Охлаждение индуктора индукционной печи. Схемы индукционных печей. Устройство индукционных электропечей

Индукционная плавильная печь применяется для плавления металлов и сплавов уже на протяжении последних нескольких десятилетий. Устройство получило широкое распространение в металлургической и машиностроительной областях, а также в ювелирном деле. При желании простую версию этого оборудования можно изготовить своими руками. Рассмотрим принцип работы и особенности применения индукционной печи подробнее.

Принцип индукционного нагрева

Для того чтобы металл перешел из одного агрегатного состояния в другое требуется нагреть его до достаточно высокой температуры. При этом у каждого металла и сплава своя температура плавления, которая зависит от химического состава и других моментов. Индукционная плавильная печь проводит нагрев материала изнутри при создании вихревых токов, которые проходят через кристаллическую решетку. Рассматриваемый процесс связан с явлением резонанса, который становится причиной увеличения силы вихревых токов.

Принцип действия устройства имеет следующие особенности:

1. Пространство, которое образуется внутри катушки, служит для размещения заготовки. Использовать этот метод нагрева в промышленных условиях можно только при условии создания большого устройства, в которое можно будет поместить шихту различных размеров.
2. Устанавливаемая катушка может иметь различную форму, к примеру, восьмерки, но наибольшее распространение получила спираль. Стоит учитывать, что форма катушки выбирается в зависимости от особенностей заготовки, подвергаемой нагреву.

Для того чтобы создать переменное магнитное поле устройство подключается к бытовой сети электроснабжения. Для повышения качества получаемого сплава с высокой текучестью применяются высокочастотные генераторы.

Устройство и применение индукционной печи

При желании можно создать индукционную печь для плавки металла из подручных материалов. Классическая конструкция имеет три блока:

1. Генератор, который создает ток высокой частоты переменного типа. Именно он создает электрический ток, преобразующийся в магнитное поле, проходящее через материал и ускоряя движение частиц. За счет этого происходит переход металла или сплавов из твердого состояния в жидкое.
2. Индуктор отвечает за создание магнитного поля, которое и нагревает металл.
3. Тигель предназначен для плавки материала. Он помещается в индуктор, а обмотка подключается к источникам тока.

Процесс преобразования электрического тока в магнитное поле сегодня применяется в самых различных отраслях промышленности.

К основным достоинствам индуктора можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Современное устройство способно направлять магнитное поле, за счет чего повышается КПД. Другими словами, проходит нагрев шихты, а не устройства.
2. За счет равномерного распространения магнитного поля заготовка нагревается равномерно. При этом с момента включения устройства до плавки шихты уходит небольшое количество времени.
3. Однородность получаемого сплава, а также его высокое качество.
4. При нагреве и плавлении металла не образуются испарения.
5. Сама установка безопасна в применении, не становится причиной образования токсичных веществ.

Существует просто огромное количество различных вариантов исполнения самодельных индукционных печей, каждая имеет свои определенные особенности.

Виды индукционных печей

Рассматривая классификацию устройств, отметим, что нагрев заготовок может проходить как внутри, так и снаружи катушки. Именно поэтому выделяют два типа индукционных печей:

1. Канальная. Подобного рода устройство имеет небольшие каналы, которые расположены вокруг индуктора. Для генерации переменного магнитного поля внутри расположен сердечник.
2. Тигельная. Эта конструкция характеризуется наличием специальной емкости, которую называют тигель. Изготавливается она из тугоплавкого металла с высоким показателем температуры плавления.

Важно, что канальные индукционные печи обладают большими габаритными размерами и предназначаются для промышленного плавления металла. За счет непрерывного процесса плавки можно получать большой объем расплавленного металла. Канальные индукционные печи применяются для плавки алюминия и чугуна, а также других цветных сплавов.

Тигельные индукционные печи характеризуются относительно небольшими размерами. В большинстве случаев подобного рода устройство применяется в ювелирном деле, а также при плавке металла в домашних условиях.

Создавая печь своими руками можно провести регулировку мощности, для чего изменяется количество витков. Стоит учитывать, что при повышении мощности устройства требуется более емкая батарея, так как повышается показатель энергопотребления. Для того чтобы снизить температуру основных элементов конструкции устанавливается вентилятор. При длительной эксплуатации печи ее основные элементы могут существенно нагреваться, что стоит учитывать.

Еще большое распространение получили индукционные печи на лампах. Подобную конструкцию можно изготовить самостоятельно. Процесс сборки имеет следующие особенности:

1. Медная трубка применяется для создания индуктора, для чего ее сгибают по спирали. Концы также должны быть большими, что требуется для подключения устройства к источнику тока.
2. Индуктор следует поместить в корпусе. Изготавливается он из термостойкого материала, который может отражать тепло.
3. Проводится соединение каскадов ламп по схеме с конденсаторами и дросселями.
4. Выполняется подключение неоновой лампы-индикатора. Она включается в схему для обозначения того, что устройство готово к работе.
5. В систему подключают подстроечный конденсатор переменной емкости.

