Федеральне агентство з освіти
Південно-Уральський державний університет
Кафедра загальної та теоретичної фізики
Реферат
на тему:
«Індукційна плавка металу»
Виконав: студент гр.ФМ-223
Плотніков С.А.
Перевірив: доцент кафедри О.Т.Ф.
Герасимов В.К.
Челябінськ 2008
Зміст
Зміст 2
Вступ 3
Явище електромагнітної індукції 3
Досліди Фарадея 3
Застосування в Металургії 4
Виплавка сталі в індукційних печах 4
Індукційні печі промислової частоти 12
Плавка в печі з кислою футеровкою. 13
Плавка в вакуумних індукційних печах. 13
Висновок 16
Використана література: 17
Введення
Явище електромагнітної індукції
Електричні струми створюють навколо себе магнітне поле. Зв'язок магнітного поля зі струмом призвела до численних спроб порушити струм в контурі з допомогою магнітного поля. Ця фундаментальна задача була блискуче вирішена в 1831 р. англійським фізиком М. Фарадеєм, що відкрив явище електромагнітної індукції. Воно полягає в тому, що в замкнутому провідному контурі при зміні потоку магнітної індукції, охоплюваного цим контуром, виникає електричний струм, який отримав назву індукційного.
Досліди Фарадея
Розглянемо класичні досліди Фарадея, за допомогою яких було виявлено явище електромагнітної індукції.
Досвід I. Якщо в замкнутий на гальванометр соленоїд всувати або висувати постійний магніт, то в моменти його вдвіганія або висування спостерігається відхилення прілі гальванометрі (виникає індукційний струм); напрямки відхилень стрілки при висуванні і висуванні магніту протилежні. Відхилення стрілки гальванометра тим більше, чим більше швидкість руху магніту щодо котушки. При зміні полюсів магніту напрямок відхилення стрілки зміниться. Для отримання індукційного струму магніт можна залишати нерухомим, тоді потрібно щодо магніту пересувати соленоїд.
Досвід ll. Кінці однієї з котушок, вставлених одна в іншу, приєднуються до гальванометра, а через іншу котушку пропускається струм. Відхилення стрілки гальванометра спостерігається в моменти включення або виключення струму, в моменти його збільшення або зменшені або при переміщенні котушок один щодо одного. Напрями відхилився стрілки гальванометра також протилежні при включенні або виключенні струму, його збільшення або зменшення, зближення або видаленні котушок.
Узагальнюючи результати своїх численних дослідів, Фарадей прийшов до висновку, що індукційний струм виникає завжди, коли відбувається зміна зчепленого з контуром потоку магнітної індукції. Наприклад, при повороті в однорідному магнітному полі замкнутого проводить контуру в ньому також виникає індукційний струм. У даному випадку індукція магнітного поля поблизу провідника залишається постійною, а змінюється тільки потік магнітної індукції крізь контур.
Досвідченим шляхом було також встановлено, що значення індукційного струму абсолютно не залежить від способу зміни потоку магнітної індукції, а визначаєте лише швидкістю його зміни (в дослідах Фарадея також доводиться, що відхилення стрілки гальванометра (сила струму) тим більше, чим більше швидкість руху магніту, або швидкість зміни сили струму, або швидкість руху котушок).
Застосування в Металургії
Виплавка сталі в індукційних печах
У індукційної бессердечніковой печі метал розплавляють в тиглі, розташованому всередині індуктора, який представляє собою спіраль з кількома витками з струмопровідного матеріалу.
Через індуктор пропускають змінний струм; створюваний при цьому всередині індуктора змінний магнітний потік (рис. 1) наводить у металі вихрові струми, які забезпечують його нагрівання і плавлення.
Щоб надмірно не збільшувати потужність живлячої піч генератора в схему печі включають конденсатори, компенсуючі індуктивний опір індуктора. Як відомо, наявність індуктивного опору в ланцюзі змінного струму викликає зрушення фаз (величина сили струму відстає від величини напруги), в результаті чого знижується коефіцієнт потужності установки соs (ф). Ємність викликає зворотний зсув фаз; підбираючи ємність конденсаторів, домагаються налаштування установки в резонанс, коли кут зсуву фаз ф наближається до нуля, а соs ф до одиниці, чим більша їх кількість, тим менше потрібно ємність конденсаторної батареї.
Важливою особливістю індукційних печей є інтенсивна циркуляція рідкого металу, що викликається взаємодією електромагнітних полів, які збуджуються з одного боку струмами проходять по індуктора і, з іншого, вихровими струмами в металі.
Характер циркуляційних потоків показано на рис. 2. Позитивна сторона цього явища полягає в тому, що завдяки перемішуванню прискорюються плавлення і вирівнювання складу та температури металу, негативна - у тому, що поверхня металу; виходить опуклої і може оголюватися, тому що шлак стікає до стінок тигля. Інтенсивність перемішування приблизно пропорційна квадрату ампервітков (1п) - і назад пропорційна частоті струму живлення.
Рис. 2.
Електродинамічна циркуляція
металу в тиглі індукційної печі.
Ще однією особливістю індукційних печей і те, що щільність індукованих струмів досягає максимуму на поверхні металу у стінок тигля і знижується в напрямку до осі тигля («поверхневий ефект»). У цьому поверхневому шарі виділяється найбільша кількість тепла, за рахунок якого плавиться шихта. Товщина шару металу з великою щільністю індукованих струмів обернено пропорційна кореню квадратному з частоти.
