Назад: 1.8. Физико-технические основы индукционного нагрева

1.9. Индукционные плавильные установки

По конструктивным особенностям индукционные плавильные печи подразделяются 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 устройств индукционной плавки. Эти методы обеспечивают получение указанных материалов без примесей и при гораздо более высоких температурах, чем в тигельных или канальных индукционных печах. Это гарнисажная плавка, индукционная струйная плавка, плавка во взвешенном состоянии, зонная плавка в холодном тягле, кристаллизационная плавка.

Индукционные канальные печи (ИКП). В этих печах канал с расплавленным металлом является короткозамкнутым витком вторичной обмотки трансформатора (рис.1.17). В нем поглощается 90-95 % подводимой к печи электрической энергии.

Рис. 1.17. Схема канальной открытой однофазной печи

со стержневым магнитопроводом

С целью снижения потерь магнитного рассеяния Ф_р первичную ω₁ и вторичную ω₂ обмотки располагают на одном стержне магнитопровода М, по которому протекает основной магнитный поток Ф₁.

Индукционная канальная печь имеет следующие отличия от силовых трансформаторов: вторичная обмотка совмещена с нагрузкой и имеет только один виток с относительно малой высотой по сравнению с высотой первичной обмотки; из-за различия большого потока рассеяния Ф_р, вызванного необходимостью футеровки печи, она имеет низкий cos(φ).

Магнитный поток первичной обмотки Ф₁, пересекая канал с металлом, наводит в нем электродвижущую силу Е₂. Возникающий в короткозамкнутом витке (канал с расплавленным металлом) тока I₂, проходя по металлу, выделяет теплоту согласно закону Джоуля-Ленца.

Поток рассеяния Ф_р составляет приблизительно 25-30 % от основного потока Ф₁, поэтому E₂ < E₁k_тр (k_тр – коэффициент трансформации: ; для канальных печей k_тр = ω₁).

ЭДС вторичной обмотки

(1.29)

где I₂ – ток в канале печи, A; R'₂, X'₂ – приведенные активное и реактивное сопротивление канала соответственно, Ом; z₂ – комплексное сопротивление, Ом.

При условии синусоидального напряжения коэффициент мощности печи

(1.30)

Из формулы следует, что cos(φ) уменьшается с увеличением потока рассеяния и уменьшением активного сопротивления металла. Вследствие большого зазора между индуктором и каналом печи, что вызвано необходимостью футеровки, реактивная мощность печи в несколько раз превосходит ее активную мощность, а естественный cos(φ) = 0,3-0,7. Меньшие значения коэффициента мощности соответствуют канальным печам для плавки металлов с низким удельным электрическим сопротивлением (медь, алюминий). Большие значения коэффициента мощности соответствуют канальным печам для плавки металлов с высоким удельным электрическим сопротивлением (сталь, чугун).

В канальных печах однородный химический состав и одинаковая температура жидкого металла достигают воздействием магнитного поля индуктора с током в канале, что приводит к возникновению магнитогидродинамических явлений в печах.

Рассмотрим взаимодействие тока канала с магнитным полем на двух участках канала К (рис.1.18,а): участок постоянного поперечного сечения канала S_K, коаксиальный индуктор И; II – участок с непостоянным по длине и не аксиальным по отношению к индуктору поперечным сечением. Допустим равномерное распределение тока.

Рис.1.18. Схема взаимодействия тока канала с магнитным полем

На участке I (рис.1.18,6) вследствие круговой симметрии системы вектор плотности тока имеет только одну аксиальную компоненту δ_z (ось Z расположена вдоль оси канала по всей его длине), а магнитная индукция – одну тангенциальную компоненту B_Q. Электромагнитная сила в этом случае также имеет лишь радиальную компоненту F_r, направленную от поверхности к оси канала. Эта сила вызывает сжатие металла (пинч-эффект). На всей длине участка I значения этих сил постоянны, поэтому они не могут вызвать движение металла в канале, а оказывают лишь статическое воздействие на металл, сжимая его по радиусу канала. Для исключения пережатия расплава необходимо, чтобы сила гидростатического давления металла в соответствующей точке канала и силы атмосферного давления на поверхности ванны металла были больше силы электромагнитного сжатия.

На участке II (рис. 1.18, в) индукция также имеет составляющую B_Q, но вектор плотности тока имеет две компоненты – осевую δ_z и радиальную δ_r. Взаимодействие B_Q и δ_r создает силу сжатия, в то время как взаимодействие B_Ǫ и δ_z создает аксиальную компоненту электромагнитной силы F_z, действующей на расплав вдоль оси и заставляющей его перемещаться в направлении силы F_z (вдоль канала).

