Индукционные тигельные печи

  Крепление витков индуктора может быть выполнено либо с помощью припаянных шпилек, закрепленных в деревянных стойках в четырех диаметрально противоположных местах по окружности витка индуктора, либо стяжками (с изоляцией витков с помощью многослойной изоляционной ленты или изоляционных прокладок), а также путем заливки жаростойким бетоном. Индукторы, изготовленные последним способом, являются вибростойкими, хорошо противостоят электродинамическим усилиям и механическим воздействиям при наклоне печи, но в случае пробоя изоляции не могут быть отремонтированы и подлежат полной замене.

  Токоподводы к индуктору осуществляют шинопроводами с разъемным соединением в виде контактного ножа и губок или гибким водоохлаждаемым кабелем. Для уменьшения сечения жил кабель помещают в водоохлаждаемый рукав. Сечение шинопроводов выбирают с учетом поверхностного эффекта.

Тигли могут быть электропроводящими (из электропроводящих материалов — стали, графита) или неэлектропроводящими (из керамических материалов). Электропроводящие тигли применяют для улучшения КПД печи при нагреве металлов и сплавов с малым удельным электросопротивлением. Толщина тиглей из стали лежит в пределах 20—40 мм, графитовых—30—70 мм. Графитовые тигли применяют для плавки меди и алюминия, стальные — для плавки магния. Электропроводящий тигель закрепляется с помощью уголков и полос, приваренных к тиглю и кожуху печи в нескольких местах по окружности тигля и соединяемых между собой болтами с изолирующими втулками и шайбами. Между тиглем и индуктором предусматривают огнеупорный и теплоизоляционный слои из шамотной и диатомитовой крупки и асбестового картона.

Воротник печи (верхняя часть тигля) выполняют из шамотовых или магнезитовых кирпичей и обмазывают составом, содержащим глину и другой связующий материал. Сливной носок изготавливают из шамотовых или магнезитовых блоков или кирпичей и также обмазывают. Крышки печей футеруют огнеупорным фасонным кирпичом. При загрузке печи крышку снимают или отодвигают с помощью крана, гидравлического или электромеханического привода.

Тигли устанавливают на подину из асбестоцементных плит или на кирпичные блоки из шамота. Современные печи для плавки алюминиевых сплавов имеют подину из жаропрочного бетона. Между индуктором и огнеупорным тиглем прокладывают асбестовый картон.

  Магнитопроводы применяют для экранировки магнитных полей с целью уменьшения электрических потерь в кожухе или каркасе печи. Магнитопроводы представляют собой пакеты прямоугольной формы, набранные из листов электротехнической стали марок 1511, 1512 или 3411 с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм и скрепленных между собой болтами с изоляционными втулками. Иногда пакеты магнитопроводов служат и для крепления индуктора в радиальном направлении. Пакеты сжимают индуктор по радиусу в нескольких местах по окружности витков индуктора. Магнитная индукция в магнитопроводе равна 0,9—1,2 Тл для частоты 50 Гц и 0,2—0,5 Тл для частоты 500 и 1000 Гц. Применение магнитопроводов для печей на частоту более 1000 Гц нерентабельно, так как их масса возрастает из-за необходимости снижения магнитной индукции. В этом случае применяют электромагнитные экраны, состоящие из медных листов, окружающих индуктор с наружной стороны.

 

Рис. 2. Индукционная тигельная печь со стальным  тиглем для плавки магния. 1— стальной тигель;  2 — индуктор; провод; 3 - набивная футировка; 4 – магнитопровод.

Пакеты магнитопроводов закрепляют с помощью упорных болтов или винтов в каркасе печи. Магнитопроводы могут быть жестко скреплены с каркасом печи, или входить в так называемый узел установки индуктора, и могут быть выемными вместе с индуктором. Это делается для ускорения замены футеровки печи в аварийном случае или плановой замены, предусмотренной графиком планово-предупредительных ремонтов печи. Электромагнитные экраны устанавливаются в вакуумных печах, работающих на повышенной частоте, где особенно важным является уменьшение массы и габаритов отдельных элементов печи.

Кожух (корпус) печи предназначен для крепления индуктора и тигля. Для небольших печей (емкостью 0,1—0,5 т) применяют кожухи из неметаллических материалов — дерева, асбестоцементных плит, брусков текстолита и т. п., а также из немагнитной стали и цветного металла (бронзы, латуни). При применении металлических деталей каркас выполняют с разъемами по окружности во избежание наведения замкнутых токов от электромагнитного поля индуктора. Места разъема соединяют через изолирующие прокладки с помощью болтов и шпилек со втулками и шайбами из изолирующего материала.

Печи промышленной частоты большой емкости (свыше 3 т.) имеют замкнутый сварной или литой кожух из низкоуглеродистой стали или чугуна. Печи емкостью 10—40т снабжены поясами жесткости, расположенными в средней части кожуха, а также поперечными и продольными ребрами жесткости из профильной стали углового и таврового сечений. В кожухе предусматривают окна для отвода нагретого воздуха и проемы для присоединения токоподводов.

