Плавильная индукционная печь для металла, схема, свойства видов


§ 34.

Металлы, сплавы, специальные лигатуры, шлакообразующие присадки и другие
материалы, которые используют для приготовления различных сплавов, в
литейном производстве называют шихтовыми материалами или шихтой. В
состав шихты входят: свежие материалы (доменные чугуны различных марок,
медь, алюминий, цинк, никель и др.), которые поступают в литейные цехи с
металлургических заводов; лом черных сплавов и лом цветных сплавов,
представляющие собой переработанные промышленные отходы; специальные
ферросплавы и лигатуры (промежуточные сплавы более тугоплавких элементов
с легкоплавкими), поступающие с металлургических заводов; отходы
литейного производства и механических цехов (литники, прибыли,
бракованные детали и брикетированная стружка)
. Количественное
соотношение различных материалов в шихте зависит от качества исходных
материалов и от требований, которые предъявляют к изготовляемым сплавам.

§ 35.

Основные типы плавильных печей

В литейном производстве используются плавильные печи, работающие на
твердом, жидком или газообразном топливе (коксе, нефти, мазуте, газе), и
печи электрические. К первому типу печей относят вагранки и тигельные
печи, ко второму типу — дуговые электрические печи и электрические
индукционные печи. Наибольшее распространение для плавки чугуна получили
печи шахтного типа—вагранки
. Серый чугун, получаемый в этих печах,
используют для отливок различных по сложности деталей. В электрических
печах плавится сталь, легированный чугун, а также белый чугун,
перерабатываемый затем в ковкий чугун
. Схема вагранки приведена на рис.
35. Вагранка представляет собой шахтную печь, основой которой является
сварной металлический кожух 1, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом
2. Щель между кожухом и футеровкой засыпается сухим кварцевым песком 3.
В верхней части вагранки находится загрузочное окно 4. Часть шахты
вагранки, расположенная ниже загрузочного окна, футеруется чугунными
пустотелыми кирпичами 5, которые предохраняют ее от разрушения при
загрузке шихты 7.

Загружают вагранку с помощью скипового подъемника или консольного крана.
Верхняя часть вагранки заканчивается искрогасителем 6.

Для поддержания горения в вагранке через
специальные отверстия 8, называемые фурмам и, подается воздух (дутье),
нагнетаемый вентилятором. Расплавленный чугун по поду 9, расположенному
в нижней части шахты, стекает через специальное отверстие и желоб в
копильник 10
. В начале работы в вагранку загружают слой кокса высотой
500—1500 мм и поджигают его. Этот слой кокса называется холостой
колошей
. Затем на холостую колошу загружают рабочую коксовую колошу,
флюс и первую порцию металлической шихты. После загрузки материалов
через фурмы подают воздух, необходимый для горения топлива
. В плавильном
поясе чугун и шлаки расплавляются и стекают в горн вагранки
.
Образующиеся газы, поднимаясь вверх, нагревают металлическую шихту и
топливо, а затем уходят в трубу.

По мере сгорания кокса и плавления чугуна загружаемая в вагранку шихта
опускается вниз, а на ее место загружают новые порции шихтовых
материалов. В процессе плавки жидкий чугун скапливается в горне
вагранки. Шлак всплывает на поверхность чугуна и периодически
выпускается через шлаковую летку
. Накопившийся чугун сливается через
летку по желобу в специальный копильник, а затем в ковш.
Производительность вагранок 0,5—30 т чугуна в час.

В целях пожарной безопасности и предохранения от
загрязнения окружающей местности вагранки снабжают искрогасителями,
которые одновременно являются и пылеуловителями.

Для плавки стали в литейных цехах используют мартеновские и
электродуговые печи с основной и кислой футеровкой, а также индукционные
тигельные печи.

Плавка стали в дуговой электрической печи состоит из следующих операций:
заправки электропечи, завалки шихты, расплавления шихты и разливки
готовой стали.

Индукционная печь (рис. 37) состоит из каркаса 6, сделанного из
немагнитного материала, внутри которого находится индуктор (катушка),
выполненный из витков 7 медной трубки, по которым протекает охлаждающая
вода
. Витки отделены друг от друга изоляцией ‘8. Плавильный тигель 5 в
этой печи выполнен из набивной футеровки. Верхние части футеровки 1 и 3
и ее нижняя часть 4 делают из фасонных огнеупорных кирпичей, слой 2
выполняется огнеупорной обмазкой
. Источником тепла в этих печах является
индукционный ток, возбуждаемый в загруженной в тигель шихте при
пропускании по индуктору переменного тока повышенной частоты.

