В некоторых случаях каждый виток индуктора жестко крепят к изоляционным стойкам независимо от других витков. В этом слу
чае изоляция витков |
ие обязательна. |
Ф у т е р о в к а . |
Индуктор и помещаемый внутри него тигель |
устанавливают на подину, изготавливаемую из шамотных блоков, шамотных кирпичей или (на крупных печах) из жаропрочного бе тона (см. рис. 58, б).
На промышленных печах тигель, образующий плавильное про странство печи, изготавливают непосредственно в печи. Для этого собранный и установленный на подину индуктор закрепляют и вну треннюю его поверхность изолируют асбестом. Затем на подину насыпают порошкообразные огнеупорные материалы и пневмати ческими трамбовками уплотняют их слоями по 50—70 мм. На уплот ненное днище устанавливают шаблон, сваренный из листовой угле родистой стали толщиной 2—3 мм и имеющий форму, повторяющую внутренние контуры тигля. В кольцевой зазор между шаблоном и индуктором засыпают порошки огнеупоров и уплотняют их такими же слоями.
Футеровку выше верхнего витка индуктора выполняют из обож женного кирпича, так как обжечь этот участок тигля в печи очень трудно. Воротник и сливной желоб футеруют кирпичом н обмазы вают огнеупорной обмазкой.
Тигли для печей небольшой емкости можно изготавливать в прессформах и устанавливать в печь в готовом виде, засыпая зазор Между тиглем и индуктором порошкообразными огнеупорами. Это значи тельно ускоряет замену футеровки, но трудно осуществимо при большой емкости тигля. Чтобы набивка тигля не создавала пере боев в работе крупных установок, их снабжают двумя печами и либо печь полностью заменяют после выхода из строя тигля, либо питание переключают на вторую печь.
Футеровка индукционных тигельных печей работает в очень тяже лых условиях. Для получения возможно меньшего магнитного по тока рассеивания толщина ее должна быть минимальной и при этом обеспечивать высокую механическую прочность, не растрескиваться при смене температур после слива металла и завалки холодной шихты, обладать высокой огнеупорностью и шлакоустойчивостыо. Особенно жесткие требования предъявляют к огнеупорным мате риалам, - используемым в печах высокой частоты. Помимо перечи сленных требований, в огнеупорах для печей высокой частоты должны отсутствовать токопроводящие и магнитные примеси, так как ча стицы этих примесей в высокочастотном поле нагреваются, оплав ляются и растворяют футеровку, приводя к прогоранию тигля.
Футеровка индукционных печей может быть кислой или основ ной. Кислую футеровку изготовляют из кварцевого песка или квар цита и использует главным образом в литейных цехах машинострои тельных заводов. Она дешевле основной футеровки, обладает более высокой термостойкостью, характеризуется меньшей тепло- и элек тропроводностью тиглей из кислых материалов. Срок службы дли тельнее. В то же время кислая футеровка восстанавливается многими
116
элементами, входящими в состав легированной стали, и поэтому на металлургических заводах находит ограниченное применение.
Для основной футеровки обычно применяют порошок магне зита, реже — порошок, полученный из отходов хромомагнезитовых кирпичей. В некоторых случаях для изготовления тиглей поль зуются техническим глиноземом и цирконовым песком (цирконо вым силикатом). В качестве связующих используют борную кис лоту, буру, жидкое стекло, огнеупорную глину и другие вещества.
Футеровку изготовляют из увлажненных или сухих материалов. Вновь изготовленный тигель должен быть просушен и обожжен, для чего проводят специальную обжиговую плавку.
В тигель с шаблоном загружают чугун и медленно поднимают нагрузку до слабо-красного каления шаблона. Если футеровка изготовлена из увлажненных материалов, то печь сушат в тече ние 15—20 ч, при применении сухой массы время сушки уменьшают до нескольких часов, а затем нагрузку увеличивают и расплавляют чугун.
При первой плавке в печь стремятся загрузить как можно больше чугуна с тем, чтобы обжечь тигель до высоты, превышающей обыч ный уровень металла. Чугун сильно перегревают, и расплав стано вится очень жидкотекучим и хорошо заполняет все неровности поверхности.
После обжиговой плавки на внутренней поверхности тигля обра зуется тонкий (2—3 мм) рабочий слой спеченной футеровки. В даль нейшем толщина этого слоя постоянно увеличивается. Неспеченный слой набивки выполняет роль буфера, воспринимающего терми ческие и механические нагрузки рабочего слоя. Когда футеровка спекается на всю толщину, тигель трескается и выходит из строя.