Таким образом, изменение формы и размеров канала вдоль его оси позволяет обеспечить сквозное течение металла в канале вследствие возникающей силы. Это дает возможность исключить перегрев металла в канале и повысить мощность индукционной единицы.

Наиболее важным достоинством индукционных канальных печей является их высокий энергетический КПД, достигающий в зависимости от рода переплавляемого металла значений 60 %, а также малый угар металла в ИКП, поскольку в них нет большого перегрева металла и его сильного окисления на поверхности ванны печи.

Выбор типа канальной печи определяется рядом их особенностей, из которых выделяют основные:

1 – необходимость непрерывного режима работы;

2 – необходимость оставления несливной части металла – "болота" (обычно 25-30 % от полной емкости печи);

3 – сложность перехода к плавке других металлов.

В конструктивном отношении современные типы ИКП выполнены, как правило, с закрытым каналом. Их характерная особенность – наличие двух зон – зоны выделения энергии («индукционная единица») и плавильной зоны (ванны печи). Индукционной единицей в ИКП является трансформатор, вторичной обмоткой которого служит металл в канале печи. По конструкции индукционной единицы они бывают одинарные и сдвоенные, с одним или двумя каналами на один индуктор (рис.1.19). Канал изготовляется с помощью специальных шаблонов, футеровку канала выполняют из набивных масс различного состава в зависимости от выплавляемого металла или сплава.

Рис.1.19. Конструкции индукционных единиц канальных печей: а – одинарная; б – сдвоенная; 1 – футеровка; 2 – водоохлаждаемый кожух; 3 – магнитопровод; 4 – индуктор

Футеровка индукционных единиц имеет меньший срок службы по сравнению с футеровкой ванны, поскольку испытывает большую термическую нагрузку. Поэтому в современных ИКП используют съемные индукционные единицы, что позволяет производить ее замену без перефутеровки ванны, а порой и без вывода печи из эксплуатации.

Каналы выполняют в виде колодца, прямоугольных участков и полукольца или только из прямоугольных участков (для облегчения чистки каналов при их "зарастании"). Сечения каналов бывают круглой, прямоугольной или овальной формы.

Магнитопровод изготавливается из листовой трансформаторной стали и делается разборным для удобства установки и демонтажа катушки-индуктора.

Параметры и конструкции ИКП зависят от рода переплавляемых металлов и их назначения. Получили распространение три основные конструктивные разновидности канальных печен: шахтная, барабанная и двухкамерная (рис.1.20).

Рис. 1.20. Основные типы конструкций ИПК: а – шахтная; б – барабанная; в – двухкамерная

В ИКП шахтного типа плавильная камера имеет форму вертикального цилиндра, к донной части которого присоединена плавильная единица (рис.1.20, а). При разливе металла печь наклоняют с помощью гидравлического устройства. Достоинством конструкции печей этого типа является простота выполнения, ремонта и замены футеровки ванны печи. В ИКП барабанного типа плавильная камера выполнена в виде горизонтально расположенного цилиндра. Она установлена на цапфах или катках с различными приводами механизма наклона. Печь имеет несколько индукционных единиц, которые установлены в нижней части печи (рис.1.20, б).

Двухкамерные канальные печи выполнены с наклонными или горизонтально расположенными каналами, соединяющими между собой две ванны. При этом одна из них используется как плавильная, а другая как раздаточная.

В ИКП тепловая энергия выделяется в жидком металле в канале и передается в ванну печи в результате теплопроводности и конвекции. Конвекция обусловлена как разностью температур металла, так и действием электромагнитных сил, возникающих в металле канала. Из-за недостаточной циркуляции металла его температура в канале может на 100-200 К превосходить температуру в ванне.

Индукционные тигельные печи (ИТП) (рис.1.21). Нагреваемые в них электропроводящие тела образуют с индуктором, создающим переменное электромагнитное поле, систему двух индуктивно связанных контуров с током I (рис.1.21, б).

Рис. 1.21. Индукционно тигельная печь со стальным тиглем: а – печь; б – схема ИТП

ИТП состоит из 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 наклона печи при сливе металла.

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

Плавка металла в ИТП характеризуется распределением выделения энергии по большей части периферии садки и интенсивным ее перемешиванием за счет контуров с током I.

В ИТП возможно опорожнение печи при переходе на плавку другой марки сплава или при длительном простое печи.

Положительные свойства ИТП следующие:

а) возможность получения чистых по химическому составу металлов и сплавов, так как отсутствует соприкосновение с топливом или электродами;

б) возможность проведения плавки в нейтральной среде или в вакууме для получения металлов высокого качества;

в) отсутствие перегрева футеровки, что повышает срок службы печи.