Рис. 38. Дуговая однофазная электропечь для
плавки медных сплавов

Плавка цветных сплавов производится в тигельных
печах с мазутным или газовым отоплением, в электрических печах
сопротивления, а также в дуговых или индукционных электрических печах.

Медные сплавы плавят в тигельных, пламенных и электрических печах.
Наиболее широко применяют дуговые однофазные электрические печи типа ДМК
(рис
. 38). Печь представляет собой металлический барабан 1, футерованный
огнеупорным кирпичом 2
. Тепло, необходимое для расплавления меди,
создается электрической дугой, возникающей между двумя горизонтально
расположенными электродами 3. Установленный на роликах 4 барабан 1 может
поворачиваться на определенный угол двигателем и зубчатой передачей.

Шихтовые материалы загружают через рабочее окно,
снабженное желобом, по которому выпускают готовый расплав. Для выплавки
медных сплавов шихтовыми материалами служат чушки, машинный лом, отходы
собственного производства и т
. д. В процессе плавки меди, цинка и свинца
выделяются вредные газы и пары, поэтому плавильные печи снабжают мощной
вытяжной вентиляцией.

Алюминиевые сплавы плавят в тигельных и пламенных печах, электрических
печах сопротивления и индукционных печах. На рис. 39 показана тигельная
печь с газовым обогревом для

плавки алюминиевых сплавов. Печь имеет огнеупорную футеровку 1, внутрь
которой вставлен чугунный тигель 2
. Газ подводится в горелку 4 и сгорает
в пространстве между футеровкой и тиглем
. Отверстие 3 предусмотрено для
выпуска металла при прогорании тигля
. Продукты горения и газы из сплава
отводятся вытяжным колпаком 5. Печь подвешена цапфами на боковых опорах
и может наклоняться с помощью штурвала и червячной передачи.

Индукционная печь используется для плавки цветных и черных металлов. Агрегаты такого принципа действия применяют в следующих сферах: от тончайшего ювелирного дела до промышленной плавки металлов в крупных размерах. В данной статье будут рассмотрены особенности различных индукционных печей.

Индукционные печи для плавки металла

Принцип работы

Индукционный нагрев положен в основу действия печи. Другими словами, электрический ток образовывает электромагнитное поле и получается тепло, которое используется в промышленных масштабах. Этот закон физики изучается в последних классах общеобразовательной школы. Но понятие электрического агрегата и электромагнитных индукционных котлов нельзя путать. Хоть в основе работы и там и тут лежит электричество.

Как это происходит

Генератор подключается к источнику переменного тока, который поступает в него через индуктор, находящийся внутри. Конденсатор задействуется для создания контура колебания, в основе которого лежит постоянная рабочая частота, на которую настраивается система. При возрастании напряжения в генераторе до предела в 200 В индуктор создает магнитное поле переменного действия.

Замыкание цепи происходит, чаще всего, посредством сердечника из ферромагнитного сплава. Переменное магнитное поле начинает взаимодействие с материалом заготовки и создает мощный поток электронов. После вступления в индукционное действие электропроводящего элемента в системе происходит возникновение остаточного напряжения, которое в конденсаторе способствует возникновению вихревого тока. Энергия вихревого тока преобразовывается в тепловую энергию индуктора и происходит нагревание до высоких температур плавления искомого металла.

Тепло, производимое индуктором, применяют:

  • для расплавления мягких и твердых металлов;
  • для закаливания поверхности металлических деталей (например, инструмента);
  • для обработки в термическом режиме уже произведенных деталей;
  • бытовых потребностей (обогрев и кулинария).

Краткая характеристика различных печей

Разновидности приборов

  • Тигельные индукционные печи используют для расплавки металлов, главным их принципом, отличным от работы других агрегатов, является отсутствие сердечника.
  • Канальные агрегаты индукционного действия представляют собой своеобразный трансформатор, которая имеет стальной наконечник – магнитный привод. Нагрузка подается через вторичную обмотку, выполненную одним витком.
  • Индукционные приборы вакуумного действия, который процесс плавки выполняют в условиях полного вакуума, который буквально вытягивает из металла все примеси.
  • Плавильные тигельные печи – индукторы на массу плавки от 5 до 200 кг с преобразователем по принципу транзистора.