Індукційні печі мають наступні переваги в порівнянні з дуговими:
1) відсутні високотемпературні дуги, що зменшує поглинання водню і азоту і чад металу при плавленні;
2) незначний чад легуючих елементів при переплаву легованих відходів;
3) малі габарити печей, що дозволяють помістити їх у закриті камери і вести плавку у вакуумі або в атмосфері інертного газу;
4) Електродинамічне перемішування, що сприяє отриманню однорідного за складом і температурі металу. Основними недоліками індукційних печей є мала стійкість основної футерівки і низька температура шлаків, які нагріваються від металу, з-за холодних шлаків утруднено видалення фосфору і сірки при плавці.
Індукційні печі ділять на два типи:
1) живляться струмом підвищеної частоти;
2) живляться струмом промислової частоти (50 Гц).
У печах першого типу частота струму живлення зазвичай знижується; У міру зростання місткості і діаметра тигля; малі (кілька кілограм і менше) печі харчуються струмом з частотою від 50 до 1000 кГц, середні і великі (ємністю десятків тонн) струмами з частотою | 0,5-10 кГц.
1 Пристрій індукційної печі.
Індукційна плавильна установка складається з печі з механізмом нахилу і живить електроустаткування (генератора підвищеної частоти, батареї конденсаторів, щита управління та на великих печах - автоматичного регулятора електричного режиму). Ємність індукційних печей досягає 60 т. Основні елементи печі - каркас, індуктор і вогнетривкий тигель, який іноді закривають кришкою.
Рис.3.
Індукційна піч
ємністю 60 кг.
1-каркас,
2-подовий плита,
3-індуктор,
4-ізоляційний шар,
5-тигель,
6-абсоцемеітная плита,
7-зливний носок,
8-комір,
9-гнучкий струмопровід,
10-дерев'яні бруси.
Каркас (кожух) печей невеликої ємності (<0,5 т) роблять у формі прямокутного паралелепіпеда, використовуючи асбоцемент, дерево, виконуючи несучі ребра з куточків і смуг немагнітної сталі, дюралюмінію. У місцях з'єднання металевих елементів вкладають ізоляційні прокладки для виключення виникнення кільцевих струмів, Індуктор в такому каркасі кріплять до верхньої і нижньої опорним асбоцементним плит (рис. 3). У печах середньої та великої місткості каркас виконують із сталі у вигляді суцільного кожуха циліндричної форми (рис. 4) і іноді у вигляді «білячої клітини», що представляє собою групу вертикальних стійок, приварених верхньому і нижньому опорним кільцям. Для зменшення нагрівання таких каркасів індуковані струмами і втрат з потоками розсіювання використовують наступні рішення:
а) каркас виконують з немагнітної сталі;
б) між каркасом зі звичайної сталі і індуктором розміщують магнітопровід з декількох пакетів трансформаторної сталі, що розташовуються уздовж індуктора (рис. 4);
в) між індуктором і каркасом розміщують замкнутий електромагнітний екран з металу з низькою питомою опором (міді, алюмінію).
У каркасі жорстко кріплять індуктор, подовий плиту, верхню кераміку, пакети муздрамтеатру. До передньої частини каркаса на рівні зливного носка прикріплюють два цапфи, що необхідно для повороту печі при зливі металу.
Рис.4 Індукційна піч ємністю 8 т.
1-індуктор,
2-тигель,
3-подовий плита,
4-знімний звід,
5-зливний носок,
6-сталевий кожух,
7-вісь повороту,
8-магнітопровід з
трансформаторної сталі.
Індуктор має форму порожнистого циліндра і утворений укладеними у вигляді спіралі витками з мідної трубки. Профілі застосовуваних мідних трубок показані на рис. 5, а; равностенние трубки використовують зазвичай для печей підвищеної частоти, а разностенность - для печей промислової частоти. Для виключення електричного пробою витки, як правило, ізолюють (на малих печах з невеликим напругою достатня повітряна ізоляція, що досягається зазором між витками в 10-20 мм). Широко застосовують такі види ізоляції: обмотувальні, коли витки покривають ізоляційним лаком і потім обмотують стрічкою з діелектричного матеріалу (стеклоленти, мікаленти); прокладочні, коли між покритими лаком витками закріплюють діелектричні прокладки (наприклад, з стеклотекстолита); напилену, коли на поверхню трубки газополуменевим або плазмовим способом наносять шар окису алюмінію або двоокису цирконію з наступним покриттям лаком.
Іноді застосовують монолітну ізоляцію - покриті лаком витки заливають полімерним матеріалом (поліефірним компаундом), після застигання якого утворюється монолітна конструкція. Міцність і жорсткість індуктора, що є опорою футеровки тигля, забезпечують, застосовуючи індуктори двох наступних різновидів: з кріпленням витків шпильками і стяжні індуктори. По-перше, до витків індуктора приварюють латунні шпильки; за допомогою шпильок і латунних гайок витки кріплять до кількох вертикальних стійок (ріс.5б), з ізоляційного матеріалу текстоліту, азбестоцементу, дерева; стійки в свою чергу кріплять до опорних плит каркаса, розташованим над індуктором і під ним. У стяжних індуктора над верхнім і під нижнім витками розміщують натискні фланці, які стягують в осьовому напрямку за допомогою спеціальних болтів і вертикальних рейок з ізоляційного матеріалу (див. рис. 5, в); вертикальні рейки перешкоджають зміщення витків в поперечному напрямку. Для додання жорсткості індуктора і його кріплення в каркасі додатково використовують пакети муздрамтеатру, які притискають до індуктора через ізолюючі прокладки за допомогою спеціальних натискних болтів.
