч, емкость 100 т. Для плавки катодного цинка применяются ИКП емкостью до 100 т с шестью индукционными единицами общей мощностью 3000 кВт, производительностью 30 т/ч и удельным расходом электроэнергии 100 кВт·ч/т.

Индукционные тигельные печи. Характерным электротехническим признаком индукционных тигельных печей является то, что нагреваемые в них электропроводящие тела образуют с индуктором, создающим переменное электромагнитное поле, систему двух индуктивно связанных контуров с током. Индукционная тигельная печь (ИТП) (рис. 4.7) состоит из следующих основных частей: индуктора 1, подключаемого к источнику переменного тока, расплавляемого металла 2, находящегося внутри огнеупорного тигля 3, и внешнего магнитопровода 4, применяемого в печах большой емкости для экранирования и уменьшения потерь энергии, а также токопроводов и устройства для наклона печи при сливе металла.

Нагрев и расплавление металлической загрузки происходят за счет прохождения в ней индуцированного электромагнитным полем электрического тока и выделения при этом в загрузке теплоты по закону Джоуля-Ленца.

Кроме того, можно отметить следующие положительные свойства индукционных тигельных печей:

а) возможность получения чистых по химическому составу металлов и сплавов, поскольку отсутствует соприкосновение с топливом или электродами; б) возможность проведения плавки в нейтральной среде или вакууме для получения металлов высокого качества;

в) отсутствие перегрева футеровки, что повышает срок службы печи. Практически вся поглощаемая энергия выделяется в слое металла толщиной Δ_э.гор - глубина проникновения тока в горячий металл. По мере нагрева садки меняются магнитная проницаемость и удельное электрическое сопротивление металла, поэтому частота тока индуктора определяется из условий оптимального режима плавки, соответствующего максимальной скорости расплавления. Для обеспечения достаточно высокого КПД нагрева частоту питающего тока определяем по формуле

f ≈ 25*10⁶ρ_гор/d²₀.

Эта формула справедлива при условии

_

r₀√2/Δ_э.гор ≥7,

_____

где r₀ = d₀/2 и Δ_э.гор = 503√ ρ_горμf , м (d₀ - диаметр тигля, м); ρ_гор – удельное электрическое сопротивление горячего металла, Ом·м. Из формулы следует, что частота источника питания печи зависит от геометрических размеров (диаметра d₀). В ИТП большой емкости (больших диаметров) применяются источники питания промышленной частоты, в печах средней и малой емкости - повышенной и высокой частот.

Тепловой КПД определяется видом футеровки и температурой расплава и составляет η_теп = 0,84÷0,85. Общий КПД тигельной печи η_п = η_эη_теп = 0,48÷0,68. Индукционные тигельные печи имеют естественный коэффициент мощности соs θ_п = 0,8÷0,3 и требуют установки батареи конденсаторов для компенсации реактивной мощности.

Тигельные электропечи могут работать с «болотом» и без «болота». «Болото» по объему обычно составляет 25-30 % емкости тигля. При этом в тигель можно загружать шихту любых габаритных размеров: отходы литейного производства, чушки, мелкую стружку и т. д.

Плавильные тигельные печи вне зависимости от частоты питающего тока, начиная от 50 Гц до 400 кГц при емкости тигля от десятков тонн до нескольких килограммов расплавленного металла, имеют одни и те же конструктивные элементы.

Рис. 4.8. Индукционная тигельная печь со стальным тиглем для плавки магния:

1 - индуктор: 2 - магнитопровод; 3 - набивная футеровка: 4 - стальной тигель

Индукторы из медной водоохлаждаемой трубки круглого, квадратного или прямоугольного сечения изготовляют однослойными, состоящими из нескольких катушек, имеющих раздельное водяное охлаждение. Толщина стенок медной трубки не должна быть менее 1,3Δ_эи (Δ_эи - глубина проникновения тока в медь при. рабочей частоте).

В плавильных индукционных печах тепловые и электрические потери составляют 15-20 и 30-35 % соответственно Индукционные тигельные печи выпускаются различных емкостей, мощностей и частот питающего тока. Так, для плавки стали созданы печи емкостью 0,06-6 т, мощностью 90-2230 кВт, частотой тока 2400-500 Гц и производительностью 0,132-3,5 т/ч.

Индукционная плавка без соприкосновения расплава с футеровкой. Гарнисажная плавка - плавка, при которой расплавленный металл соприкасается только с твердой фазой такого же химического состава, что и расплав, отделяющий его от конструктивных элементов печи.

При индукционной гарнисажной плавке металла с введением энергии через боковой гарнисаж предусматривается создание внутри цилиндрического индукто- ра или охватываемого им тигля слоя гарнисажа из порошка переплавляемого

Рис. 4.9. Схема зонной плавки:

1 - поликристалл; 2 - индуктор; 3 - расплавленная зона; 4 – монокристалл

Высококачественные монокристаллы выращивают и с помощью бестигельной зонной плавки с индуктивным способом передачи энергии в расплав

(рис. 4.9). Для зонной плавки характерно медленное перемещение узкой расплавленной зоны через сравнительно длинный твердый образец, в результате чего достигается перераспределение примесей и изменение кристаллической структуры исходного материала. Из-за излучения с поверхности, а также вследствие небольшой теплопроводности переплавляемых материалов (кремний, германий и др.) и сильной зависимости их удельного сопротивления от температуры зона максимальной температуры, образующаяся под поверхностью кристалла, имеет форму кольца.

Большие возможности при выращивании высокотемпературных кристаллических веществ открывает индукционная плавка в металлических водоохлаждаемых тиглях.