Индукционные тигельные печи

Является наиболее распространенным типом печного индукционного нагрева. Отличительной чертой, отличной от других видов является то, что в ней переменное магнитное поле появляется при отсутствии стандартного сердечника. Тигель в форме цилиндра размещается внутри индукторной полости. Печь, или тигель изготавливается из материала, который прекрасно сопротивляется огню и подключается к переменному электрическому току.

Положительные аспекты

  • энергия выделяется при загрузке металла, отсутствует необходимость в установке промежуточных элементов;
  • металлические сплавы, состоящие из нескольких составляющих, после завершения плавки получают однородную консистенцию и одинаковый химический состав в любом выбранном объеме;
  • при помощи регуляторов давления представляется возможным проводить восстановительный, окислительный или нейтральный процесс;
  • средние частоты переменного тока показывают высокие значения удельной мощности, что ставит тигельные печи в ряд высокопроизводительных агрегатов;
  • печь может работать с перерывами между загрузкой металла, на последующей плавке это не отразится, переход от одного вида металла к другому происходит без длительной перенастройки параметров;
  • тигельные агрегаты легко поставить на автоматическое управление, они простые в эксплуатации и легко перестраиваются на любой из режимов;
  • в результате процесса получаются качественные славы, состоящие из многих компонентов, температура имеет постоянное и одинаковое значение в пределах ванны, а остатки и отходы быстро расплавляются, отсутствуют перегревы.

Тигельные агрегаты относят к экологически чистым источникам тепла, окружающая среда не загрязняется от плавки металлов.

В работе тигельных печей присутствуют недостатки:

  • при технологической обработке используются шлаки пониженной температуры;
  • произведенная футеровка тигельных печей имеет низкую стойкость против разрушения, больше всего это заметно при резких скачках температур.

Имеющиеся недостатки не представляют особенных трудностей, достоинства тигельного индукционного агрегата для плавки металла очевидны и сделали такой тип приборов популярным и востребованным среди широкого круга потребителей.

Канальные печи индукционной плавки

Такой тип нашел широкое применение в плавильном деле цветных металлов. Эффективно используется для меди и медных сплавов на основе латуни, мельхиора, бронзы. Активно плавят в канальных агрегатах алюминий, цинк и сплавы в составе этих металлов. Широкое использование печей этого типа ограничено из-за невозможности выполнить футеровку, стойкую к разрушениям, на внутренних стенках камеры.

Расплавленный металл в канальных печах индукционного типа совершает тепловое и электродинамическое движение, что обеспечивает постоянную однородность смешивания компонентов сплава в печной ванне. Использование канальных печей индукционного принципа оправдано в случаях, если к расплавленному металлу и изготовленным слиткам предъявляются особые требования. Сплавы получаются качественными в плане коэффициента насыщения газами, присутствия в металле органических и синтетических примесей.

Индукционные канальные печи работают по типу миксера и предназначаются для выравнивания состава, поддержки постоянной температуры процесса, и выбора скорости разлива в кристаллизаторы или формы. Для каждого сплава и состава литья существуют параметры специальной шихты.

Достоинства

  • подогревание сплава происходит в нижней части, к которой нет воздушного доступа, что уменьшает испарение с верхней поверхности, нагретой до минимальной температуры;
  • канальные печи относят к экономичным индукционным печам, так как происходящее расплавление обеспечивается маленьким расходом электрической энергии;
  • печь имеет высокий коэффициент полезного действия благодаря применению в работе замкнутого контура магнитного провода;
  • постоянная циркуляция в печи расплавленного металла вызывает ускорение плавильного процесса и способствует однородности перемешивания компонентов сплава.

Недостатки

  • стойкость каменной внутренней футеровки снижается при использовании высоких температур;
  • футеровка разрушается при плавлении химически агрессивных сплавов из бронзы, олова и свинца.
  • при плавлении загрязненной низкосортной шихты происходит засорение каналов;
  • поверхностный шлак на ванне не нагревается до высокой температуры, что не позволяет проводить операции в промежутке между металлом и укрытием и расплавлять стружку и скрап;
  • канальные агрегаты плохо переносят перерывы в работе, что заставляет постоянно хранить в жерле печи значительное количество жидкого сплава.