Стойкость футеровки зависит от состава огнеупорной массы, частоты тока, режима работы и ряда других факторов. На печах с основным тиглем она достигает 40— 100 плавок; стойкость кислых
тиглей может |
быть значительно больше. |
К а р к а с |
является основой для крепления всех элементов печи. |
На печах большой емкости каркас заменяют сплошным кожухом. Элементы каркаса должны обладать большой прочностью и
выдерживать значительные нагрузки. Поскольку каркас расположен в зоне сильного электромагнитного поля индуктора, он может при определенных условиях нагреваться почти так же, как металл в тигле.
Чтобы уменьшить потери на нагрев каркаса, необходимо осла бить наводимые в нем токи. Наиболее просто это достигается тем,
что каркас разбивают на отдельные электроизолированные |
друг |
|
от друга элементы, |
и тогда его лучше изготовлять из немагнитных, |
|
а еще лучше — из |
неэлектропроводных материалов. Однако, |
по |
скольку наиболее доступным конструкционным материалом является сталь, каркас чаще всего изготовляют из стальных изолированных
друг от друга частей.
Иногда целесообразно снизить вблизи каркаса напряженность магнитного поля. Это может быть достигнуто установкой между индуктором и каркасом магнитопроводов или магнитных экранов.
117
Магнитопровод изготовляют в виде пакетов, набранных из листов электротехнической стали толщиной 0,2—0,5 мм и устанавливаемых по окружности между индуктором и каркасом. Вследствие более высокой магнитной проницаемости электротехнической стали по сравнению с воздухом магнитные силовые линии замыкаются по магнитопроводу и каркаса не достигают. Общее сечение магнитопровода выбирают таким, чтобы концентрация выделяющегося в нем тепла была невелика и ом не нагревался. Это условие выполняется тогда, когда магнитопровод выполнен достаточно массивным. Часто масса магнитопровода заметно превосходит массу садки.
Установка магнитопроводов, кроме того, усложняет конструк цию печи и обслуживание индуктора. По этим причинам они находят ограниченное применение.
Более просты и компактны печи с электромагнитными экранами, изготавливаемыми в виде цилиндра из медного или алюминиевого листа и устанавливаемыми между индуктором и каркасом.
Сущность экранирования каркаса заключается в том, что элек тромагнитные волны, исходящие от индуктора, наводят в экране токи, противоположные по направлению току индуктора. Эти токи создают поле, противоположное полю индуктора, и оно достигает каркаса значительно ослабленным.
Для обеспечения небольших потерь в экране необходимо, чтобы его толщина минимум в 1,3 раза превышала глубину проникновения тока. Поэтому электромагнитные экраны наиболее целесообразно применять на установках высокой частоты. Для печей промышлен ной частоты толщина медного экрана должна быть не менее 1,3 см.
М е х а н и з м н а к л о н а . Этот механизм должен обеспечи вать наклон печи для полного слива металла.
В настоящее время применяют очень разнообразные механизмы. Для печей малой емкости используют механизмы, состоящие из лебедки с ручным или электромеханическим приводом и троса, перекинутого через блок.
Более крупные печи наклоняют при помощи тельфера, сцепляя его крюк с серьгой, укрепленной на каркасе. Крупные печи обору дуют гидравлическим приводом наклона, в принципе аналогичным гидравлическому приводу наклона дуговых печей (см. рис. 34).
Вращение печи осуществляется, как правило, вокруг цапф, ось которых проходит под носком печи. В некоторых случаях вра щение начинается вокруг нижних цапф и существляется с большой скоростью, пока в гнездо не уложатся верхние цапфы. После этого печь поворачивается вокруг верхней пары цапф, но уже с меньшей скоростью (увеличивается радиус точки приложения сил).
К р ы ш к а предназначена для уменьшения тепловых потерь излучением с поверхности расплава и поддержания температуры шлака на более высоком уровне.
Последнее требование в некоторых случаях приобретает особенно важное значение, так как шлаки в индукционных печах нагреваются только за счет тепла металла. Однако учитывая, что при использо вании индукционных печей, как правило, не ставится задача глу-
118
бокого рафинирования ме'Галла шлаком, целесообразность услож нения конструкции печи в результате установки крышки представ ляется сомнительной, тем более, что ее можно применять лишь в очень ограниченное время после полного расплавления шихты. Поэтому крышка не является обязательным элементом конструкции индукционной тигельной печи.
