Принцип работы индукционных печей. принцип индукционного нагрева

Тигельные электрические печи – футеровка

Футеровка тигельных печей включает в себя основные части: тигель, воротник, подина, сливной нос и крышка. Правильно сделанная футеровка и подбор огнеупорных материалов продлит ее срок службы и обеспечит большое количество плавок. Основная часть футеровки печи – это тигель, он выполняется набивкой буферной части или кладкой из огнестойких материалов:

  • кварцит SiO2 (Кислая футеровка);
  • магнезит МgO;
  • шпинель МgО + Al2O3;
  • корунд Al2O3;
  • муллит ЗAl2O3 · 2SiO2
  • муллитокорунд Al2O3;
  • шамот;
  • цирконий Zr2 · SiO2;
  • шамотографит;
  • графит.

Кислая футеровка тигельных печей — это самая распространенная футеровка, ее применяют для плавки стали, чугуна и углеродистых металлов. Кислая футеровка не используется при определенном содержании углерода, фосфора и кремния при выплавке высоколегированных сталей. Ведь сгорание примесей (оксида кальция) при высоких температурах происходит быстрее. Так же жаропрочные стали и расплавы нельзя применять в этой футеровки, ведь их перегрев близок к температуре плавления кварцитов.

Для грамотного выбора футеровки индукционных тигельных печей надо учитывать вид шихты, которая будет использоваться. Основным критерием при выборе является срок службы, для обеспечения следующих требований:

  • получение металла хорошего;
  • большое количество плавок;
  • безопасная работа для обслуживающего персонала;
  • исключение прерываний во время плавки;
  • стоимость и экономический эффект;
  • выброс вредных примесей.

Футеровка тигельной печи необходима для усиления огнеупорных свойств тигля, ведь она оказывает влияние на физические и химические свойства металла. Правильно выбранная футеровка обеспечивает высокое качество выплавленного металла, безопасность работы с тигельной печью, длительную продолжительность работы печи без необходимости ремонта, минимальное количество отходов, вредных для окружающей среды.

При добавлении раскислителей во время плавки и взаимодействии с футеровочными материалами, может повлиять на образование нежелательных примесей, которые в дальнейшем выразятся в неметаллические включения. Благодаря качественной футеровке снижается термическое напряжение в тигле и обеспечивается надежная защита индуктора.

Особенности установки

Каждая конкретная индукционная печь укомплектована, помимо всего прочего, подробной инструкцией, содержащей подробные технические данные и правила эксплуатации.

Наиважнейшие из них предусматривают:

    • — строгое слежение за температурным режимом во время эксплуатации, так как даже незначительное нарушение разрушить футеровку;
    • — температура воды, поступающей к индуктору должна быть достаточно высокой для данного помещения, иначе возможно образование большого количества конденсата на трубках индуктора водяных паров, и возникнет опасность электропробоя между витками индуктора;
    • — перегрев воды на выходе из индуктора также недопустим, во избежание образования накипи на стенках труб, нарушающей теплообмен;
    • — размещение оборудования в закрытых помещениях, расположенных не выше 1 км над уровнем моря, с положительной температурой, нормальной влажностью воздуха без агрессивных примесей.

За работой индукционных печей должны следить квалифицированные специалисты, проводить профилактический осмотр и вовремя устранять недостатки.

Принцип действия

Принцип работы индукционной печи иллюстрирует рис. справа. В сущности она – электрический трансформатор с короткозамкнутой вторичной обмоткой:

Принцип действия индукционной печи

  • Генератор переменного напряжения G создает в индукторе L (heating coil) переменный ток I1.
  • Конденсатор С совместно с L образуют колебательный контур, настроенный на рабочую частоту, это в большинстве случаев повышает техпараметры установки.
  • Если генератор G автоколебательный, то С часто исключают из схемы, используя вместо него собственную емкость индуктора. Она у описанных ниже высокочастотных индукторов составляет несколько десятков пикофарад, что как раз соответствует рабочему диапазону частот.
  • Индуктор в соответствии с уравнениями Максвелла создает в окружающем пространстве переменное магнитное поле с напряженностью H. Магнитное поле индуктора может как замыкаться через отдельный ферромагнитный сердечник, так и существовать в свободном пространстве.
  • Магнитное поле, пронизывая помещенную в индуктор заготовку (или плавильную шихту) W, создает в ней магнитный поток Ф.
  • Ф, если W электропроводящая, индуцирует в ней вторичный ток I2, то тем же уравнениям Максвелла.
  • Если Ф достаточно массивна и цельная, то I2 замыкается внутри W, образуя вихревой ток, или ток Фуко.
  • Вихревые токи по закону Джоуля-Ленца отдает полученную им через индуктор и магнитное поле от генератора энергию, нагревая заготовку (шихту).

Электромагнитное взаимодействие с точки зрения физики достаточно сильно и обладает довольно высоким дальнодействием. Поэтому, несмотря на многоступенчатое преобразование энергии, индукционная печь способна показать в воздухе или вакууме КПД до 100%.

Преимущества перед другими видами плавильных печей

Индукционные печи – не единственное изобретение, используемое для плавления металлов.

Есть ещё знаменитые мартены, домны и другие виды. Однако рассматриваемая нами печь имеет перед всеми остальными ряд неоспоримых преимуществ.

Печи, работающие на принципе индукции, могут быть довольно компактными, и их размещение не доставит никаких трудностей.

Высокая скорость плавки. Если другие печи для плавки металла требуют несколько часов только на разогрев, индукционная справляется с этим в несколько раз быстрее.

Коэффициент полезного действия лишь немного не достигает отметки в 100 %.

По чистоте расплава индукционная печь уверенно занимает первое место. В других устройствах приготовленная к расплаву заготовка непосредственно соприкасается с нагревательным элементом, что зачастую приводит к загрязнению. Токи Фуко нагревают заготовку изнутри, воздействуя на молекулярную структуру металла, и побочных элементов в неё не попадает.

Последнее преимущество просто необходимо в ювелирном деле, где частота материала повышает его ценность и уникальность.

Индукционные печи используют при плавке металлов принципиально иной метод нагрева. Благодаря этому, усовершенствовалась и технология плавки, расширились возможности переплавления металлов из лома.

Работа индукционных печей построена на принципе выделения тепла металлом при прохождении через него электрического тока. Таким образом, нагрев происходит не за счет тепловых волн, достигающих металла, а за счет превращения металлической массы в самостоятельный источник выделения тепла.

Для создания электромагнитного поля в печи используется индуктор. В связи с этим применяемый принцип плавки обозначается как индукционный нагрев. Индуктор входит в конструкцию плавильного агрегата.

Обязательное условие эффективной работы печи – продуманная система охлаждения. К печи необходимо одновременно подвести и электроснабжение для нагрева металлов, и воду для охлаждения самого индуктора.

При использовании индукционных печей значительно повышается удобство и качество плавки металлов. Под воздействием электромагнитного потока в расплавленной массе металла усиливается циркуляция.

Это способствует повышению однородности полученного в результате плавки металла.

Кроме того, плавильные печи, использующие принцип индукционного нагрева, дают на выходе металл с более высокими показателями и по чистоте, и по однородности.

Повышение качества металла дополняется снижением себестоимости всего процесса плавки. Достигается это за счет экономии электроэнергии, затрачиваемой на весь процесс переплавки металлов.

Высокий коэффициент полезного действия работы печей подобного типа — еще одно дополнительное условие, приводящее к снижению производственных затрат.

В настоящий момент в промышленности чаще используются индукционные печи высокой частоты.

Однако, среднечастотные печи также имеют свои преимущества. Они позволяют снизить расходы электроэнергии почти в два раза.

Индукционные печи среднего нагрева отличаются сжатым временным циклом плавки (от 40 до 45 минут). Это достигается за счет того, что значительно повышен предел допустимой мощности в таких печах.

При использовании печей этого типа расширяются и возможности усовершенствовать технологию плавки металлов. Например, для производства чугуна можно использовать отходы других производств (кузнечного, токарно-фрезерного, прокатного).

Полученный состав чугуна близок к идеальному. Это достигается за счет того, что печи средней частоты дают возможность активнее управлять химическим составом расплавляемого металла.