Якщо індуктор виконаний монолітним, то в ньому не потрібно додаткового кріплення витків, однак такі індуктори застосовують рідко через складність ремонту трубки в разі її пошкодження,
Висоту індуктора вибирають в межах 1,1 -1,2 висоти розплаву в тиглі, внутрішній діаметр визначають зі співвідношення: D = DT +2 b (ф) +2 b (і), де Dt і b (ф) - відповідно внутрішній діаметр і товщина футеровки в середині тигля; b (і) - товщина ізоляційного шару (<5-6мм). Число витків індуктора визначають розрахунком; щільність струмів в індукторі досягає 20-40 А / мм 2. Підведення струму до індуктора найчастіше здійснюють за допомогою гнучких кабелів.
За внутрішньої порожнини мідної трубки пропускають охолоджуючу воду. Для забезпечення рівномірного охолодження на середніх і великих печах індуктор ділять на 2-4 секції з самостійним підведенням води. Надходження води контролюється реле, що відключає живлення печі при перерві в подачі води.
Футеровка індукційної печі складається з наступних основних елементів: футеровки тигля, подової плити (подини), верхній кераміки (коміра) із зливним носком. Подовий плита служить підставою для футеровки тигля і для індуктора; на середніх і великих печах її виконують з шамотних блоків або цегли, іноді на великих печах - з вогнетривкого бетону. На малих печах подовий плиту роблять також з декількох азбоцементних плит, покладених одна на іншу (див. рис. 3).
Футеровку тигля, як правило, роблять набивний, при плавці вона спікається в моноліт; на великих печах тигель іноді викладають з цегли. Комір, тобто футеровку вище верхнього витка індуктора, яка не може спікатися за рахунок тепла рідкого металу, роблять з фасонних цеглин (шамоту, хромомагнезіта) або з вогнетривких мас з підвищеною кількістю сполучних. Зливний носок представляє собою фасонне виріб з шамоту.
Футеровка тигля повинна володіти такими властивостями: високою вогнетривкістю і шлакоустойчівостью; високою термостійкістю, так як при завантаженні шихти вона сильно охолоджується; високу механічну міцність, щоб витримувати удари шихти при завантаженні; мінімальною товщиною, оскільки метал повинен знаходитися якомога ближче до індуктора, т. е. в зоні найбільшої щільності індукованих струмів.
Рис. 5.
Профілі трубок для виготовлення
Індуктора (а) і способи кріплення
витків індуктора (б, в):
1 - латунна шпилька.
2 - гайка.
3 - витки індуктора
4-стійка з ізоляційного матеріалу.
5-стягнутий болт.
6-вертикальна рейка.
7-нажимной фланець.
1 Футеровка може бути основною або кислим. Набивні кислу футеровку виготовляють з подрібненого кварциту (фракції розміром менше 3,5 мм) або кварцового піску з добавкою в якості сполучного борної кислоти (1,5-4%) без зволоження. Для основних тиглів застосовують вогнетривкі суміші різних складів, найбільш часто магнезитовий порошок; як зв'язки використовують вогнетривку глину, рідке скло, плавиковий шпат, борну кислоту та ін Застосовують як зволожені, так і сухі суміші. Перед набиванням тигля внутрішню поверхню індуктора покривають тонким ізолюючим шаром, наприклад, завдаючи спеціальну ізоляційну тинк з подальшою обклеюванням стеклолентой; іноді додатково укладають теплоізоляційний шар з азбесту. На дні індуктора засипають шар футеровочні маси, утрамбовують її і потім встановлюють на неї залізний шаблон, зовнішні розміри якого відповідають внутрішнім розмірам тигля. У простір між шаблоном і індуктором засипають футеровочні суміш і ущільнюють її трамбівками. Потім виконують комір з фасонних цеглин або спеціальних мас з підвищеною кількістю сполучних.
Після закінчення набивання футеровку сушать і спікають. Для цього, не виймаючи шаблону, включають плавильну установку; тепло, що виділяється в шаблоні, нагріває футеровку. У залежності від ємності тигля спікання триває від 1 до 4 год для кислого тигля і від 2 до 10 годин для основного. Остаточне спікання з розплавленням шаблону відбувається під час першої плавки. Спікання можна проводити, вставивши в тигель відповідних розмірів шматок готового електрода. Тиглі ємністю до 300 кг іноді набивають зволоженою масою в спеціальній розбірної прес-формі. Після сушіння на повітрі такий тигель встановлюють у індуктор на подовий плиту, а простір між індуктором і тиглем засипають дрібним вогнетривким порошком.
Стійкість кислих тиглів становить 20-250 плавок. Основна футеровка має меншу термостійкістю і стійкість основних 'тиглів значно нижче (від 10 до 100 плавок; менша величина - для печей великої місткості). Середній внутрішній діаметр тигля Про т і висоту розплаву h (p) визначають виходячи із заданої ємності печі (обсягу металу) з урахуванням того, що величина відносини Н,, Ю Т повинна становити 1,6-2,0 для 100-кг печі і знижуватися при збільшенні місткості (до 1,1-1,4 для 6-т печі). Товщину футеровки (м) у середині тигля визначають за формулою: b (ф) ~ 0,08 Т (^ 1 / 4), де Т - ємність печі, т. Зразкові співвідношення між розмірами тиглів і індукторів сталеплавильних печей наведено в табл. 1. Механізм нахилу призначений для нахилу печі при зливі металу. Метал з тигля зливають через зливний носок, повертаючи встановлений на двох цапфах каркас печі на кут До 95 °. Нахил печі здійснюють лебідками, тельфера, а на великих печах встановлюють гідравлічний механізм нахилу.
Південно-Уральський державний університет
Кафедра загальної та теоретичної фізики
Реферат
на тему:
«Індукційна плавка металу»
Виконав: студент гр.ФМ-223
Плотніков С.А.
Перевірив: доцент кафедри О.Т.Ф.
Герасимов В.К.
