Создаваемый индуктором магнитный поток не весь проходит через сечение металла. Часть магнитных силовых линий замыкается вокруг витков индуктора, образуя поток рассеивания. Уменьшить долю этого потока и увеличить полезный магнитный поток можно, если по аналогии с трансформатором внутрь индуктора вставить магнитопровод.
Первые индукционные печи работали на промышленной частоте и были действительно очень похожи на трансформатор, отличаясь тем, что и первичная (индуктор), и вторичная (кольцо расплавлен ного металла) обмотки были расположены вокруг одного ярма сер дечника (рис. 50).
Усовершенствование конструкции печей с сердечником привело в дальнейшем к появлению печей с вертикальным закрытым каналом
Рис. 50. Схематические изображения индукционной канальной печи (а) и трансформатора (б)
(рис. 51). Отделение плавильного пространства от канала сделало эти печи более удобными в технологическом отношении и позволило питать их трехфазным током промышленной частоты. Эти печи могут потреблять более высокую удельную мощность и характеризуются высоким электрическим к. п. д.
Наличие над каналами, в которых нагревается металл, большого объема относительно холодного металла обеспечивает низкий угар элементов, так как пары, образующиеся в каналах, конденсируются в зонах плавильного объема с более низкой температурой. Интен сивная циркуляция металла, вызываемая электромагнитными и тепловыми силами, ускоряет процесс плавки и обеспечивает полу чение металла однородного состава.
Эти качества индукционной печи со стальным сердечником и закрытым каналом делают ее непревзойденным электрическим пла вильным агрегатом. Однако широкое распространение этих печей ограничивается низкой стойкостью футеровки канала, работающей в очень тяжелых условиях. Печи этого типа не нашли применения для плавления черных металлов,„требующих нагрева до высоких
температур, но |
широко распространены в цветной металлургии-,- |
где не требуется |
нагревать расплав до таких высоких температур |
и важно обеспечить низкий угар дорогих цветных металлов. Их применяют для плавки меди, алюминия, никеля, магния, цинка
101
Рис. 51. Трехфпзная индукционная печь с закрытым кана лом для плавки меди:
I — шахта печи; 2 — подовый камень с вертикальным кана лом; 3 — сердечник однофазного индуктора
О О О О О О О О O G O O O
Рис. 52. Тигельная индукционная печь:
а — схема печи; б — распределение токов в металлической садке
тигельной печи в начальный момент т 0 и спустя время т х после включения печи;
1 индуктор; 2 — тигель с металлом; 3 — магнитный поток рассеивания
102
и сплавов. В Италии, Швеции, США и некоторых других странах такие печи используют также для получения высококачественного чугуна в литейных цехах.
В индукционных печах без сердечника переплавляемый металл загружается в тигель, установленный внутрь индуктора (рис. 52). Разместить замкнутый сердечник в этом случае невозможно, в связи
с чем значительная часть магнитных силовых линий |
замыкается |
по воздуху, величина полезного магнитного потока мала, |
и для полу |
чения в металле необходимой э. д. с. необходимо увеличивать ча стоту питающего тока [см. уравнение (18)].
Применение печей такого типа на первых порах сдерживалось отсутствием экономичных генераторов высокой частоты. Толчком к внедрению в широком масштабе индукционных тигельных печей послужило стремительное развитие радиотехники, в результате чего были созданы различные генераторы высокой и повышенной частоты.
Преимущества тигельных печей по сравнению с канальными связаны главным образом с отсутствием канала. Это значительно упрощает конструкцию печи, позволяет полностью сливать жидкий металл (в канальных печах часть жидкого металла необходимо
оставлять для |
замыкания кольца |
в начале |
плавки), |
облег |
чает осмотр и |
ремонт поврежденных |
участков |
футеровки. |
Усло |
вия службы футеровки тигля значительно легче, чем футеровки канала.
Это дает возможность выплавлять в тигельных печах более туго плавкие металлы и от плавки к плавке менять состав металла, что особенно важно при производстве стали. Тем самым устраняются ограничения, делающие нецелесообразной плавку стали в индук ционных канальных печах.