В целом преимущества использования индукционной переплавки металла повышаются за счет использования разных типов агрегатов.

Индукционные печи средней частоты создают дополнительные преимущества для использования этого метода плавки.

В настоящее время на российских предприятиях используется порядка 23 % индукционных печей. Еще 76 % приходится на газовые вагранки.

Широкомасштабное внедрение на производствах оборудования для индукционной плавки позволит значительно повысить эффективность всего процесса и его производительность, отразится на качестве получаемого металла.

Отличительные особенности вакуумных индукционных и индукционных тигельных печей

У вакуумных индукционных печей (ВИП) должны быть:

  • герметичная вакуумная камера и вакуумные насосы;
  • индукторы ВИП рассчитаны на напряжение средней частоты не выше 400В.
  • применение более высокого напряжения приводит к пробою на корпус печи;
  • для получения пониженного напряжения применяется понижающий трансформатор;
  • для подачи напряжения средней частоты на индуктор, находящийся в вакуумной камере;
  • применяются специальные гермовводы.
  • ВИП могут развивать температуру в индукторе вакуумной камеры до 2200°C.

Индукционные тигельные печи отличаются от ВИП:

  • у них нет вакуумной камеры, плавят они в набивном тигле открытым способом  — в среде воздушной атмосферы;
  • индукционные тигельные печи развивают температуру до 1800°C;
  •  на индукторы индукционных тигельных печей подается напряжение средней частоты 800 – 1000 В;
  • индукционные тигельные печи не применяются для плавки сверхчистых тугоплавких сплавов железа, никеля, кобальта, цветных металлов.

Надеемся, мы сумели раскрыть и показать отличия работы вакуумных и тигельных индукционных печей в полной мере. Теперь не должно остаться сомнений в том, что это абсолютно разные плавильные печи, с разным строением и предназначением.

Особенности применения индукционных печей

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 (индукционная печь без сердечника), представляет собой плавильный тигель цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещённый в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока.

Футеровка индукционной плавильной печи должна обладать следующими свойствами:

  • высокой огнеупорностью и шлакоустойчивостью;
  • высокой термостойкостью;
  • высокой механической прочностью;
  • минимальной толщиной.

Конструктивная схема индукционных печей имеет свои особенности, которых нет в других конструкциях печей.

Передача электрической энергии к нагреваемому объекту происходит без контакта с электроустановкой.

Выделение тепла происходит непосредственно в месте нагрева, что позволяет максимально использовать энергию образующегося тепла.

Высокая скорость нагрева объекта, помещенного в индуктор.

Индукционные печи для плавки металлов значительно меньше потребляют электроэнергию.

Так как этот метод нагрева происходит непосредственно в среде металла, это позволяет получать их сплавы различных марок и свойств фактически не имеющих примесей и получать отливки равномерные по химическому составу.

В индукционных печах можно плавить различные типы металлов, это стали различных марок, высококачественный чугун, цветные металлы.

Особенность конструкции нагревателей, это малая масса футеровки индукционной печи по сравнению с массой металла, в связи, с чем снижается тепловая энергия печи, позволяет производить плавку периодически, что исключается в печах других конструкций.

К недостаткам индукционных печей можно отнести следующие факторы:

  • дорогое и сложное в изготовление электрическое оборудование;
  • наличие «холодных» шлаков, которые затрудняют процесс рафинации металла, этот метод термообработки используется при изготовлении высококачественных сталей;
  • от резкого перепада температур, низкая долговечность футеровки.

Применение индукционных нагревательных печей позволяет автоматизировать процессы плавки, получать высоко легирующие металлы, обеспечивать хорошие условия труда для обслуживающего персонала. К тому же максимально снижается загрязнение окружающей среды.

В индукционных печах выплавляют сталь и сплавы из легированных отходов методом переплава, или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления.

После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, защиты его от насыщения газами.

При плавке в кислых печах, после расплавления и удаления плавильного шлака, наводят шлак из боя стекла (SiO2). Для окончательного раскисления перед выпуском металла в ковш вводят ферросилиций, ферромарганец и алюминий.