Челябінськ 2008
Зміст
Зміст 2
Вступ 3
Явище електромагнітної індукції 3
Досліди Фарадея 3
Застосування в Металургії 4
Виплавка сталі в індукційних печах 4
Індукційні печі промислової частоти 12
Плавка в печі з кислою футеровкою. 13
Плавка в вакуумних індукційних печах. 13
Висновок 16
Використана література: 17
Введення
Явище електромагнітної індукції
Електричні струми створюють навколо себе магнітне поле. Зв'язок магнітного поля зі струмом призвела до численних спроб порушити струм в контурі з допомогою магнітного поля. Ця фундаментальна задача була блискуче вирішена в 1831 р. англійським фізиком М. Фарадеєм, що відкрив явище електромагнітної індукції. Воно полягає в тому, що в замкнутому провідному контурі при зміні потоку магнітної індукції, охоплюваного цим контуром, виникає електричний струм, який отримав назву індукційного.
Досліди Фарадея
Розглянемо класичні досліди Фарадея, за допомогою яких було виявлено явище електромагнітної індукції.
Досвід I. Якщо в замкнутий на гальванометр соленоїд всувати або висувати постійний магніт, то в моменти його вдвіганія або висування спостерігається відхилення прілі гальванометрі (виникає індукційний струм); напрямки відхилень стрілки при висуванні і висуванні магніту протилежні. Відхилення стрілки гальванометра тим більше, чим більше швидкість руху магніту щодо котушки. При зміні полюсів магніту напрямок відхилення стрілки зміниться. Для отримання індукційного струму магніт можна залишати нерухомим, тоді потрібно щодо магніту пересувати соленоїд.
Досвід ll. Кінці однієї з котушок, вставлених одна в іншу, приєднуються до гальванометра, а через іншу котушку пропускається струм. Відхилення стрілки гальванометра спостерігається в моменти включення або виключення струму, в моменти його збільшення або зменшені або при переміщенні котушок один щодо одного. Напрями відхилився стрілки гальванометра також протилежні при включенні або виключенні струму, його збільшення або зменшення, зближення або видаленні котушок.
Узагальнюючи результати своїх численних дослідів, Фарадей прийшов до висновку, що індукційний струм виникає завжди, коли відбувається зміна зчепленого з контуром потоку магнітної індукції. Наприклад, при повороті в однорідному магнітному полі замкнутого проводить контуру в ньому також виникає індукційний струм. У даному випадку індукція магнітного поля поблизу провідника залишається постійною, а змінюється тільки потік магнітної індукції крізь контур.
Досвідченим шляхом було також встановлено, що значення індукційного струму абсолютно не залежить від способу зміни потоку магнітної індукції, а визначаєте лише швидкістю його зміни (в дослідах Фарадея також доводиться, що відхилення стрілки гальванометра (сила струму) тим більше, чим більше швидкість руху магніту, або швидкість зміни сили струму, або швидкість руху котушок).
Застосування в Металургії
Виплавка сталі в індукційних печах
Через індуктор пропускають змінний струм; створюваний при цьому всередині індуктора змінний магнітний потік (рис. 1) наводить у металі вихрові струми, які забезпечують його нагрівання і плавлення.
| Рис.1 Магнітні силові лінії в індукційної печі 1 |
Важливою особливістю індукційних печей є інтенсивна циркуляція рідкого металу, що викликається взаємодією електромагнітних полів, які збуджуються з одного боку струмами проходять по індуктора і, з іншого, вихровими струмами в металі.
Характер циркуляційних потоків показано на рис. 2. Позитивна сторона цього явища полягає в тому, що завдяки перемішуванню прискорюються плавлення і вирівнювання складу та температури металу, негативна - у тому, що поверхня металу; виходить опуклої і може оголюватися, тому що шлак стікає до стінок тигля. Інтенсивність перемішування приблизно пропорційна квадрату ампервітков (1п) - і назад пропорційна частоті струму живлення.
Рис. 2.
Електродинамічна циркуляція
металу в тиглі індукційної печі.
Ще однією особливістю індукційних печей і те, що щільність індукованих струмів досягає максимуму на поверхні металу у стінок тигля і знижується в напрямку до осі тигля («поверхневий ефект»). У цьому поверхневому шарі виділяється найбільша кількість тепла, за рахунок якого плавиться шихта. Товщина шару металу з великою щільністю індукованих струмів обернено пропорційна кореню квадратному з частоти.
Індукційні печі мають наступні переваги в порівнянні з дуговими:
1) відсутні високотемпературні дуги, що зменшує поглинання водню і азоту і чад металу при плавленні;
2) незначний чад легуючих елементів при переплаву легованих відходів;
3) малі габарити печей, що дозволяють помістити їх у закриті камери і вести плавку у вакуумі або в атмосфері інертного газу;
4) Електродинамічне перемішування, що сприяє отриманню однорідного за складом і температурі металу. Основними недоліками індукційних печей є мала стійкість основної футерівки і низька температура шлаків, які нагріваються від металу, з-за холодних шлаків утруднено видалення фосфору і сірки при плавці.
Індукційні печі ділять на два типи:
1) живляться струмом підвищеної частоти;
2) живляться струмом промислової частоти (50 Гц).
У печах першого типу частота струму живлення зазвичай знижується; У міру зростання місткості і діаметра тигля; малі (кілька кілограм і менше) печі харчуються струмом з частотою від 50 до 1000 кГц, середні і великі (ємністю десятків тонн) струмами з частотою | 0,5-10 кГц.
1 Пристрій індукційної печі.