Важным моментом является то, как можно провести охлаждение системы. При работе практически всех индукционных печей основные элементы конструкции могут нагреваться до высокой температуры. Промышленное оборудование имеет систему принудительного охлаждения, которое работает на воде или антифризе. Для того чтобы создать конструкцию водяного охлаждения своими руками требуется довольно много средств.

В домашних условиях устанавливается система воздушного охлаждения. Для этого устанавливаются вентиляторы. Следует располагать их так, чтобы обеспечивать беспрерывный поток холодного воздуха к основным элементам конструкции печи.

Нагревание тел с помощью электромагнитного поля, возникающего от воздействия индуцированным током, называется индукционным нагревом. Электротермическое оборудование, или индукционная печь, имеет разные модели, предназначенные для выполнения задач разного назначения.

Конструкция и принцип действия

По техническим характеристикам устройство является частью установки, используемой в металлургической промышленности. Принцип работы индукционной печи зависит от переменного тока , мощность установки формируется назначением прибора, в конструкцию которого входит:

1. индуктор;
2. каркас;
3. плавильная камера;
4. вакуумная система;
5. механизмы перемещения объекта нагревания и другие приспособления.

Современный потребительский рынок располагает большим количеством моделей приборов, работающих по схеме образования вихревых токов. Принцип работы и конструкционные особенности промышленной индукционной печи позволяет выполнять ряд специфических операций, связанных с плавкой цветного металла, термической обработкой изделий из металла, спекания синтетических материалов, очисткой драгоценных и полудрагоценных камней. Бытовые приборы используются для дезинфекции предметов быта и обогрева помещений.

Работа ИП (индукционной печи) заключается в нагревании помещенных в камеру предметов вихревыми токами, излучаемыми индуктором, представляющим собой катушку индуктивности, выполненную в форме спирали, восьмерки или трилистника с обмоткой проводом большого поперечного сечения. Работающий от переменного тока индуктор создает импульсное магнитное поле, мощность которого изменяется в соответствии с частотой тока. Предмет, помещенный в магнитное поле, нагревается до точки закипания (жидкости) или плавления (металл).

Установки, работающие с помощью магнитного поля, производятся в двух типах: с магнитным проводником и без магнитопровода. Первый тип приборов имеет в конструкции индуктор, заключенный в металлический корпус, обеспечивающий быстрое повышение температуры внутри обрабатываемого объекта. В печах второго типа магнитотрон находится снаружи установки.

Особенности индукционных приборов

От мастера также требуются навыки конструирования и монтажа электроприборов. Безопасность устройства индивидуальной сборки заключается в ряде особенностей:

1. емкости оборудования;
2. рабочей частоты импульса;
3. мощности генератора;
4. вихревых потерь;
5. гистерезисных потерь;
6. интенсивности тепловой отдачи;
7. способа футеровки.

Свое название канальные печи получили за наличие в пространстве агрегата двух отверстий с каналом, образующим замкнутый контур. По конструкционным особенностям прибор не может работать без контура, благодаря которому жидкий алюминий находится в непрерывном движении. При несоблюдении рекомендаций завода изготовителя оборудование самопроизвольно отключается, прерывая процесс плавки.

По расположению каналов индукционные плавильные агрегаты бывают вертикальными и горизонтальными с барабанной или цилиндрической формой камеры. Барабанная печь, в которой можно плавить чугун, выполнена из листовой стали. Поворотный механизм оснащен приводными роликами, электродвигателем на две скорости и цепной передачей.

Жидкая бронза заливается через сифон, расположенный на торцевой стенке, присадки и шлаки загружаются и удаляются через специальные отверстия. Выдача готовой продукции осуществляется через V -образный сливной канал, сделанный в футеровке по шаблону, который расплавляется в рабочем процессе. Охлаждение обмотки и сердечника осуществляется воздушной массой, температура корпуса регулируется при помощи воды.