Полное удаление расплавленного металла из печи ведет к ее быстрому растрескиванию. По этой же причине невозможно выполнить быструю перестройку с одного сплава на другой, приходится делать несколько промежуточных плавок, получивших название балластных.

Вакуумные печи индукционного действия

Этот вид имеет широкое применение для плавления сталей высокого качества и никелевых, кобальтовых и железных сплавов жаростойкого качества. Агрегат успешно справляется с плавкой цветных металлов. В вакуумных агрегатах варят стекло, обрабатывают высокой температурой детали,

производят монокристаллы

.

Печь относят к высокочастотному генератору, расположенному в изолированном от внешней среды индукторе, пропускающем ток высокой частоты. Для создания вакуума из него насосами откачивают воздушные массы. Все операции по введению добавок, загрузке шихты, выдаче металла производится автоматическими механизмами с электрическим или гидравлическим управлением. Из вакуумных печей получают сплавы с небольшими примесями кислорода, водорода, азота, органики. Результат намного превосходит открытые печи индукционного действия.

Жаропрочную сталь из вакуумных печей применяют в инструментальном и оружейном производстве. Некоторые сплавы из никеля, с содержанием никеля и титана являются химически активными, и получить их в других видах печей проблематично. Вакуумные печи выполняют розлив металла поворотом тигеля во внутреннем пространстве кожуха или вращением камеры с неподвижно закрепленной печью. Некоторые модели имеют в дне открывающееся отверстие для слива металла в установленную емкость.

Тигельные печи с транзисторным преобразователем

Применяют для ограниченного веса цветных металлов. Они мобильные, имеют небольшой вес и с легкостью переставляются с места на место. В комплектацию печи входит высоковольтный транзисторный

преобразователь универсального действия

. Позволяет подобрать мощность, рекомендуемую для подключения в сети, а соответственно ей тип преобразователя, который необходим в этом случае с изменением параметров веса сплава.

Транзисторная индукционная печь широко применяется для металлургической обработки. С ее помощью нагревают детали в кузнечном деле, закаляют металлические предметы. Тигли в транзисторных печах выполняют из керамики или графита, первые предназначены плавить ферромагнитные металлы, такие как чугун или сталь. Графит устанавливается для плавления латуни, меди, серебра, бронзы и золота. На них плавят стекло и кремний. Алюминий хорошо плавится посредством чугунных или стальных тиглей.

Что такое футеровка печей индукционного действия

Ее предназначение состоит в защите печного кожуха от разрушающего действия высоких температур. Побочным действием является сохранение тепла, следовательно, повышается результативность процесса.

Тигель в конструкции индукционной печи выполняется одним из способов:

  • способом выемки в маленьких по объему печах;
  • набивным способом из огнеупорного материала в виде кладки;
  • комбинированным, сочетающим керамику и прокладку буферного слоя в промежутке кладки и индикатора.

Футеровка выполняется из кварцита, корунда, графита, шамотного графита, магнезита. Во все эти материалы домешивают добавки, улучшающих характеристики футеровки, уменьшающих изменения объема, улучшающих спекание, увеличивающие стойкость слоя к агрессивным материалам.

Для выбора того или иного материала для футеровки учитывают ряд сопутствующих условий, а именно, вид металла, цену и огнеупорные свойства тигля, срок службы состава. Правильно подобранный состав футеровки должен обеспечить технические требования для проведения процесса:

  • получение слитков высокого качества;
  • наибольшее количество полноценной плавки без проведения ремонтных работ;
  • безопасную работу специалистов;
  • стабильность и непрерывность проведения плавильного процесса;
  • получение качественного материала при использовании экономного количества ресурсов;
  • применение для футеровки распространенных материалов по невысокой цене;
  • минимальное влияние на окружающее пространство.

Применение индукционных печей позволяет получить сплавы и металлы отменного качества с минимальным содержанием различных примесей и кислорода, что повышает их применение в сложных областях производства.