Індукційна плавильна установка складається з печі з механізмом нахилу і живить електроустаткування (генератора підвищеної частоти, батареї конденсаторів, щита управління та на великих печах - автоматичного регулятора електричного режиму). Ємність індукційних печей досягає 60 т. Основні елементи печі - каркас, індуктор і вогнетривкий тигель, який іноді закривають кришкою.
Рис.3.
ємністю 60 кг.
1-каркас,
2-подовий плита,
3-індуктор,
4-ізоляційний шар,
5-тигель,
6-абсоцемеітная плита,
7-зливний носок,
8-комір,
9-гнучкий струмопровід,
10-дерев'яні бруси.
Каркас (кожух) печей невеликої ємності (<0,5 т) роблять у формі прямокутного паралелепіпеда, використовуючи асбоцемент, дерево, виконуючи несучі ребра з куточків і смуг немагнітної сталі, дюралюмінію. У місцях з'єднання металевих елементів вкладають ізоляційні прокладки для виключення виникнення кільцевих струмів, Індуктор в такому каркасі кріплять до верхньої і нижньої опорним асбоцементним плит (рис. 3). У печах середньої та великої місткості каркас виконують із сталі у вигляді суцільного кожуха циліндричної форми (рис. 4) і іноді у вигляді «білячої клітини», що представляє собою групу вертикальних стійок, приварених верхньому і нижньому опорним кільцям. Для зменшення нагрівання таких каркасів індуковані струмами і втрат з потоками розсіювання використовують наступні рішення:
а) каркас виконують з немагнітної сталі;
б) між каркасом зі звичайної сталі і індуктором розміщують магнітопровід з декількох пакетів трансформаторної сталі, що розташовуються уздовж індуктора (рис. 4);
в) між індуктором і каркасом розміщують замкнутий електромагнітний екран з металу з низькою питомою опором (міді, алюмінію).
У каркасі жорстко кріплять індуктор, подовий плиту, верхню кераміку, пакети муздрамтеатру. До передньої частини каркаса на рівні зливного носка прикріплюють два цапфи, що необхідно для повороту печі при зливі металу.
Рис.4 Індукційна піч ємністю 8 т.
2-тигель,
3-подовий плита,
4-знімний звід,
5-зливний носок,
6-сталевий кожух,
7-вісь повороту,
8-магнітопровід з
трансформаторної сталі.
Індуктор має форму порожнистого циліндра і утворений укладеними у вигляді спіралі витками з мідної трубки. Профілі застосовуваних мідних трубок показані на рис. 5, а; равностенние трубки використовують зазвичай для печей підвищеної частоти, а разностенность - для печей промислової частоти. Для виключення електричного пробою витки, як правило, ізолюють (на малих печах з невеликим напругою достатня повітряна ізоляція, що досягається зазором між витками в 10-20 мм). Широко застосовують такі види ізоляції: обмотувальні, коли витки покривають ізоляційним лаком і потім обмотують стрічкою з діелектричного матеріалу (стеклоленти, мікаленти); прокладочні, коли між покритими лаком витками закріплюють діелектричні прокладки (наприклад, з стеклотекстолита); напилену, коли на поверхню трубки газополуменевим або плазмовим способом наносять шар окису алюмінію або двоокису цирконію з наступним покриттям лаком.
Іноді застосовують монолітну ізоляцію - покриті лаком витки заливають полімерним матеріалом (поліефірним компаундом), після застигання якого утворюється монолітна конструкція. Міцність і жорсткість індуктора, що є опорою футеровки тигля, забезпечують, застосовуючи індуктори двох наступних різновидів: з кріпленням витків шпильками і стяжні індуктори. По-перше, до витків індуктора приварюють латунні шпильки; за допомогою шпильок і латунних гайок витки кріплять до кількох вертикальних стійок (ріс.5б), з ізоляційного матеріалу текстоліту, азбестоцементу, дерева; стійки в свою чергу кріплять до опорних плит каркаса, розташованим над індуктором і під ним. У стяжних індуктора над верхнім і під нижнім витками розміщують натискні фланці, які стягують в осьовому напрямку за допомогою спеціальних болтів і вертикальних рейок з ізоляційного матеріалу (див. рис. 5, в); вертикальні рейки перешкоджають зміщення витків в поперечному напрямку. Для додання жорсткості індуктора і його кріплення в каркасі додатково використовують пакети муздрамтеатру, які притискають до індуктора через ізолюючі прокладки за допомогою спеціальних натискних болтів.
Якщо індуктор виконаний монолітним, то в ньому не потрібно додаткового кріплення витків, однак такі індуктори застосовують рідко через складність ремонту трубки в разі її пошкодження,
Висоту індуктора вибирають в межах 1,1 -1,2 висоти розплаву в тиглі, внутрішній діаметр визначають зі співвідношення: D = DT +2 b (ф) +2 b (і), де Dt і b (ф) - відповідно внутрішній діаметр і товщина футеровки в середині тигля; b (і) - товщина ізоляційного шару (<5-6мм). Число витків індуктора визначають розрахунком; щільність струмів в індукторі досягає 20-40 А / мм 2. Підведення струму до індуктора найчастіше здійснюють за допомогою гнучких кабелів.
За внутрішньої порожнини мідної трубки пропускають охолоджуючу воду. Для забезпечення рівномірного охолодження на середніх і великих печах індуктор ділять на 2-4 секції з самостійним підведенням води. Надходження води контролюється реле, що відключає живлення печі при перерві в подачі води.
Футеровка індукційної печі складається з наступних основних елементів: футеровки тигля, подової плити (подини), верхній кераміки (коміра) із зливним носком. Подовий плита служить підставою для футеровки тигля і для індуктора; на середніх і великих печах її виконують з шамотних блоків або цегли, іноді на великих печах - з вогнетривкого бетону. На малих печах подовий плиту роблять також з декількох азбоцементних плит, покладених одна на іншу (див. рис. 3).