В последнее время за рубежом вновь возрос интерес к индукционным печам как к возможным агрегатам получения слитков, особенно с использованием в качестве шихты металлизованных окатышей.
Применение печей этого типа в сталеплавильных цехах ограничивается во всем мире целями получения сплавов или лигатур, в связи с чем емкость их, как правило, не превышает 5 т.
В литейных цехах, напротив, работают крупные печи. Самая крупная установка в мире включает в себя 4 печи емкостью по 60 т и мощностью по 20 кВт с общей производительностью 160 т/ч. Используемый лом подогревается до 600 °C.
По целому ряду важнейших параметров печи этого типа предпочтительнее дуговых электропечей. В связи с этим возникают вопросы относительно возможных граничных условий применения их в сталеплавильном производстве. Имеющаяся практика свидетельствует о том, что допустимое напряжение может составлять 3000 В и сила тока 70 000 А. Таким образом, кажущаяся мощность может быть в перспективе повышена до 210 MB*А. Индуцированная действительная мощность, зависящая от толщины стен тигля, относится к кажущейся мощности как 1:5-1:7.
Движение металла в индукционной печи, являющееся в целом весьма положительным с металлургических позиций фактором, при чрезмерной удельной мощности может быть, однако, сопряжено с выбросами металла. По этому показателю удельная мощность крупных печей ограничивается пока что величиной 330 кВт/т металла.
На мощность индукционных печей может существенно повлиять толщина футеровки тигля. Футеровка должна быть достаточно надежной и долговечной. Однако по мере увеличения ее толщины снижается полезная мощность печи, к примеру, для печи емкостью 100 т при кажущейся мощности 210 MB*A она снижается до 38 МВт при толщине стен 15 см и до 28 МВт при толщине стен 40 см. Выбор материала стен также на сегодня является большой проблемой. Кислая футеровка выдерживает большое число плавок, что позволяет иметь расход огнеупоров 0,7 кг/т стали при температуре выпуска стали 1550 °C. Однако такая футеровка годится далеко не для всех случаев и, как правило, не приемлема для выплавки стали из обычного лома из-за невозможности удалить из металла серу и фосфор в этом случае. К тому же углерод и марганец металла будут вступать во взаимодействие с кремнеземом футеровки, что может привести к последствиям, влияние которых необходимо ограничивать.
Удаление таких примесей, как кремний, сера, марганец, из металла можно в известной мере обеспечить вдуванием соответствующих порошкообразных материалов без чрезмерного износа футеровки. Можно также обеспечить и кипение металла с известным понижением мощности в этот период во избежание выбросов.
С позиций усвоения легирующих, расплавления легковесной шихты, удаления газов из металла и снижения его газонасыщенности индукционные печи обладают несомненными преимуществами перед дуговыми. Наряду с этим индукционные печи по принципу работы являются по существу агрегатами непрерывного действия и поэтому могут быть более пригодными для передела металлизованной шихты. Важно и то, что работа индукционных печей не сопровождается такими значительными колебаниями электрических параметров, как работа дуговых печей.
Капитальные и эксплуатационные затраты на производство стали в индукционных и дуговых печах близки между собой. Ho при организации непрерывного процесса плавки можно ожидать снижения затрат в случае использования индукционных печей вследствие упрощения конструкции зданий и газоочистки, устранения затрат на борьбу с шумом, меньших затрат на обслуживающий персонал и огнеупоры, более гибкого регулирования температуры и химического состава стали.
Использование индукционных печей для переплава металлизованных окатышей имеет ряд дополнительных преимуществ.
Вследствие интенсивного движения металла в индукционной печи металлизованные окатыши могут быстро увлекаться в глубь ванны, что предохранит их от окисления в процессе плавления. К тому же само плавление происходит без перегрева окатышей, что обеспечивает минимальный угар железа и выделение пыли из печи.
При заданной подводимой мощности к печи температура металла легко регулируется скоростью подачи окатышей.
Могут быть сокращены капитальные затраты, поскольку установка может иметь два тигля, один из которых находится в ремонте, другой в работе. В этом случае достигается высокая степень использования установленной мощности.
Малое время- соприкосновения окатышей с атмосферой, а также отсутствие зон высоких температур, как это имеет место под электрическими дугами в дуговой печи, позволят получать очень низкие содержания азота в металле - на уровне их содержаний в металле, выплавленном в кислородных конверторах.
Что касается металлургических процессов в индукционной печи при переплаве металлизованных окатышей, то они по существу сводятся к двум процессам: удалению фосфора и удалению углерода с одновременным довосстановлением содержащихся в окатышах окислов железа. Содержание серы в окатышах при газовом восстановлении может быть получено на низком уровне.
На ряде индукционных установок в ФРГ емкостью от нескольких десятков килограммов до двух тонн были проведены достаточно разносторонние эксперименты по переплаву металлизованных окатышей, которые позволили выявить многие особенности этого процесса, его преимущества и недостатки, а также в известной мере определить перспективы на будущее.
Скорость нагрева губчатого железа в индукционной тигельной печи джоулевым теплом зависит как от параметров самого губчатого железа, так и печи. При проведении сравнительных экспериментов в двух печах мощностью 54 и 30 кВт с частотой тока соответственно 250 и 2000 Гц при массе плавки от 4 до 22 кг, с использованием губчатого железа пяти сортов с колебаниями размеров кусков от 2-16 до 6-40 мм, насыпной плотности от 1,01 до 2,52 г/см3 и степени металлизации от 83,9 до 99,2 были установлены следующие основные закономерности. Величина индуктируемой в садке мощности и скорость нагрева губчатого железа возрастали с увеличением частоты тока и мощности печи, а также величины кусков губчатого железа, степени его металлизации и насыпной плотности. Однако при наличии выявленной технической возможности расплавления губчатого железа в индукционной печи в отсутствие какого-то количества предварительно расплавленного металла, так называемого "болота", была установлена нецелесообразность такого процесса. Губчатое железо начинало плавиться на дне тигля, а находившийся выше слой губчатого железа вниз не сходил и спекался настолько прочно, что дальнейшая загрузка губчатого железа оказывалась невозможной. Попытки расплавить этот слой могут привести к перегреву уже расплавленного металла и прогару тигля. Чтобы получить необходимую для плавления высокую индуктируемую мощность, необходимы высокочастотные установки, которые значительно более дороги и к тому же металл в них очень слабо перемешивается. Наконец, необходимый нагрев губчатого железа достигался при очень высоком расходе электроэнергии, т.е. при значительно более низком к.п.д. печи, чем при плавлении скрапа.
Дальнейшие опыты с высокочастотной печью (2000 Гц) емкостью 120 кг подтвердили неперспективность использования печей такого типа для плавления губчатого железа. Даже при загрузке губчатого железа на чистую поверхность предварительно расплавленного металла окатыши быстро расплавлялись только в начальный период их загрузки, не увлекаясь при этом в глубь ванны. В дальнейшем начинал образовываться шлак, поверхность которого вследствие излучения и охлаждающего эффекта губчатого железа покрывалась коркой, что препятствовало поступлению свежих порций губчатого железа в металлическую ванну.
Гораздо более обнадеживающими были эксперименты, проведенные в низкочастотной печи (150 Гц) емкостью 1,5 т, в ходе которых переплавлялось губчатое железо со степенью металлизации от 87,6 до 97,0 с крупностью кусков 6-40 мм. Каждую плавку начинали при наличии в печи около 1 т расплавленного металла и дополнительно загружали около 300 кг губчатого железа, после расплавления выпускали около 250 кг металла и скачивали шлак. При этом расход электроэнергии в случае выплавки стали с 0,5 % С составил в среднем 2617 МДж/т и в случае выплавки стали с 1,8 % 2318 МДж/т. На каждый 1 % снижения степени металлизации расход электроэнергии увеличивался на 36 МДж на 1 т выплавленного металла. Длительность плавления каждой порции губчатого железа составляла 16 мин, при этом температура ванны вследствие недостаточности подводимой мощности снижалась на 90 °C. Таким образом, производительность плавления определялась не скоростью плавления, а подводимой мощностью. Поскольку пустая порода губчатого железа имела кислый характер (2,5 % SiO2; 0,1 % CaO и 0,2 % Al2O3), то износ основной футеровки тигля был довольно значительным, увеличивался сверху вниз и достигал 15 % от начальной толщины, составляющей 13 см. Доля восстановленных окислов железа за время плавки составляла около 65 %. В тех случаях, когда шлак не раскислялся кремнием и марганцем, он был пористым и быстро охлаждался с поверхности, что вынуждало прекращать загрузку губчатого железа для скачивания шпака, если степень металлизации губчатого железа не превышала 90 %.
На специально построенной на заводе в Оберхаузене индукционной печи промышленной частоты емкостью 2 т и установленной мощностью 750 кВт было проведено изучение взаимодействия шлака и огнеупорной футеровки тигля, а также реакций на границах раздела фаз губчатое железо - расплав и расплав - шлак. Толщина кладки стен составляла в начале кампании 100 мм и допускалось ее снижение до 40 мм. Использовалось губчатое железо, полученное на установке Пурофер с различным содержанием углерода и пустой породы, а также степени восстановления (табл. 27).