Механизмы наклона печи выполняют с электромеханическим или гидравлическим приводом. Поворот печи обычно осуществляется вокруг оси, расположенной под сливным носком для уменьшения перемещения ковша для слива металла; в этом случае изменение траектории струи металла будет наименьшим.

  Во избежание опрокидывания печи предусматривают установку конечных выключателей, срабатывающих при достижении предельных положений печи и выключающих механизм наклона. Наклон печей периодического действия ведут при выключенном электропитании. Электропитание может не выключаться только у миксеров, работающих в непрерывном режиме.

 

Рис. 3.  Индукционная тигельная печь малой емкости (160 кг по стали). 1 – набивной тигель; 2 – индуктор; 3 – деревянная рама; 4 – ось поворота; 5 – подшипниковая стойка; 6 – каркас; 7 – шаблон.

Рис. 3.  Индукционная тигельная печь малой емкости (160 кг по стали). 1 – набивной тигель; 2 – индуктор; 3 – деревянная рама; 4 – ось поворота; 5 – подшипниковая стойка; 6 – каркас; 7 – шаблон.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Технические характеристики индукционных тигельных печей.

Индукционные тигельные   печи применяются в промышленности для получения   черных   металлов (стали,, чугуна, сплавов на основе железа и никеля) и ряда цветных металлов.Печи емкостью 2,5 т и выше питаются от сети 50 Гц через понижающие трансформаторы с первичным напряжением 6 или 10 кВ и регулированием вторичного напряжения под нагрузкой; печи меньшей емкости нуждаются в преобразователях частоты. Мощность печей зависит от емкости и необходимой производительности. Напряжение на индукторе составляет 500—1700 В. Печи для подогрева (миксеры) имеют меньшую мощность, чем плавильные, так как энергия здесь требуется только для подъема температуры жидкого металла на 100—20СРС. Так, миксер ИЧТМ-10 имеет мощность 750 кВт, тогда как плавильная печь ИЧТ-10 — 2300 кВт.

Печи для плавки стали рассчитаны на рабочую температуру тигля 1600—1700° С, а для плавки чугуна — на 1400—1450° С. Для плавки чугуна применяют набивную высокоглиноземистую футеровку, работающую достаточно длительное время. В настоящее время все большее число индукционных печей входят в эксплуатацию взамен вагранок. Стоимость выплавки чугуна в тигельных печах ниже, чем в вагранках, на 20—25 руб. на тонну чугуна (в зависимости от состава исходной шихты) при высоком качестве металла. В тигельных печах можно получить любую марку серого чугуна, а также синтетического чугуна, выплавляемого из шихты с преимущественным содержанием стальных отходов без использования чушковых литейных чугунов. Для доведения химического состава до нужных значений по углероду, кремнию и марганцу используются порошок из электродной стружки, силикокальций и ферромарганец. Для получения высоких технико-экономических показателей печи применяют специальные средства для удаления из шихты влаги, масла, эмульсий и других жиросодержащих веществ (подогрев шихты с использованием дешевого топлива — газа).

На рис.4. показана конструкция печи ИЧТ-10.

 

 

Рис, 4. Индукционная тигельная печь промышленной частоты для плавки чугуна емкостью 10 т. 1 – тигель; 2 – поворотная рама; 3 – опорная рама; 4 – плунжеры; 5 – крышка печи с механизмом подъема. 

  На основе размерного ряда емкостей разработаны варианты плавильных установок, которые позволяют иметь различную производительность и резерв мощностей.

  Печи малой емкости питаются от источников средней частоты. Печи выполняют без внешних магнитопроводов; витки индуктора закрепляют с помощью приваренных шпилек на текстолитовых стойках, тигель устанавливается на асбестоцементных плитах, закрепленных на раме из деревянных брусьев и скрепляющих уголков. Наклон печи осуществляют путем поворота вокруг оси, расположенной под сливным носком. Набивка тигля производится с помощью шаблона, расплавляемого при первой плавке и способствующего спеканию футировки. Шаблоны выполняют сварными из листового проката.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Электрооборудование и схемы питания индукционных тигельных печей

Индукционные тигельные печи емкостью более 2 т в мощностью свыше 1000 кВт питаются от трехфазных понижающих трансформаторов с регулированием вторичного напряжения под нагрузкой, подключаемых к высоковольтной сети промышленной частоты. Печи выполняют однофазными, и для обеспечения равномерной нагрузки фаз сети в цепь вторичного напряжения подключают симметрирующее устройство, состоящее из реактора 1 с регулированием индуктивности методом изменения воздушного зазора в магнитной цепи и конденсаторной батареи Сс, подключаемых с индуктором по схеме треугольника. Силовые трансформаторы мощностью 1000, 2500 и 6300 кВА имеют 9—23 ступени вторичного напряжения с автоматическим регулированием мощности на желаемом уровне.