Футеровку тигля, як правило, роблять набивний, при плавці вона спікається в моноліт; на великих печах тигель іноді викладають з цегли. Комір, тобто футеровку вище верхнього витка індуктора, яка не може спікатися за рахунок тепла рідкого металу, роблять з фасонних цеглин (шамоту, хромомагнезіта) або з вогнетривких мас з підвищеною кількістю сполучних. Зливний носок представляє собою фасонне виріб з шамоту.
Футеровка тигля повинна володіти такими властивостями: високою вогнетривкістю і шлакоустойчівостью; високою термостійкістю, так як при завантаженні шихти вона сильно охолоджується; високу механічну міцність, щоб витримувати удари шихти при завантаженні; мінімальною товщиною, оскільки метал повинен знаходитися якомога ближче до індуктора, т. е. в зоні найбільшої щільності індукованих струмів.
Профілі трубок для виготовлення
Індуктора (а) і способи кріплення
витків індуктора (б, в):
2 - гайка.
3 - витки індуктора
4-стійка з ізоляційного матеріалу.
5-стягнутий болт.
6-вертикальна рейка.
7-нажимной фланець.
1 Футеровка може бути основною або кислим. Набивні кислу футеровку виготовляють з подрібненого кварциту (фракції розміром менше 3,5 мм) або кварцового піску з добавкою в якості сполучного борної кислоти (1,5-4%) без зволоження. Для основних тиглів застосовують вогнетривкі суміші різних складів, найбільш часто магнезитовий порошок; як зв'язки використовують вогнетривку глину, рідке скло, плавиковий шпат, борну кислоту та ін Застосовують як зволожені, так і сухі суміші. Перед набиванням тигля внутрішню поверхню індуктора покривають тонким ізолюючим шаром, наприклад, завдаючи спеціальну ізоляційну тинк з подальшою обклеюванням стеклолентой; іноді додатково укладають теплоізоляційний шар з азбесту. На дні індуктора засипають шар футеровочні маси, утрамбовують її і потім встановлюють на неї залізний шаблон, зовнішні розміри якого відповідають внутрішнім розмірам тигля. У простір між шаблоном і індуктором засипають футеровочні суміш і ущільнюють її трамбівками. Потім виконують комір з фасонних цеглин або спеціальних мас з підвищеною кількістю сполучних.
Після закінчення набивання футеровку сушать і спікають. Для цього, не виймаючи шаблону, включають плавильну установку; тепло, що виділяється в шаблоні, нагріває футеровку. У залежності від ємності тигля спікання триває від 1 до 4 год для кислого тигля і від 2 до 10 годин для основного. Остаточне спікання з розплавленням шаблону відбувається під час першої плавки. Спікання можна проводити, вставивши в тигель відповідних розмірів шматок готового електрода. Тиглі ємністю до 300 кг іноді набивають зволоженою масою в спеціальній розбірної прес-формі. Після сушіння на повітрі такий тигель встановлюють у індуктор на подовий плиту, а простір між індуктором і тиглем засипають дрібним вогнетривким порошком.
Стійкість кислих тиглів становить 20-250 плавок. Основна футеровка має меншу термостійкістю і стійкість основних 'тиглів значно нижче (від 10 до 100 плавок; менша величина - для печей великої місткості). Середній внутрішній діаметр тигля Про т і висоту розплаву h (p) визначають виходячи із заданої ємності печі (обсягу металу) з урахуванням того, що величина відносини Н,, Ю Т повинна становити 1,6-2,0 для 100-кг печі і знижуватися при збільшенні місткості (до 1,1-1,4 для 6-т печі). Товщину футеровки (м) у середині тигля визначають за формулою: b (ф) ~ 0,08 Т (^ 1 / 4), де Т - ємність печі, т. Зразкові співвідношення між розмірами тиглів і індукторів сталеплавильних печей наведено в табл. 1. Механізм нахилу призначений для нахилу печі при зливі металу. Метал з тигля зливають через зливний носок, повертаючи встановлений на двох цапфах каркас печі на кут До 95 °. Нахил печі здійснюють лебідками, тельфера, а на великих печах встановлюють гідравлічний механізм нахилу.
Рис. 6.
Спрощена електрична
схема індукційної печі.
| Ємність, кг | Розміри індуктора, | Розміри тигля, мм | ||||
| висота | Внутрішній діаметр | глибина | товщина дна | зверху і знизу | ||
| 100 | 490 | 410 | 440 | 165 | 50 | 80 |
| 500 | 790 | 700 | 610 | 215 | 70 | 100 |
| 8000 | 1300 | 1380 | 1200 | 200 | ПЗ | 150 |
| 1400 | 830 | 760 | 720 | 200 | 90 | 130 |
Ємність, т 0,06 0,4 1,0 6 10 16 25
Потужність, кВт 50 250 500 2500 3000 5000 6000
В останні роки в якості джерел живлення все ширше застосовуються тиристорні перетворювачі частоти. Промисловість випускає тиристорні перетворювачі потужністю до 3200 кВт з частотою виробленого струму від 0,5 до 10 кГц.
Ці перетворювачі володіють у порівнянні з машинними генераторами, наступними перевагами: більш високий електричний к. п. д.; висока готовність до роботи; можливість автоматичної підтримки оптимального електричного режиму без перемикання в силовому ланцюзі (не потрібно перемикання конденсаторів, що спрощує конструкцію конденсаторної батареї) ; відсутність обертових частин і безшумність в роботі.