При переплаве железа марки А с низким содержанием фосфора и кислой пустой породой можно было работать на кислых шлаках и кварцевой футеровке тигля. При этом насыщенный шлак содержал около 82 % SiO2; 10 % FeO и 8 % Al2O3. Износа нижней части тигля не наблюдали, но верхняя его часть изнашивалась довольно быстро, ко не за счет химического взаимодействия со шлаком, а в результате попадания на стенки окисленных капель металла и образования при этом легкоплавких силикатов. Устранено это явление может быть путем изготовления этой части тигля из глинозема.
При переплаве губчатого железа марки В основность шлака составляла около 1,5 и количество его не превышало 110 кг/т. Такой шлак разъедал футеровку из плавленого или обожженного магнезита, тигель из материала, содержащего 80 % MgO и 20 % Cr2O3, стоял в течение трех недель при трехсменной работе.
При изучении металлургических процессов при переплаве губчатого железа было отмечено два важных обстоятельства.
1. При выбранных электрических параметрах печи металл в ней интенсивно перемешивался и губчатое железо быстро увлекалось в глубь ванны. Благодаря этому, а также наличию кислорода и углерода в самом губчатом железе реакция обезуглероживания получала большое развитие и протекала с высокими скоростями, несмотря на неблагоприятное соотношение поверхности ванны к ее объему в индукционной печи по сравнению с дуговой печью. В экспериментах скорость обезуглероживания достигала 1 кг/ (м2*мин) и предположительно может быть повышена. Благодаря этому скорость расплавления губчатого железа в индукционной печи емкостью 100 т может достигать 50 т/ч.
2. Температура шлака в индукционной печи не может превышать температуру металла и поскольку к тому же фосфор в губчатом железе находится в пустой породе, то существенно облегчаются возможности получения низкого содержания фосфора в металле. Для стали, выплавленной из губчатого железа марки В, типичным был следующий химический состав, %: С 0,1; Mn 0,04; P 0,011; S 0,005 и N2 0,0015. Эти эксперименты показали, что в случае периодической загрузки губчатого железа при правильном Выборе геометрических и электрических параметров печи особых технических трудностей в процессе его переплава не возникает, однако стоимость плавления, отнесенная к выходу годного металла, выше, чем при плавлении скрапа, увеличивается расход электроэнергии и раскислителей, выше износ футеровки, большие потери времени на скачивание шлака. Поэтому переплав губчатого железа в индукционной Печи может быть экономически целесообразен, если стоимость его будет меньше стоимости скрапа или возможно будет найти источники компенсации этих потерь (большая однородность и чистота губчатого железа, удобство его загрузки и транспортировки и т.д.).
Особенно большие преимущества могут быть получены при обеспечении непрерывной загрузки и выпуска металла. В этом случае в принципе возможны резкое сокращение ручных операций, достижение высокой степени автоматизации процесса, работа при полном тигле на максимальной мощности при соответствии подводимой и потребляемой электрической мощности и обеспечении стационарного процесса плавления, температуры и химического состава металла.
По данным, при периодическом процессе, но с оставлением в тигле 30-60 % металла потребляемая электрическая мощность составляет 75-100 % от номинальной (рис. 101).
Проведенная на серии экспериментов в печи емкостью 130 кг проверка этих предположений в значительной степени их подтвердила, но выявила и ряд новых особенностей процесса, сопряженных с затруднениями.
В течение 970 мин было проплавлено 116 кг губчатого железа со степенью металлизации 96,9 % в кислом тигле с нагревом металла до температуры максимально 1600 °C при содержании в нем углерода от 1,2 до 3,5 %. Загрузка губчатого железа производилась непрерывно через трубу с внутренним диаметром в нижней части 80 мм, непрерывный выпуск металла обеспечивался наклонным положением тигля в ходе экспериментов. Износ тигля при температуре ванны ниже 1500 °C был незначительным, но при температуре выше 1560 °C уже через час наблюдался сильный износ, особенно в верхней части. Расход электроэнергии на 1 т губчатого железа сильно зависел от подводимой мощности и снижался вдвое при увеличении ее с 42 до 78 кВт (рис. 102). При этом производительность плавления повышалась с 10 до 28 т/м2, однако температура металла и содержание в нем углерода возрастали. Таким образом, работа с полным тиглем и максимальной подводимой мощностью может существенно повысить экономичность процесса. Окончательно не подтвердилось предположение о том, что губчатое железо из-за малой его теплопроводности будет расплавляться медленнее, чем скрап. Скорость плавления при стационарном состоянии процесса определялась только количеством подводимого тепла. Поддержание требуемого содержания углерода при достижении стационарности процесса не вызывает затруднений, несмотря на протекание реакций обезуглероживания, и непрерывном растворении в ванне губчатого железа с содержанием углерода, отличным от содержания его в ванне.