  • Автор: Александр Романович Чернышов
  • Распечатать

Оцените статью:

(2 голоса, среднее: 3.5 из 5)

Индукционная печь – это нагревательное устройство, где для плавки стали, меди и других металлов применяется метод индукционного воздействия (металл нагревается токами, возбуждаемыми не переменным полем индуктора). Некоторые считают индукционные печки одним из видов отопительных приборов сопротивления, однако отличие состоит в способе передачи энергии нагреваемому металлу. Сначала электрическая энергия становится электромагнитной, затем опять электрической, и только в самом конце превращается в тепловую. Индукционные печки считаются самыми совершенными из всех газовых и электрических (муфельные, сталеплавильные, мини печки), благодаря своему методу нагрева. При индукции тепло выделяется внутри самого металла, и использование тепловой энергии является наиболее эффективным.

Индукционные печи делятся на два типа:

  • с сердечником (канальные);
  • без сердечника (тигельные).

Вторые считаются более современными и полезными (отопительные приборы с сердечником, из-за своего устройства, ограничены в мощности). Переход от канальных к тигельным печкам начался еще в начале 1900-х. На данный момент они широко применяются в промышленности.

Достаточно популярны такие виды электрических приборов, как муфельная плавильная печь, сталеплавильная печь и дуговая сталеплавильная печь. Первые являются очень эффективными и безопасными в использовании. На прилавках имеется большой ассортимент муфельных печей этого вида. Очень важную роль для металлургии сыграло такое изобретение как сталеплавильная печь. С ее помощью стало возможным нагревать любые материалы.

Однако, на данный момент, выплавка стали чаще производится при помощи такого нагревательного сооружения как дуговая сталеплавильная печь, в ней для плавки используется тепловой эффект, а он является более удобным и практичным.
Своими руками вы можете сделать множество несложных нагревательных конструкций. Например, очень популярна самодельная плавильная печь. Если вы решили соорудить нагревательную мини конструкцию своими руками, необходимо знать ее устройство. Видов индукционных печей существует много, но мы опишем только некоторые из них. При необходимости, вы сможете воспользоваться нужными схемами, чертежами и видео записями.

Компоненты индукционной печи

Для простейших конструкций существуют только две основные части: индуктор и генератор. Однако, вы сможете добавить что-то свое, усовершенствовать агрегат, с помощью нужных схем.

Индуктор  Нагревательная катушка является важнейшей составляющей. От нее зависит абсолютно вся работа нагревательного сооружения. Для самодельных печек с маленькой мощностью допустимо использование индуктора из голой медной трубки с диаметром 10 мм. Внутренний диаметр индуктора должен быть не менее 80 мм. и не более 150 мм., количество витков – 8-10. Необходимо учесть то, что витки не должны соприкасаться, поэтому расстояние между ними должно составлять 5-7 мм. Также никакая часть индуктора не должна касаться его экрана.

Генератор  Вторая по важности составляющая печи – генератор переменного тока. При выборе схемы генератора следует всячески избегать чертежей, дающих жесткий спектр тока. В качестве того, что НЕ нужно выбирать приведем популярную схему на тиристорном ключе.

Устройство тигельной печи

Внутри находится плавильный тигель со сливным носком (“воротником“). По внешним бокам конструкции, в вертикальном положении расположен индуктор. Далее идет слой тепловой изоляции, а вверху располагается крышка. С одной из внешних сторон возможно наличие подвода тока и охлаждающей воды. Снизу находится устройство для сигнализации износа тигля.

Плавильный тигель является одной из самых важных составляющих агрегата, он в огромной степени определяет её эксплуатационную надежность. Поэтому к тиглю и к другим используемым материалам предъявляются очень жесткие требования.

Как сделать индукционную печь

Сначала нужно собрать генератор для индуктора. Здесь вам понадобится схема К174ХА11. Трансформатор должен быть намотан на мини-кольцо с диаметром 2 сантиметра. Вся обмотка выполняется проводом с диаметром 0,4 сантиметра и должна составлять 30 витков. Для первичной обмотки характерно наличие ровно 22 витков провода с диаметром 1 миллиметр, а во вторичной должно содержаться всего 2-3 витка такого же провода, но уже сложенного в четыре раза. Индуктор надо сделать из 3 мм. проволоки с диаметром в 11 мм. Должно быть ровно 6 витков. Чтобы настроить резонанс, лучше всего установить обычный или мини светодиод.

Описанная нами, индукционная мини-печка является простейшей в своем роде. Она имеет слабый генератор, из-за того, что в нем используются низковольтные транзисторы КТ805ИМ. Однако, после изучения этого простого примера вы сможете сделать более сложные печки своими руками. Вы всегда можете воспользоваться нужными схемами и чертежами.