До складу електроустаткування індукційної печі входять також підключаються до силового ланцюга через трансформатори струму і напруги електровимірювальні прилади та прилади захисту (від перевантажень по струму і напрузі і у разі відключення охолоджуючої води). Великі індукційні печі забезпечені автоматичним регулятором, який підтримує оптимальний електричний режим шляхом взаємопов'язаного регулювання коефіцієнта потужності, напруги і сили струму. Основні параметри роботи електрообладнання (потужність генератора, ємність конденсаторів, необхідна частота струму та інші) визначають розрахунком, виходячи із заданих ємності печі, тривалості плавлення, температури рідкого металу.
Індукційні печі промислової частоти
Футеровка і індуктор печей промислової частоти такі ж, як у печей підвищеної частоти. У схемі електроживлення відсутня генератор струму підвищеної частоти; піч включається в мережу через ступінчастий понижуючий трансформатор з вторинною напругою від 100 до 1000 В. Через відсутність перетворювача частоти для цих печей характерний менший (на 5-10%) питома витрата енергії та більш високий коефіцієнт потужності .
Однак при низькій частоті живильного струму (50 Гц) у цих печей інтенсивність електродинамічного перемішування металу значно вище, ніж у печах підвищеної частоти. Щоб уникнути надмірної циркуляції металу, печі промислової частоти розраховують на меншу питому потужність, ніж печі підвищеної частоти; такої потужності недостатньо для швидкого розплавлення сталевий шихти. Тому печі промислової частоти зазвичай використовують для плавки металів з більш низькою температурою плавлення (чавуну, кольорових металів). Потужність печі ємністю 1 т складає 360 кВ-А, ємністю 25 т - 4800 кВ-А.
Технологія плавки
Плавку в індукційних печах зазвичай ведуть без окислення домішок і не ставлять завдання видалення фосфору і сірки, так як через
«Холодних» шлаків дефосфорация і десульфурация утруднені.
Сталі й сплави виплавляють або з легованих відходів (метод переплаву), або суто з шихтового заліза і брухту з добавкою феросплавів (метод сплаву).
Вибір установки. У печі з основною футеровкой можна виплавляти сталь будь-якого складу, але стійкість цієї футеровки значно нижче, ніж кислою. У печах з кислою футеровкой не можна виплавляти сталі з високим вмістом марганцю, алюмінію, титану, цирконію, так як оксиди марганцю, взаємодіючи з кремнеземом футеровки, швидко руйнують її, а алюміній, титан і цирконій відновлюють кремній з кремнезему футеровки.
Плавка в печі з основною футеровкою. Тривалість плавки в індукційної печі дуже невелика, що не дозволяє багаторазово перевірити склад металу шляхом його аналізу. Тому отримання сталі з заданим складом базується на попередньому розрахунку шихти, для чого необхідні точне знання її складу і зважування. Зокрема, вміст вуглецю, сірки та фосфору не повинен перевищувати допустимих в виплавленої сталі меж.
Шихту складають з дрібних і великих шматків, що забезпечує щільність її укладання і скорочення тривалості плавлення. Найбільш великі шматки укладають у стінок тигля, де щільність струмів максимальна. Тугоплавкі феросплави завантажують в нижню половину тигля.
Після включення струму стежать за тим, щоб шматки шихти не зварюється в «мости», що перешкоджають осіданню плавящихся шматків вниз. Періодично шихту «осаджують» за допомогою ломика. У міру осідання шихти довантажують ту її частину, яка не вмістилася при завалке. Після появи рідкого металу в тигель вводять шлакообразующую суміш з вапна, плавикового шпату та магнезиту в співвідношенні 4:1:1. Призначення наводимого шлаку - зменшити насичення металу газами з атмосфери і окислення легуючих елементів. При плавленні підтримують максимальну потужність генератора і високий соs (ф) шляхом підключення конденсаторів. Тривалість плавлення змінюється від 30-40 хв на малих печах (ємністю ~ 50 кг) до 2 год на великих.
Після розплавлення відбирають пробу металу на аналіз і зливають плавильний шлак, щоб запобігти відновленню з нього фосфору, після чого наводять новий шлак, додаючи шлакообразующую суміш того ж складу, що і в період плавлення. Потужність, що подається на індуктор, знижують на 30-40%. Після отримання результатів аналізу проводять легування, коригування складу металу і його розкислення шляхом введення в тигель відповідних феросплавів, після чого метал зливають з тигля в ківш. Іноді при виплавці високоякісних сталей проводять дифузійне розкислення металу. Для цього в шлак вводять раскислительной суміші, що складаються з вапна, меленого феросиліцію, порошкоподібного алюмінію, роблячи витримку протягом приблизно 30 хв; циркуляція металу в тиглі індукційної печі прискорює розкислення.
Феросплави при плавці в індукційної печі присаживают в наступному порядку: ферохром, ферровольфрам і ферромолібден вводять в завалку; феромарганець, феросиліцій і феррованадий - за 7-10 хв до випуску; алюміній перед випуском. При такому порядку введення чад елементів наступний: вольфраму близько 2%, - хрому, марганцю та ванадію - 5-10%, кремнію - 10-15%, тітана25-35
Плавка в печі з кислою футеровкою.
Вміст сірки, фосфору і вуглецю не повинен перевищувати допустимих в виплавленої сталі меж. При виплавці сталей легованих хромом, вольфрамі і молібденом в завалку вводять ферохром, ферровольфрам, ферромолібден. Завантаження шихти і розплавлення ведуть так само, як і в с основною футеровкою. Шлаки під час плавлення шихти, наводячи; добавками бою скла, шамоту та вапна
Після розплавлення і аналізу взятих проби металу проводять легування (коригування складу) і розкислення. Феромарганець, феросиліцій і, якщо необхідно, феррованадий, вводять у метал на 7-10 хв до випуску, алюміній безпосередньо перед випуском. Чад марганцю становить 10%, кремній практично не чадіють, угар вольфраму і молібдену близько 2%, хрому 5%.
