2. Технология плавления и мгд-явления в индукционных печах

1. Устройство и принцип работы индукционных канальной и тигельной печей

Рассмотрим характер электромагнитных процессов, протекающих в индукционной канальной печи [6.1].

Индукционная канальная печь (ИКП) представляет собой электропечь, в которой преобразование электрической энергии в тепловую происходит в индукционных единицах (ИЕ). На рисунке 6.1 представлена фотография ИКП типа ИАК-40, установленной в литейном цехе Красноярского металлургического завода.

Печь состоит из футерованной огнеупорным кирпичом ванны и девяти ИЕ.

Индукционная плавильная тигельная печь (рисунок 6.24) представляет собой цилиндрическую электромагнитную систему с многовитковым индуктором 1. Поскольку загрузка 2 нагревается до температуры, превышающей температуру плавления, обязательным элементом конструкции печи является тигель – сосуд, в который помещается расплавляемая шихта. В зависимости от электрических свойств материала тигля различают индукционные печи с непроводящим (рисунок 6.24,а) и проводящим (рисунок 6.24,б) тиглем.

а б

Рисунок 6.24. Устройство индукционной тигельной печи

К первой группе относятся печи с диэлектрическим керамическим тиглем 3, предназначенные для плавления металлов. В таких печах загрузка нагревается индуктированным в ней током, тигель же эквивалентен воздушному зазору.

Ко второй группе относятся печи со стальным, графитовым или граффито – шамотным тиглем 4, обладающим большей или меньшей электропроводностью. Если толщина стенки тигля более чем вдвое превышает глубину проникновения тока в материал тигля, то можно считать, что индуктированный ток сосредоточен в стенке тигля, загрузка же подогревается только путем теплопередачи и может не обладать электропроводностью. При меньшей толщине стенки тигля электромагнитное поле проникает в загрузку и энергия выделяется как в стенке тигля, так и в самой загрузке, если она электропроводна. Печи с проводящим тиглем имеют теплоизоляцию 5.

Так как направление индуктированного в расплаве тока противоположно току индуктора, между индуктором и расплавом возникают силы отталкивания. Расплавленный металл в ИТП как бы обжимается электромагнитным полем. В средней по высоте части цилиндрического тигля силы отталкивания имеют максимальную величину, а ближе к верхнему и нижнему краям тигля радиальная составляющая электромагнитных сил уменьшается. Под действием такой системы сил металл в средней части тигля перетекает от периферии к оси, затем по оси тигля выжимается вверх к зеркалу ванны и вниз по дну тигля, совершая так называемую двухконтурную циркуляцию (пунктирные линии 3 на рисунке 6.24,а). Такая циркуляция в ИТП называется естественной. Скорость металла при этом пропорциональная напряженности магнитного поля, а также зависит от частоты тока индуктора, удельной мощности печи, геометрических соотношений тигля и расплава.

Рисунок 6.25. Магнитное поле индукционной тигельной печи

Индукционные тигельные печи широко используются для плавки черных и цветных металлов. Кроме этого тигельные печи часто используются в комплексе с другими плавильными агрегатами. В этих случаях металл, предварительно расплавленный в плавильном агрегате, поступает затем в индукционную электропечь для рафинирования и доведения до заданного химического состава. По принципу действия тигельная печь подобна воздушному трансформатору. Первичной обмоткой является индуктор, вторичной обмоткой является расплавленный металл в тигле, помещенном внутри индуктора. Установка также как и индукционная единица канальной печи имеет мощный магнитный поток, сосредоточенный между индуктором и металлом и частично проникающий в расплавленный металл.

На рисунке 6.25 представлена картина распределения магнитного поля в ИТП, полученная в результате численного моделирования.

Как следует из рисунка 6.25, магнитное поле в индукционной тигельной печи, в основном, сосредоточено между индуктором и металлом в тигле.