В основных печах раскисление проводят смесью из порошкообразной извести, кокса, ферросилиция, ферромарганца и алюминия.

В таких печах выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, титана, никеля, алюминия, а в печах с кислой футеровкой – конструкционные, легированные другими элементами стали.

В печах можно получать стали с незначительным содержанием углерода и безуглеродистые сплавы, так как нет науглероживающей среды.

При вакуумной индукционной плавке индуктор, тигель, дозатор шихты и изложницы, помещают в вакуумные камеры. Получают сплавы высокого качества с малым содержанием газов, неметаллических включений и сплавы, легированные любыми элементами.

Индукционная печь для плавки металла

Индукционная печь для плавки металла нагревает шихту металла токами высокой частоты (ТВЧ) в индуцируемом электромагнитном поле под воздействием вихревых электрических токов. Плавильные печи тратят большое количество электроэнергии, поэтому мы предлагаем печи не только с тиристорным преобразователем, но и экономичным транзисторным. Печь использует футеровку или графитовый тигель, в обоих случаях их хватает только на 20-40 плавок. Высокая температура плавления, позволяет производить одну плавку металла за 50 минут.

ZAVODRR – печи для плавки металлов от российских, азиатских и европейских производителей с емкостью тигля от 1 до 10 000 кг. Поставка, монтаж, запуск и не дорогое обслуживание печей.

Давайте рассмотрим особенности печей для плавки черных, цветных и драгоценных металлов:

  • Печь для плавки алюминия (плавка алюминия в печах производится при температуре 660 °C, температура кипения 2400 °C, плотность 2698 кг/см³);
  • Печь для плавки чугуна (плавка чугуна 1450 — 1520 °C, плотность 7900 кг/м³);
  • Печь для плавки меди (плавка меди 1083°C, температура кипения 2580°C, плотность 8920 кг/см³);
  • Печь для плавки золота (плавка золота 1063°C, температура кипения 2660°C, плотность 19320 кг/см³);
  • Печи плавки серебра (плавка серебра 960°C, температура кипения 2180°C, плотность 10500 кг/см³);
  • Печь для плавки стали (плавка стали в печах 1450 — 1520 °C, плотность 7900 кг/м³);
  • Печь плавки железа (плавка железа 1539°C, температура кипения 2900°C, плотность 7850 кг/м3);
  • Печи для плавки титановых сплавов (плавка титана 1680°C, температура кипения 3300°C, плотность 4505 кг/м³);
  • Печь для плавки свинца (плавка свинца в печах 327°C, температура кипения 1750°C, плотность 1134 кг/см³);
  • Печь плавки латуни (плавка латуни в печах 880—950 °C. плотность 8500 кг/м³);
  • Печи плавки бронзы (плавка бронзы в печах, 930—1140 °C 8700 кг/м³).

Электрическая печь для плавки черных и цветных металлов подбираются исходя из ваших технических требований. Первые поставки печей начались с 2008 года, на сегодняшний день печи для плавки металлов успешно эксплуатируется более 50 литейными производствами, на протяжении 8 лет.

Конструкция индукционной тигельной печи с алюминиевым корпусом

Плавильный узел

В конструкции плавильных узлов печей данного типа отсутствуют магнитопроводы, поэтому алюминиевый корпус не защищен от магнитного поля индуктора. Для исключения замыкания наведенных токов Фуко и расплавления, немагнитный алюминиевый корпус состоит из 2 половин, которые электрически разделены друг от друга в задней и передней части с помощью изолирующих проставок. Прочный алюминиевый корпус хорошо держит нагрузки при плавке и наклонах печи при разливке металла. Однако, он не выдерживает пролива на корпус металла плавки.
Внутри корпуса расположен индуктор из прямоугольной медной трубки с подводами для охлаждающей воды и клеммами для подключения электроэнергии. Сбоку алюминиевый корпус имеет приливы для крепления опорно-поворотного устройства, которое устанавливается на бетонное основание или стальную раму.
Поворот печи осуществляется с помощью электродвигателя и редуктора. Плавильщик управляет поворотом печи с пульта, установленного в удобном месте. В случае отказа электропривода, можно слить металл, вращая рукоятку аварийного наклона печи.
В верхней части корпуса имеется площадка с полостью для футеровки сливного носка.
В нижней части корпуса имеется набивная подина, на которую устанавливается или набивается тигель. Контроль толщины тигля производят визуально или с помощью сигнализатора проедания тигля.
Тигли можно использовать как набивные, так и готовые. Но на большие веса плавки, тигли, как правило, набивают. Для черных металлов применяют тигли из кварца, для цветных металлов графитосодержащие. Набивка тиглей это особое искусство, от этой операции очень сильно зависит компания тигля. Это срок его эксплуатации, измеряемый в количестве плавок. Прочитать о набивке из современных материалов вы можете здесь и в  Мосиндуктор — Статьи