Проведенные эксперименты, хотя и не дали окончательного ответа относительно возможной экономической эффективности процесса переплава губчатого железа в промышленных условиях, но прояснили очень многие технологические и экономические аспекты проблемы. Достаточно отчетливо установлено, что количество шлака должно быть минимальным, а степень металлизации максимальной. В этом случае протекание процесса существенно облегчается, но следует отметить, что одновременно возрастает и стоимость губчатого железа. Работа на кислых шлаках, возможна при использовании только кислой футеровки и при содержании фосфора в губчатом железе не выше допустимого в стали. Ho температура нагрева металла в этом случае не должна превышать 1500 °C. Использование магнезитохромитовых тиглей позволяет нагревать металл до более высоких температур, но необходимость нейтрализации кремнезема шлака влечет за собой увеличение расхода раскислителей, электроэнергии, шлакообразующих и снижение выхода годного. Во всех случаях необходима принимать меры против подстуживания шлака, а возможно необходимо будет разрабатывать и способы его подогрева.
Весьма важным обстоятельством является обеспечение таких геометрических размеров тигля и электрических параметров установки, при которых средняя часть поверхности металла в тигле будет свободна от шлака, благодаря чему губчатое железо будет попадать непосредственно на металл и увлекаться в его толщу. В противном случае необходимо будет принятие специальных мер для прохождения губчатого железа через толщу шлака. Согласно предложению фирмы "Тиссен" это может быть обеспечено при отношении удельной мощности печи к корню квадратному из частоты, равному 49,5.
He исключено, что учет всех этих ограничений приведет к созданию какого-то процесса, в котором индукционная печь будет выступать только в качестве агрегата для непрерывного плавления металлизованной шихты, а остальные операции (подогрев, раскисление, легирование, доводка по химическому составу и т.д.) будут осуществляться в агрегатах внепечной металлургии. В качестве такого агрегата в первую очередь может представлять интерес агрегат типа печь - ковш, разработанный фирмами ASEA и SKF, в котором может быть осуществлен весь комплекс отмеченных выше операций.
Тем не менее губчатое железо, получаемое процессом Хоганес, уже в течение длительного времени используется в качестве шихты в количестве от 10 до 60 % при выплавке в кислых индукционных печах емкостью до 12 т инструментальных и конструкционных сталей, сталей тяжелых поковок и в некоторой степени нержавеющих сталей, а также в основных печах, главным образом при выплавке последних. При этом обрабатываемость, чистота и однородность стали существенно повышаются.
Губчатое железо используется в виде брикетов длиной 75 мм и диаметром около 88 мм с содержанием 0,17% С и около 1 % O2. Такое соотношение между кислородом и углеродом позволяет поддерживать ванну в состоянии умеренного кипения и обеспечивает получение, если необходимо, даже и очень низких содержаний углерода. Реакция между этими элементами начинается уже при 700 °C, однако взаимодействие их с хромом и другими, имеющими к ним сродство элементами большого развития не получает. Это открывает возможность сочетать использование губчатого железа с более углеродистым феррохромом, чем обычно применяемый при выплавке низкоуглеродистых сталей.
Во избежание излишних потерь хрома и повышения содержания углерода в расплаве рекомендуется следующий порядок загрузки индукционной печи.
Никель и молибден загружаются на дно печи, затем подаются брикеты губчатого железа, после расплавления этой части шихты производится скачивание шлака и только затем присадка скрапа и оставшихся легирующих добавок.
Извлечение хрома, расход электроэнергии и производительность печей находятся на том же уровне, что и при использовании обычной шихты.
В табл. 28 приведены результаты по извлечению легирующих элементов при выплавке в 12-т индукционной печи аустенитной нержавеющей стали с загрузкой 12,3 % губчатого железа, 24,0 % оборотного скрапа, 9,25 % никеля, 18,5 % феррохрома, 2,85 % ферромолибдена, 31,0 % стального скрапа (0,05 % С) и 2,1 % ферромарганца.
Фирмы "Тиссен" и "Броун Бовери" заключили соглашение о реализации совместного изобретения, касающегося конструкции мощных индукционных печей и процесса передела в них металлизованного сырья, получаемого по способу Пурофер. Изобретение предусматривает создание печей промышленной частоты емкостью свыше 100 т с удельной мощностью 350 кВт/т при частоте тока 50 Гц или 385 кВт/т при частоте тока 60 Гц. Металлическая шихта будет непрерывно подаваться на оголенную от шлака вспученную под влиянием электромагнитного движения центральную часть поверхности металла в тигле. При этом предполагается использовать опыт работы существующей печи емкостью 60 т, мощностью 21 МВт, используемой для плавки чугуна, и реализовать процесс на печи емкостью свыше 100 т и мощностью 45 МВт.