Но сравнительно большое расстояние между индуктором и ме таллом в тигле вызывает появление значительной индуктивной мощности, снижающей общий cos ф. Для компенсации индуктивной мощности индукционные тигельные печи снабжают конденсаторными батареями. Наличие преобразователя частоты и конденсаторов существенно удорожает установку и ограничивает область приме нения таких печей. В них целесообразно плавить лишь металлы и сплавы, которые невозможно или неэкономично плавить в других
агрегатах.
Тигельные печи получили распространение в металлургии спе циальных сталей и сплавов. Их использование для этих целей свя зано с преимуществами индукционного нагрева, когда тепло выде ляется в самом нагреваемом металле. Отсутствие концентрирован ного внешнего источника тепла позволяет получать стали и сплавы высокой степени чистоты, например по углероду и газам, обеспе чивает высокое и стабильное усвоение легирующих добавок, что особенно важно при производстве сталей и сплавов с дорогими и редкими добавками. Электродинамическое движение металла гаран тирует получение однородного сплава с точно заданным химическим составом.
103
Кроме того, индукционные тигельные печи при небольших габаритах отличаются высокой производительностью, обеспечивают сравнительно легкие и гигиеничные условия труда, процесс плавле ния в них легко поддается регулированию в широких пределах.
Основным технологическим недостатком индукционных печей всех типов является малая активность шлака, что затрудняет про текание физико-химических процессов между металлом и шлаком. Это обусловлено тем, что шлаки, отличающиеся высоким омическим сопротивлением, в основном нагреваются металлом путем тепло проводности. Поэтому шлаки холоднее металла, нм свойственна высокая вязкость и вследствие этого они малоактивны.
Номинальная емкость индукционных тигельных печей, предназ наченных для выплавки стали на отечественных заводах, характе
ризуется следующим |
рядом: 0,06; 0,16; 0,25; 0,40; 0,60; 1,0; 1,6; |
2,5; 4; 10; 16; 25; 40 |
и 60 т. |
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
и н д у к ц и о н н о й т и г е л ь н о й п е ч и
В индукционных печах можно переплавлять магнитную и немаг нитную шихту. При плавлении немагнитной шихты се разогрев осуществляется за счет джоулева тепла, выделяющегося при цирку ляции в металле индуцируемых полем индуктора вихревых токов Фуко. Магнитные материалы нагреваются, кроме того, и за счет тепловых потерь при их перемагнпчпваиии, величина которых опре деляется шириной петли гистерезиса. Ферромагнитные свойства сохраняются, как известно, до точки Кюри (740—770° С).
Рассмотрим нагрев немагнитных материалов. Для упрощения представим себе шихту в виде сплошного блока цилиндрической формы, помещенного внутрь индуктора (см. рис. 52).
Поле, создаваемое соленоидом в зазоре между индуктором и цилиндром, образует цилиндрическую волну, падающую на по верхность цилиндра. Вектор напряженности магнитного поля в за зоре направлен вдоль оси цилиндра, а напряженность электрического поля направлена по касательной к поперечному сечению цилиндра. Проникающая внутрь цилиндра волна индуцирует вихревые токи прежде всего в поверхностном слое цилиндра. Эти токи / 2 цирку лируют в плоскости витков индуктора в направлении, противопо ложном направлению тока индуктора 11.
Токи / 2 образуют свое электромагнитное поле, также противо положное полю индуктора. Поэтому в более глубокие слои цилиндра поле индуктора проникает ослабленным и плотность тока, наводимого в более глубоких слоях, будет меньшей. Плотность тока ст по мере удаления от поверхности уменьшается по экспоненциальному закону и ,на расстоянии х от поверхности равна
ох = а 0е - - 1'/е, |
(1 9 ) |
|
где ст0 |
— плотность тока у |
поверхности; |
е |
— глубина проникновения тока. |
|
104
Глубина проникновения тока — это условная величина, равная расстоянию от поверхности, на котором плотность тока уменьшается в е раз по сравнению с плотностью тока у поверхности (е — основа ние натуральных логарифмов, равное 2,718).
Глубина проникновения тока зависит от частоты изменения электромагнитного поля, удельного омического сопротивления р и магнитной проницаемости р. материала. Если выразить р в Ом-см, то
= 5030 У |
см, |
если р умножить на 109,
= ‘ |
l / j L . см. |
|
2я |
У |
(.1/ |
(20)
(21)
При нагреве' немагнитной шихты р = 1 и р в начальный мо мент т 0 одинаково по всему сечению. Поэтому плотность тока по сечению распределяется, как показано На рис. 52, б.