Тиристорный преобразователь частоты ТПЧ

Шкаф тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ) выполнен из листовой стали, на передней панели находятся органы управления. Шкаф не защищен от цеховой пыли, поэтому нуждается в периодической очистке. Для защиты от пыли главная плата управления помещена в коробку, которая закрывается на ключ.

При вводе в эксплуатацию тиристорный преобразователь частоты нуждается в настройке специалистами компании поставщика. Мы вводим индукционные плавильные печи в эксплуатацию только после проведения пусконаладочных работ нашей сервисной службой.

ТПЧ выполнен по схеме регулируемого выпрямителя с последующим инвертированием. Плата управления сконструирована с применением современных цифровых технологий, и отвечает не только за управление, но и за защиту силовой электроники от таких факторов как перенапряжение, замыкание индуктора, срыв инвертирования, снижение давления охлаждающей жидкости, пропадание одной фазы и т. п.
По отзывам наших клиентов тиристорный преобразователь частоты данного класса очень универсальный и хорошо подходит для питания печей российского производства.

Конденсаторная батарея

Конденсаторная батарея представляет собой набор водоохлаждаемых среднечастотных электротермических конденсаторов большой емкости с металлической оболочкой. Конденсаторные банки установлены на металлическую раму и соединены между собой медными шинами. Конденсаторы размещаются в металлическом корпусе и оборудованы вводами — выводами воды и шинами для подключения электрического среднечастотного тока. На печах данного типа применяется параллельный колебательный контур. Резонанс токов приводит к тому, что токи, текущие от конденсаторов к печи в четыре раза мощнее токов идущих от генератора к конденсаторной батарее. Следите за тем, что бы охлаждаемые тоководы не проходили близко с металлическими конструкциями или металлическим полом. Невыполнение этого правила, приводит к перегоранию охлаждаемых тоководов.

Система охлаждения

Мы рекомендуем применять для охлаждения индукционных печей данного типа только двухконтурные градирни.
Они отличаются высокой удельной мощностью охлаждения на единицу цеховой площади. Имеют раздельные контуры охлаждения печи. Экономят дистиллированную воду и имеют большое количество реальных преимуществ перед любыми другими системами охлаждения. Подробнее>>>
Двухконтурные градирни могут устанавливаться в цеху или на улице. В зимнее время в градирни, установленные на улице, заливают антифриз и используют для охлаждения только первый контур.

Немного теории

При конструировании самодельной «индукционки» нужно твердо помнить: минимум потребляемой мощности не соответствует максимуму КПД, и наоборот. Минимальную мощность от сети печка возьмет при работе на основной резонансной частоте, Поз. 1 на рис. Болванка/шихта при этом (и на более низких, дорезонансных частотах) работает как один короткозамкнутый виток, а в расплаве наблюдается всего одна конвективная ячейка.

Режимы работы тигельной индукционной печи

В режиме основного резонанса в печке на 2-3 кВт можно расплавить до 0,5 кг стали, но разогрев шихты/заготовки займет до часа и более. Соответственно, общее потребление электричества от сети будет большим, а общий КПД – низким. На дорезонансных частотах – еще ниже.

Вследствие этого индукционные печи для плавки металла работают чаще всего на 2-й, 3-й и др. высших гармониках (Поз. 2 на рис.) Требуемая для разогрева/расплавления мощность при этом возрастает; для того же полкило стали на 2-й понадобится 7-8 кВт, на 3-ей 10-12 кВт. Но прогрев происходит очень быстро, за минуты или доли минут. Поэтому и КПД выходит высокий: печка не успевает «съесть» много, как расплав уже можно лить.