Сам принцип работы индукционной печи состоит в том, что тепло для плавки получают из электричества, которое вырабатывается переменным магнитным полем. В таких печах происходит преобразование энергии от электромагнитной, далее в электрическую и в конечном итоге в тепло. Как же делается индукционная печь своими руками?

Такие печи делят на два типа:

1. Тигельные. В таких печах индуктор и сердечник находятся внутри металла. Такой тип печей используют в промышленных плавильнях, для плавки меди, алюминия, чугуна, стали, а также на ювелирных заводах для плавки драгоценных металлов.
2. Канальные. В таком виде печей индуктор и сердечник находятся вокруг металла.

По сравнению с котлами или же другими печками, индукционные печи имеют ряд преимуществ:

• моментально разогреваются;
• фокусируют энергию в заданном диапазоне;
• экологически чистое устройство и относительная безопасность;
• отсутствует угар;
• огромные возможности регулировки температуры и емкости;
• однородность металла, который плавится.

Индукционные печи также применяют для отопления. Это удобный и в то же время бесшумный метод отопления.

Не требует специального помещения для котла. На греющем элементе накипь не скапливается, а для циркуляции по отопительной системе можно использовать любую жидкость, будь то масло, вода и другие. Также печь долговечна, так как минимально изнашивается. Как и говорилось ранее, она очень экологична, ведь нет никаких вредных выбросов в воздух, а также отвечает всем требованиям пожарной безопасности.