Активная мощность, выделяющаяся в цилиндре, при этом равна
P q2 = / 2Ш ( Г 3 к В т . |
(22) |
Выразим / 2 через силу тока индуктора 1Х и коэффициент трансфор |
|
мации |
k\ |
/ а = |
I xk. |
Коэффициент трансформации равен отношению числа витков первичной обмотки п х к числу витков вторичной обмотки п2. У ин
дукционных |
печей n 3 = 1, поэтому k = п х и |
/ а = Л п , . |
(2 3 ) |
Р 2 в уравнении (22) — сопротивление вертикального сечения стенки
полого цилиндра |
толщиной е; |
и_ |
nd2 |
Р-2 = Р- S2 = Р2 |
(24) |
^2 ^ 2 |
Подставляя уравнения (23) и (24) в выражение (22) с учетом
уравнения (21), получим |
|
|
|
PQi = |
2я2(/1/г1)2- ^ ) / ^ 10-3 |
кВт, |
|
, |
П2 |
|
|
ИЛИ |
|
|
|
PQi = |
2я2 {1хщ)2с1.21цvp-zf Ю“3 кВт, |
(25) |
|
где |
п о — число витков |
индуктора на единицу |
высоты; |
I S 2 и d2— соответственно длина, сечение и диаметр вторич ной обмотки.
105
Таким образом, передаваемая садке мощность пропорциональна квадрату удельных ампер-витков индуктора, боковой поверхности садки, корню квадратному из частоты питающего тока и удельного омического сопротивления садки.
В начале плавки основное количество тепла выделяется в по верхностном слое, и он прогревается в первую очередь. Неравно мерность прогрева можно наблюдать визуально, если в высокоча стотный индуктор вставить массивный блок, например, из графита.
С повышением температуры сопротивление металла увеличивается. Спустя некоторое время после начала нагрева сопротивление ста новится неодинаковым по сечению (максимум у поверхности), вслед ствие чего максимум плотности тока смещается от поверхности в глубь цилиндра. При этом в процесс прогрева вовлекаются все новые слон металла, увеличиваются глубина проникновения тока и мощность, передаваемая садке.
Неравномерность распределения плотности тока по сечению нагреваемого цилиндра значительно ускоряет нагрев, так как поз воляет последовательно концентрировать в отдельных слоях высо кую мощность. Если бы сила тока распределялась по всему сечению равномерно, то плотность тока и концентрация тепла были бы незна чительными и для прогрева металла потребовались бы во много раз более мощные источники питания печей.
Поэтому при индукционном нагреве очень большое значение имеет соотношение между глубиной проникновения тока и сечением прогреваемого блока.
При малом сечении блока, когда величина d„ соизмерима с вели чиной е2, сила тока распределяется по сечению сравнительно рав номерно, и для получения необходимой концентрации тепла требу ется большая мощность источника питания.
Чтобы учесть это соотношение, в уравнение мощности, поглощае мой садкой, необходимо ввести поправочный коэффициент А, являю щийся функцией отношения rf2/e2. Этот коэффициент приближается
к единице, |
а поглощаемая садкой мощность — к максимуму при |
d2/е2 = 10. |
Дальнейшее увеличение этого отношения практически |
не влияет на потребляемую садкой мощность. |
|
Но максимальная скорость нагрева получается не при максимуме потребляемой вообще мощности, а в случае потребления максималь ной удельйой мощности, т. е. мощности, приходящейся на 1 см3 садки. Анализ отношения PqJ V ix приводит к выводу, что оптималь ное соотношение d2/e2 для цилиндра равно 3,5. Аналогичный анализ для шара приводит к оптимальному соотношению d2/e2 = 4,8, а в случае нагрева пластины толщиной Д оптимальное отношение Д2/е2 = 2,5.
Для одного и того же материала (р = const и р. = const) глубина проникновения тока зависит только от частоты (см. уравнения 20 и 21), а это означает, что существует оптимальное соотношение между частотой и размерами твердой шихты, а также между часто той и диаметром тигля. Таким образом, для эффективного плавле ния одного и того же металла в печах разной емкости требуется
106