Витрата електроенергії при виплавці сталі в індукційних становить 500-700 кВт-год / т.
Плавка в вакуумних індукційних печах.
Плавка в вакуумних індукційних печах дозволяє одержувати сталь і сплави з малим вмістом газів, неметалевих включень і домішок кольорових металів, легувати сплав будь-якими елементами, в тому числі володіють високою спорідненістю до кисню без їх втрат на окислення.
Пристрій печі. Перші печі були періодичної дії. Після випуску плавки вакуумну систему відключали і піч відкривали для вилучення злитків і завантаження шихтових матеріалів. Пізніше були створені більш досконалі печі напівбезперервного дії. Ці печі дозволяють завантажувати шихту, встановлювати виливниці і витягувати зливки без порушення вакууму в плавильній камері. Ємкість існуючих печей досягає 50 т.
Рис. 7.
Схема вакуумної індукційної
печі напівбезперервного дії
На рис. 7 показано схема вакуумної індукційної печі підлозі; безперервної дії. Плавильна камера 2 має зверху знімну кришку. У камері встановлений індуктор з тиглем 3, закріплений на цапфах; нахил тигля для зливу металу виробляють за допомогою приводу, розташованого з зовнішньої сторони камери. У кришці плавильної камери над тиглем розміщена шлюзова завантажувальна камера 8, відокремлювана від плавильної вакуумним затвором 6 і закривається кришкою 7, що дозволяє завантажувати шихту без порушення вакууму. У завантажувальну камеру ставлять баддю зі спадним дном, заповнену шихтою. Закривши кришку 7, в камері 8 створюю вакуум, після чого відкривають затвор 6 і шихта із цебра висипається в тигель.
Камера виливниць 1 відокремлена від плавильної камери і від приміщення цеху засувками 15. Через неї, як через шлюзовий пристрій, в плавильну камеру подають виливниці 14, встановлені на візку і після зливу в них металу з тигля повертають назад.
На кришці 11 змонтований шлюзової дозатор 10 для введення добавок по ходу плавки і вічка 4. Через кришку / / за допомогою герметичних ущільнювачів вводять термопару 5 і ломик 9 для осаджування шихти.
Піч живиться струмом підвищеної частоти. Вакуумна система складається з групи форвакуумних 13 і бустерних 12 насосів, які забезпечують вакуум порядку 1,33-0,13 Па.
Процес плавки в вакуумної індукційної печі.
Для плавки в вакуумних печах застосовують шихтові матеріали, очищені від масла та окалини; склад їх повинен бути точно відомий. У шихту вводять нікель, ферромолібден, ферровольфрам і кобальт, якщо цього вимагає складу виплавленої сталі. Після завантаження шихти включають струм, а на печах періодичної дії попередньо з печі відкачують повітря.
Плавлення ведуть, безперервно відкачуючи насосами з плавильного простору виділяються гази. За час плавлення видаляється більшість внесених шихтою газів - водень, частина азоту, а також волога; рідкий метал при плавленні кипить, що є результатом виділення пухирців окису вуглецю, що виходить при взаємодії вуглецю з розчиненим у металі киснем.
Після розплавлення роблять витримку протягом 20 - 40 хв, вчасно якої відбувається рафінування від ряду домішок, розкислення і легування металу. У печі в цей період підтримують тиск
1,3 - 0,13 Па. Розкислення металу відбувається вуглецем з реакції
Крім рафінування від кисню в період витримки видаляються азот і водень і випаровуються домішки кольорових металів (2п, 5п, РЬ, Аз, В). У період витримки проводять легування і остаточне розкислення кусковим раскислителями, які вводять через дозатори. На початку витримки вводять ферохром, феррованадий, в кінці витримки феросиліцій, феротитан, алюміній, феромарганець. Перед випуском, якщо це буде потрібно, кальцій, магній і РЗМ
Виплавлений метал розливають у виливниці, як правило, у вакуумі.
Іноді в процесі плавки ведуть десульфурацию металу. З цією метою на дно тигля до початку завалки шихти завантажують десульфурірующую шлакообразующую суміш (наприклад, з 90% СаО та 10% СаF2).
Основні переваги вакуумної індукційної плавки обумовлені наявністю вакууму, що забезпечує рафінування від ряду домішок і розкислення вуглецем, а також відсутністю контакту металу з окислювальним атмосферою. Виплавлюваної при цьому сталь і сплави містять знижені кількості азоту, домішок кольорових металів, кисню і неметалічних включень, майже не містять водню; все це підвищує цілий ряд службових властивостей сталей. Відсутність контакту з киснем атмосфери дозволяє виплавляти сталі і сплави, що містять легкоокисляющиеся елементи без їх чаду.
Недоліком вакуумних індукційних печей і те, що при тривалій витримці в результаті реагування з окислами футеровки метал забруднюється киснем і неметалевими включеннями, а також відновлюваними з футеровки елементами (кремнієм, алюмінієм та ін.)
Висновок
Відкриття явища електромагнітної індукції мало велике значення, так і була доведена можливість одержання електричного струму за допомогою магнітного поля. Цим було встановлено взаємозв'язок між електричними і магнітними явищами, що послужило надалі поштовхом для розробки теорії електромагнітного поля.
Використана література:
1. Трофімова Т.І. Курс Фізики: Навчальний посібник для вузів. стр.223-224.
2. Паволоцький, Рощин В.Є. «Електрометалургія і сталі».
3. Воскобойніков В.Г., Кудрін В.А., Якушев А.М. «Загальна металургія» Підручник для вузів. Стр.482-496