В ИТП имеет место движения расплава в тигле, что определяется взаимодействием электромагнитного поля индуктора и наведенного в металле электрического тока. Это приводит к возникновению в расплаве двухконтурной циркуляции, когда расплав движется вдоль оси вверх (в верхнем контуре) и вниз (в нижнем контуре) по отношению к средней плоскости индуктора. Такая циркуляция в ИТП называется естественной. Скорость движения металла при этом пропорциональна напряженности магнитного поля, а также зависит от частоты тока индуктора, удельной мощности печи, геометрических соотношений тигля и расплава.

Вся поглощаемая энергия практически выделяется в слое металла толщиной ∆_{э гор} – глубина проникновения тока в горячий металл. По мере нагрева садки меняется магнитная проницаемость и удельное электрическое сопротивление металла, поэтому частота тока индуктора определяется из условий оптимального режима плавки, соответствующего максимальной скорости расплавления.

ИТП имеют естественный коэффициент мощности cos(φ) = 0,8-0,3 и требуют установки батареи конденсаторов для компенсации реактивной мощности. ИТП могут работать с "болотом" и без него. "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.

Конструкция современных ИТП средней емкости предусматривает возможность изготовления отдельного выемного узла, состоящего из индуктора и тигля, что сокращает время при их замене.

Гарнисажная плавка (индукционная плавка без соприкосновения расплава с футеровкой) – 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 индуктора или охватываемого им тигля слоя гарнисажа из порошка переплавляемого металла. Наружные слои порошка, соприкасающиеся с относительно холодным индуктором или тиглем, охлаждаются в процессе плавки, не соприкасаются, остаются мало электро- и теплопроводными и выполняют функцию футеровки.

Индукционная струйная плавка, заключается в том, что переплавляемый металл в виде чушек, губки, гранул или порошка прессуется в заготовки-стержни, которые затем перемещаются с определенной скоростью через индуктор. Нагрев и расплавление заготовки осуществляются за счет протекания индуцированного (кольцевого) тока по боковой поверхности заготовки на глубине его проникновения. Жидкий металл каплями или при достаточной мощности индуктора непрерывной струей стекает в изложницу и образует слиток нужного размера.

Индукционная плавка во взвешенном состоянии. Физические основы метода заключаются в том, что в индуктор или систему индукторов, создающих переменное электромагнитное поле определенной конфигурации, помещают переплавляемый металл. При достаточных усилиях, являющихся результатом взаимодействия индуцированных в металле токов с электромагнитным полем индуктора, возникает состояние парения металла в магнитном поле. Металл стремится расположиться в зоне с минимальной напряженностью магнитного поля (потенциальной яме).

При достаточной подводимой к индуктору мощности металл расплавляется в переменном электромагнитном поле и висит в потенциальной яме без каких-либо поддерживающих конструкций.

Высококачественные монокристаллы выращивают и с помощью бестигельной зонной плавки с индуктивным способом передачи энергии в расплав (рис.1.22). Для зонной плавки характерно медленное перемещение узкой расплавленной зоны 3 через сравнительно длинный твердый образец 1, 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.

Рис.1.22. Схема зонной плавки: 1 – поликристалл; 2 – индуктор; 3 – расплавленная зона; 4 – монокристалл; 5 – источник питания

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

Индукционные нагревательные установки. Они широко применяются в различных технологических процессах в машиностроении. Их подразделяют на два основных типа: процессы сквозного и поверхностного нагрева. Сквозной нагрев применяется для нагрева заготовок под последующую пластическую деформацию: ковку, штамповку, прессовку, прокатку и т.д.

По сравнению с другими видами нагрева (в пламенных печах и ЭПС) индукционный нагрев имеет малый угар металла и меньший брак из-за снижения попадания окалины в обрабатываемое изделие.

В зависимости от геометрических размеров нагреваемых деталей и их материала применяются индукционные источники питания на токе частотой 50-10000 Гц. Для установок сквозного нагрева выбор рабочей частоты тока производится таким образом, чтобы выделение теплоты происходило в слое достаточной толщины по сечению детали при отсутствии большого градиента температуры между поверхностью и слоем определенной толщины. При этом будет меньше перегрев поверхности заготовки и выше КПД установки. Нагрев считают глубинным, если соблюдается условие

где r_о – радиус нагреваемой заготовки; ∆_э.гф – глубина проникновения тока в металл горячей заготовки. Необходимая частота для сквозного нагрева стальных цилиндрических заготовок ориентировочно может быть определена по соотношению

, (1.31)

где d_o - диаметр нагреваемой заготовки, см.