Раздел II
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАВКИ СТАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ
Глава 8
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЖИДКОГО ЖЕЛЕЗА И ЕГО СПЛАВОВ
ТЕОРИЯ ЖИДКИХ ШЛАКОВ
Жидкость по степени порядка в расположении частиц и интен сивности их взаимодействия, а также по ряду других свойств зани мает промежуточное положение между твердыми (кристаллическими) и газообразными телами. Однако строение жидкости изучено в зна чительно меньшей степени, а теория жидкого состояния существенно отстает в своем развитии от теорий газов и кристаллов. Это является следствием трудности определения структуры жидкости и создания теории жидкого состояния ввиду интенсивного взаимодействия частиц при их большой неупорядоченности.
Теории газов и кристаллов в значительной мере разработаны вследствие того, что эти теории опираются соответственно на пре дельные состояния: бесконечное разряжение частиц при полной неупорядоченности (идеальный газ) или полное упорядочение частиц при большой плотности их распределения (идеальный кристалл). Для жидкости такой простой идеальной модели не существует и это чрезвычайно усложняет развитие теории жидкого состояния. Тем не менее исследования, среди которых особое значение имеют ра боты советских ученых Я. И. Френкеля, В. И. Данилова и др., в определенной степени позволяют описать строение и свойства жидкости, в частности жидкого металла.
Прежде чем перейти к изучению жидкого состояния, напомним кратко известные данные о хорошо изученных характерных особен ностях в строении и свойствах твердых металлов и газов.
Твердые металлы имеют кристаллическое строение, при котором атомы или ионы расположены в определенном порядке в так назы ваемых «узлах» кристаллической решетки. Порядок параметров этой решетки, т. е. расстояний между центрами атомов, характерн
ую
зуется несколькими десятыми нанометра (несколькими ангстремами), что примерно соответствует диаметрам атомов. Поэтому валентные электроны, принадлежащие внешним оболочкам, в твердом металле коллективизируются и находятся под воздействием ряда атомов. Характерным для твердых тел является коллективное перемещение большого числа частиц под действием внешних сил.
Для газов характерен полный беспорядок расположения ча стиц, которые находятся в хаотическом движении. Свободный про бег частиц и скорость их движения в газе значительно больше, чем в твердом теле. Энергия беспорядочного движения частиц со ставляет основную часть в полном запасе их энергии. Простейшими частицами идеального газа являются молекулы.
Определенное сходство между жидкостью и газом (например, изотропность, способность занимать форму сосуда) привело к мне нию, что жидкость представляет собой газ, уплотненный силами межчастичного взаимодействия, и что строение их идентично. Такое мнение получило широкое распространение, так как соот ветствовало теории Ван-дер-Ваальса, который в 1873 г. показал непрерывность перехода от жидкости к газу. Как известно, предло
женное им уравнение |
приближенно |
применимо как к газу, |
так и |
к жидкости: |
|
|
|
(р + а/vz) ( и — b) = RT, |
|
(37) |
|
где а — постоянная, |
учитывающая |
силы межмолекулярного |
взаи |
модействия; |
учитывающая |
размеры молекул. |
|
b — постоянная, |
|
||
Развитые на основе уравнения Ван-дер-Ваальса представления были перенесены и на жидкий металл.
Однако сходство жидкостей с газами оказалось закономерным лишь при высоких температурах, близких к критической, и неболь ших давлениях, т. е. когда плотность жидкости мала по сравнению с плотностью твердого тела.
При температурах, близких к температуре кристаллизации, а именно эта область состояний представляет интерес при изуче нии процессов производства стали, жидкость обнаруживает сходств.о с твердыми кристаллами. Это основывается на ряде опытных данных, из которых ниже приводятся следующие.
Увеличение объема большинства металлов при плавлении незна чительно и составляет 2,5—5%. Расстояния между частицами при этом увеличиваются всего на 0,8— 1,6%. Это показывает, что при плавлении в жидком металле сохраняется некоторое сходство в рас положении частиц в твердом металле.
При плавлении мало изменяется и энергия взаимодействия между частицами, а также степень их беспорядочности. О первом обстоя тельстве свидетельствует сравнительно небольшая теплота плавле ния [для железа ДЯПЛ= 14900 (или 3560), а ДЯНСП=353000 Дж/(г-атом) (или 84240 кал/(г-атом) ]. О втором-— малое изменение энтропии при плавлении Д5ПЛ= ДЯПЛ/ТПЛ, равное’примерно 12,37 Дж/(г-атом • °С)
120