У печей на гармониках есть важнейшее, даже уникальное достоинство: в расплаве возникает несколько конвективных ячеек, мгновенно и тщательно его перемешивающих. Поэтому можно вести плавку в режиме т. наз. быстрой шихты, получая сплавы, которые в любых других плавильных печах выплавить принципиально невозможно.

Если же «задрать» частоту в 5-6 и более раз выше основной, то КПД несколько (ненамного) падает, но проявляется еще одно замечательное свойство индукционки на гармониках: поверхностный нагрев вследствие скин-эффекта, вытесняющего ЭМП к поверхности заготовки, Поз. 3 на рис. Для плавки этот режим используется редко, но для разогрева заготовок под поверхностную цементацию и закалку – милое дело. Современная техника без такого способа термообработки была бы просто невозможна.

О левитации в индукторе

А теперь проделаем фокус: накрутим первые 1-3 витка индуктора, затем перегнем трубку/шину на 180 градусов, и остальную обмотку навьем в обратном направлении (Поз 4 на рис.) Подключим к генератору, введем в индуктор тигель в шихтой, дадим ток. Дождемся расплавления, уберем тигель. Расплав в индукторе соберется в сферу, которая там останется висеть, пока не выключим генератор. Тогда – упадет вниз.

Эффект электромагнитной левитации расплава используют для очистки металлов путем зонной плавки, для получение высокоточных металлических шариков и микросфер, и т.п. Но для надлежащего результата плавку нужно вести в высоком вакууме, поэтому здесь о левитации в индукторе упомянуто только для сведения.

Графитовые тигли – что такое: тигель?

Тигель (Tiegel) — это сосуд, сделанный из тонкого огнестойкого жаропрочного материала, предназначенный для хранения, плавки, нагрева шихты под воздействием или в среде высоких температур. Графитовые тигли широко применяются в металлургии при расплавлении разных металлов или руды. Для удобства слива расплавленной шихты тиль обычно сделан в виде конуса. При производстве тиглей обычно используются следующие материалы: цирконий, графит, платина, кварц, базальт.

Графитовые тигли определяют производительность и надежность печей, ведь тигель находится под постоянными нагрузками. При этом КПД тигельной печи напрямую зависит от толщины стен тигля, чем она меньше, тем рациональнее используются энергоресурсы. Из всех элементов футеровки к нему выдвигаются самые строгие требования, он изготавливается из огнеупорных материалов с минимальными свойствами к расширению, сохраняющих изоляционные способности при воздействии температуры до 1700 °C и контакте с химическими реагентами расплавленных металлов. Компания «Росиндуктор» предлагает следующие услуги и работы:

  • подбор оптимальной марки тигля (форма, емкость, вид основного материала и глазурь) с учетом ожидаемой нагрузки и условий эксплуатации;
  • доставка на подставках из одинакового с тиглем материала;
  • установку тигля в печь, оказывают консультации при выборе рабочих режимов: загрузки, плавки, выгрузки и очистки от шлаков.

Тигель для плавки может быть чугунным, графитовым или керамическим. Чугунный тигель используется достаточно редко и имеет узкую специализацию. Тигли из графита чаще всего используются для литья золота. Для многих сплавов такие тигли не подходят, тем более что из-за повышенного угара графитовые тигли имеют достаточно короткий срок годности. Керамические тигли идеально подходят для изготовления сплавов, благодаря тому, что они не влияют на состав вещества.

Нужна более подробная информация на тигельные печи?

Москва: + 7 (499) 649-29-80

Санкт-Петербург: + 7 (812) 426-33-17

Челябинск: + 7 (351) 729-83-71

Казань: + 7 (843) 233-44-60

Красноярск: + 7 (3919) 89-80-99

Новосибирск: + 7 (843) 233-44-60

Екатеринбург: + 7 (343) 226-08-62

Ижевск: + 7 (3412) 91-86-99

Ссылка на основную публикацию