Сбор информации

Человеку, который понимает, как прочитать и понять электрическую схему, будет не сложно разобраться, как сделать подобную индукционную печь. В сети Интернет вы увидите десятки, а то и сотни вариантов изготовления различных индукционных печей с использованием домашнего хлама, например, из старой микроволновки или сварочного инвертора.

Обязательно помните, что электрический ток – вещь опасная. И для изготовления индукционной печи нужно иметь представления о том, что такое нагрев с помощью индукции. Желательно, чтобы с вами был человек, который хорошо понимает хотя бы основы электротехники или имеет опыт работы с электрооборудованием.

Принцип работы

Основа работы такой печки – это извлечение тепла из электрического тока, которое вырабатывает переменное магнитное поле с помощью катушки индуктивности. Выходит, мы получаем тепло сначала из электромагнитной энергии, а потом с электрической. Замкнутость токов, которые текут по виткам индуктора (катушке индуктивности), выделяет тепло и прогревает металл изнутри.

Такая печь может работать иметь упрощенный вариант и работать от домашней сети 220В. Но для этого требуется выпрямитель, то есть адаптер.

Устройство печи

Конструкция индукционного прибора похоже на трансформатор. В нем первичная обмотка питается переменным током, а вторичная служит нагреваемым телом.

Самым простым индуктором считается изолированный проводник (имеющий вид спирали или сердечника), который расположен на поверхности металлической трубы или внутри нее.

Вот некоторые узлы, которые работают по индукции:

• индуктор;
• отсек для плавильной печи;
• нагревающий элемент для обогревательной печи;
• генератор;
• корпус.

В статье рассмотрены схемы промышленных индукционных плавильных печей (канальных и тигельных) и индукционных закалочных установок с питанием от машинных и статических преобразователей частоты.

Схема индукционной канальной печи

Почти все конструкции промышленных индукционных канальных печей выполняются с отъемными индукционными единицами. Индукционная единица представляет собой электропечной трансформатор с футерованным каналом для размещения расплавленного металла. Индукционная единица состоит из следующих элементов, кожуха, магнитопровода, футеровки, индуктора.

Индукционные единицы выполняются как однофазными, так и двухфазными (сдвоенными) с одним или двумя каналами на один индуктор. Индукционная единица подключается ко вторичной стороне (стороне НН) электропечного трансформатора с помощью контакторов, имеющих дугогасящие устройства. Иногда включаются два контактора с параллельно работающими силовыми контактами в главной цепи.

На рис. 1 приведена схема питания однофазной индукционной единицы канальной печи. Реле максимального тока РМ1 и РМ2 служат для контроля и отключения печи при перегрузках и коротких замыканиях.

Трехфазные трансформаторы используются для питания трехфазных или двухфазных печей, имеющих либо общий трехфазный магнитопровод, либо два или три отдельных магнитопровода стержневого типа.

Для питания печи в период рафинирования металла и для поддержания режима холостого хода служат автотрансформаторы для более точного регулирования мощности в период доводки металла до нужного химического состава (при спокойном, без бурления, режиме расплавления), а также для начальных пусков печи при первых плавках, которые проводятся при малом объеме металла в ванне для обеспечения постепенной сушки и спекания футеровки. Мощность автотрансформатора выбирают в пределах 25-30% мощности основного трансформатора.

Для контроля температуры воды и воздуха, охлаждающих индуктор и кожух индукционной единицы, устанавливают электроконтактные термометры, выдающие сигнал при превышении температуры свыше допустимой. Питание печи автоматически отключается при повороте печи для слива металла. Для контроля положения печи служат конечные выключатели, сблокированные с приводом электропечи. У печей и миксеров непрерывного действия при сливе металла и загрузке новых порций шихты отключение индукционных единиц не производится.

Рис. 1. Принципиальная схема питания индукционной единицы канальной печи: ВМ - выключатель мощности, КЛ - контактор, Тр - трансформатор, С - конденсаторная батарея, И - индуктор, ТН1, ТН2 - трансформаторы напряжения, 777, ТТ2 - трансформаторы тока, Р - разъединитель, ПР - предохранители, РМ1, РМ2 - реле максимального тока.

Для обеспечения надежного питания при эксплуатации и в аварийных случаях приводные двигатели механизмов наклона индукционной печи, вентилятора, привод загрузочно-разгрузочных устройств и системы управления питаются от отдельного трансформатора собственных нужд.

Схема индукционной тигельной печи

Промышленные индукционные тигельные печи емкостью более 2 т и 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 обеспечений равномерной нагрузки фаз сети в цепь вторичного напряжения подключают симметрирующее устройство, состоящее из реактора L с регулированием индуктивности методом изменения воздушного зазора в магнитной цепи и конденсаторной батареи Сс, подключаемых с индуктором по схеме треугольника (см. АРИС на рис. 2). Силовые трансформаторы мощностью 1000, 2500 и 6300 кВ-А имеют 9 - 23 ступени вторичного напряжения с автоматическим регулированием мощности на желаемом уровне.