По режиму установки сквозного нагрева подразделяют на установки непрерывного и периодического действия. В установках периодического действия нагревается только одна заготовка или ее часть. При нагреве заготовок из магнитного материала происходит изменение потребляемой мощности: вначале она возрастает, а затем при достижении точки Кюри снижается до 60-70 % от начальной. При нагреве заготовок из цветных металлов мощность в конце нагрева несколько увеличивается за счёт роста удельного электрического сопротивления.

В установках непрерывного действия одновременно находится несколько заготовок, расположенных в продольном или поперечном магнитном поле (рис.1.23).

Рис.1.23. Схемы индукционных нагревательных установок непрерывного действия в продольном (а, в, г) и поперечном (б, д) магнитном поле; 1 – индуктор; 2 – нагреваемое изделие; 3 – теплоизоляция; 4 – механизм перемещения заготовки; 5 – магнитопровод.

В процессе нагрева они перемещаются по длине индуктора, нагреваясь до заданной температуры.

Конструкция индуктора для сквозного нагрева зависит от формы и размера деталей. Индукторы выполняют круглого, овального, квадратного или прямоугольного сечения. Для нагрева концов заготовок индукторы выполняют щелевыми или петлевыми (рис.1.23, г, д).

Индукционный поверхностный нагрев сопровождается проявлением поверхностного эффекта и эффекта близости. Вследствие поверхностного эффекта ток в нагреваемом изделии распределяется неравномерно. Наибольшая плотность тока имеет место в поверхностных слоях изделия. Рост плотности тока от центра к поверхности проводника происходит по экспоненциальному закону:

где δ_х – среднеквадратичное значение плотности тока на расстоянии х от поверхности проводника; δ_о – среднеквадратичное значение плотности тока на поверхности проводника; ∆_э – глубина проникновения – расстояние от поверхности проводника по направлению к центру, на котором плотность тока убывает в е раз по сравнению с плотностью тока на его поверхности. При использовании тока высокой частоты в поверхностном слое получают большую плотность тока, обеспечивая высокую скорость нагрева металла.

Индукционные установки поверхностного нагрева применяются для нагрева деталей под последующую термохимическую обработку (закалка, цементация, азотирование и т.п.).

Индукционная закалка заключается в быстром нагреве поверхности изделия с последующим быстрым охлаждением на воздухе, в воде или масле. При этом поверхность приобретает высокую твёрдость и способность хорошо работать на трение, а "сырая" сердцевина обеспечивает высокую сопротивляемость ударным нагрузкам. При таком нагреве удается во много раз уменьшить объем нагреваемого материала (по сравнению со сквозным нагревом) и значительно сократить расход электроэнергии.

Высокий электрический и тепловой КПД системы индуктор - нагреваемая деталь определяется формой и размером индуктора. Схемы некоторых индукторов для поверхностного нагрева показаны на рис.1.24, 1.25.

Рис. 1.24. Технологические схемы поверхностного индукционного нагрева плоских тел: 1 – индуктор; 2 – нагреваемое изделие; 3 – нагреваемый слой изделия

Рис.1.25. Схема поверхностного индукционного нагрева тел вращения: 1 – деталь, 2 – водоохлаждаемый индуктор

Индукторы характеризуются удельной поверхностной мощностью Вт/м², которая зависит от частоты тока, глубина прогрева, размеров нагреваемых изделий и изменяется в очень широких пределах.

Для обеспечения равномерного нагрева заготовок в индукторе его длину ℓ₁ необходимо выбирать несколько большей длины садки ℓ₂. При несоблюдении этого условия концы заготовок могут оказаться подогретыми, поскольку на концах индуктора магнитное поле сильно искажено, а также вследствие тепловых потерь в концевых зонах нагреваемых заготовок, где экранирующее действие футеровки меньше.

Оптимальный диаметр индуктора d₁ обусловлен поддержанием максимального КПД, а также конструктивными соображениями, учитывающими, что внутри индуктора должны быть расположены тепловая и электрическая изоляция, а в большинстве случаев и специальные направляющие.

Оптимальная частота f_oпт, необходимая для нагрева на заданную глубину ∆_опт,

f_опт = r/(pmD_э²) (1.32)

гдe ρ – удельное электрическое сопротивление нагреваемого материала, Ом×м.

Для поверхностного нагрева стали под закалку (μ = 1)

(1.32)

Выбор оптимальной частоты для нагрева металла осуществляется по максимальному значению общего КПД, соответствующему минимальному удельному расходу энергии. Электрический КПД индуктора зависит от ряда величин: соотношение диаметров детали d₂, индуктора d₁, удельного сопротивления металла индуктора ρ₁ и заготовки ρ₂ магнитной проницаемости металла μ детали.

(1.34)

Чем больше ρ нагреваемого изделия, тем выше η_э

Далее: 1.10. Физические основы диэлектрического нагрева