Печи меньших емкости и мощности питаются от однофазных трансформаторов мощностью 400—2600 кВ-А; при потребляемой мощности свыше 1000 кВт также устанавливают симметрирующие устройства, но на стороне ВН силового трансформатора.

При меньшей мощности печи и питании от высоковольтной сети б или 10 кВ можно отказаться от симметрирующего устройства,

Рис. 5. Схема питания индукционной тигельной печи от силового трансформатора ПТ с симметрирующим устройством и регуляторами режима печи.

ПСН — переключатель ступеней напряжения; С0 — симметрирующая емкость; L-реактор симметрирующего устройства: С-Сn - компенсирующая конденсаторная батарея: И —индуктор печи; АРИС— регулятор симметрирующего устройства; АРИР — регулятор режима; 1К-NК — контакторы управления емкостью батареи С1-Сп; ТТ1, ТТ2 — трансформаторы тока.

 

 

Рис. 6. Планировка размещения электрооборудования индукционной тигельной печи промышленной частоты.

1 — печь; 2 — конденсаторы; 3 — пульт управления; 4 — шкаф контакторов; 5 — реактор симметрирующего устройства; 6 —силовой трансформатор; 7 — фильтр 8 — вентилятор; 9 — установка водоохлаждения; 10 — пульт управления наклоном печи; 11 — маслонапорная установка.

 

если колебания напряжения при включении и выключении печи будут находиться в допустимых пределах. На рис. 5 приведена схема питания печи промышленной частоты. Печи снабжаются регуляторами электрического режима АРИР, которые в заданных пределах обеспечивают поддержание напряжения, мощности Ра и соsφп путем изменения числа ступеней напряжения силового трансформатора и подключения дополнительных секций конденсаторной батареи. Регуляторы и измерительная аппаратура размещены в шкафах управления.

  На рис.6 приведена примерная планировка размещения основного электрооборудования печи промышленной частоты. Для уменьшения потерь от контурных токов компенсирующую конденсаторную батарею располагают вблизи печи или под рабочей площадкой. Силовой трансформатор и реактор симметрирующего устройства размещают в отдельной камере. В воротах этой камеры предусматривают .жалюзи для притока холодного воздуха. Помещение конденсаторной батареи также имеет приточно-вытяжную вентиляцию с фильтрацией воздуха. Маслонапорная установка размещена под печью, а пульт наклона печи — в непосредственной близости от сливного носка печи для удобства наблюдения за разливом металла.

Печи малой и средней емкости питаются от машинных или тиристорных преобразователей частоты. Преобразователи представляют собой равномерную нагрузку трехфазной сети, так что симметрирующие устройства не требуются.

На рис. 7 приведена принципиальная схема питания индукционных тигельных печей от машинного преобразователя средней частоты.

Печи оснащены автоматическими регуляторами электрического режима, системой сигнализации «проедания» Тигля (для высокотемпературных печей), а также сигнализацией о нарушении охлаждения в водоохлаждаемых элементах установки.

Машинные преобразователи серии ВПЧ имеют мощность от 12 до 100 кВт, серии ВЭП — 60 и 100 кВт и частоту 2400 и 8000 Гц; преобразователи серии ОПЧ имеют мощность 250, 320, 500 кВт и частоту 2400, 4000, 8000 и 10000 Гц. Эти преобразователи имеют однокорпусное вертикальное исполнение. Преобразователи большей мощности серии ОПЧ — двухкорпусные, горизонтального исполнения, с водяным охлаждением, мощностью 1000, 1500 и 2500 кВт и частотой 500 и 1000 Гц. Тиристорные преобразователи имеют мощность от 100 до 3200 кВт (например, СЧИ - 100/3 и ТПЧ-800-1 мощностью 100 кВт, 3 кГц и 800 кВт, 1 кГц соответственно).

Для компенсации реактивной мощности печей промышленной частоты предназначены косинусные конденсаторы типов КМ и КС (масляные и соволовые) мощностью от 14 до 75 кВАр и напряжением от 0,22 до 1,05 кВ, а для средних частот – типов ЭМВ и ЭСВ с водяным охлажлением мощностью от 70 до 400 кВар, напряжением 0,375 – 2,0 кВ и со стандартными частотами среднечастотного диапазона.

 

Рис. 7. Схема питания индукционной тигельной печи от машинного преобразователя средней частоты со структурной схемой автоматического регулирования режима плавки.

М — приводной двигатель; Г — генератор средней частоты; 1К—NК. — магнитные пускатели; ТН — трансформатор напряжения; ТТ — трансформатор тока; ИП - индукционная печь: С. 1С—NС — конденсаторы; ДФ —датчик фааы; ПУ — переключающее устройство; УФР — усилитель-фазорегулятор; 1КЛ,2КЛ — линейные контакторы; БС— блок сравнения; БЗ — блок защиты; ОВ – обмотка возбуждения; РН — регулятор напряжения.