Печи меньших емкости и мощности питаются от однофазных трансформаторов мощностью 400 - 2500 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 6 или 10 кВ можно отказаться от симметрирующего устройства, если колебания напряжения при включении и выключении печи будут находиться в допустимых пределах.

На рис. 2 приведена схема питания индукционной печи промышленной частоты. Печи снабжаются регуляторами электрического режима АРИР, которые в заданных пределах обеспечивают поддержание напряжения, мощности Рп и cosфи путем изменения числа ступеней напряжения силового трансформатора и подключения дополнительных секций конденсаторной батареи. Регуляторы и измерительная аппаратура размещены в шкафах управления.

Рис. 2. Схема питания индукционной тигельной печи от силового трансформатора с симметрирующим устройством и регуляторами режима печи: ПСН - переключатель ступеней напряжения, С - симметрирующая емкость, L - реактор симметрирующего устройства, С-Ст - компенсирующая конденсаторная батарея, И - индуктор печи, АРИС - регулятор симметрирующего устройства, АРИР - регулятор режима, 1K-NK - контакторы управления емкостью батареи, ТТ1, ТТ2 - трансформаторы тока.

На рис. 3 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.

Рис. 3. Схема питания индукционной тигельной печи от машинного преобразователя средней частоты со структурной схемой автоматического регулирования режима плавки: М - приводной двигатель, Г -генератор средней частоты, 1K-NK - магнитные пускатели, ТИ - трансформатор напряжения, ТТ - трансформатор тока, ИП - индукционная печь, С - конденсаторы, ДФ - датчик фазы, ПУ - переключающее устройство, УФР - усилитель-фазорегулятор, 1КЛ, 2КЛ - линейные контакторы, БС - блок сравнения, БЗ - блок защиты, ОВ - обмотка возбуждения, РН - регулятор напряжения.

Схема индукционной закалочной установки

На рис. 4 приведена принципиальная электрическая схема питания индукционного закалочного станка от машинного преобразователя частоты. Помимо источника питания М-Г схема включает в себя силовой контактор К, закалочный трансформатор ТрЗ, на вторичную обмотку которого включен индуктор И, компенсирующую конденсаторную батарею Ск, трансформаторы напряжения и тока ТН и 1TT, 2ТТ, измерительные приборы (вольтметр V, ваттметр W, фазометр) и амперметры тока генератора и тока возбуждения, а также реле максимального тока 1РМ, 2РМ для защиты источника питания от коротких замыканий и перегрузок.

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема индукционной закалочной установки: М -приводной двигатель, Г - генератор, ТН, ТТ - трансформаторы напряжения и тока, К - контактор, 1PM, 2РМ, ЗРМ - реле тока, Рк - разрядник, А, V, W - измерительные приборы, ТрЗ - закалочный трансформатор, OВГ -обмотка возбуждения генератора, РР - разрядный резистор, РВ - контакты реле возбуждения, PC - регулируемое сопротивление.

Для питания старых индукционных установок для термообработки деталей используют электромашинные преобразователи частоты - приводной двигатель синхронного или асинхронного типа и генератор средней частоты индукторного типа, в новых индукционных установках - статические преобразователи частоты.

Схема промышленного тиристорного преобразователя частоты для питания индукционной закалочной установки показана на рис. 5. Схема тиристорного преобразователя частоты состоит из выпрямителя, блока дросселей, преобразователя (инвертора), цепей контроля и вспомогательных узлов (реакторов, теплообменников и пр.). По способу возбуждения инверторы выполняются с независимым возбуждением (от задающего генератора) и с самовозбуждением.

Тиристорные преобразователи могут устойчиво работать как с изменением частоты в широком диапазоне (при самонастраивающемся колебательном контуре в соответствии с изменяющимися параметрами нагрузки), так и при неизменной частоте с широким диапазоном изменения параметров нагрузки в связи с изменением активного сопротивления нагреваемого металла и его магнитных свойств (для ферромагнитных деталей).

Рис. 5. Принципиальная схема силовых цепей тиристорного преобразователя типа ТПЧ-800-1: L - сглаживающий реактор, БП - блок пуска, ВА - выключатель автоматический.

Преимуществами тиристорных преобразователей являются отсутствие вращающихся масс, малые нагрузки на фундамент и малое влияние коэффициента использования мощности на снижение КПД, КПД составляет 92 - 94% при полной нагрузке, а при 0,25 снижается только на 1 - 2%. Кроме того, поскольку частота может быть легко изменена в определенном диапазоне, нет необходимости регулирования емкости для компенсации реактивной мощности колебательного контура.