Индукционная индукторная тигельная печь с кольцевым наборным магнитопроводом

Полезная модель относится преимущественно к металлургии и литейному производству, в частности к конструкциям индукционных индукторных тигельных печей, имеющих наборный магнитопровод из электротехнической стали и применяемых для выплавки различных сплавов, доведения расплава до необходимых свойств и выдержки его для порционной разливки.
3
3
Известна индукционная индукторная тигельная печь, содержащая скрепленные вместе металлический каркас, стальной, чугунный или футерованный огнеупорный тигель, однослойный водоохлаждаемый электроизолированный трубчатый индуктор с токоподводом, неферромагнитный кольцевой сплошной электропроводный экран. Футерованный тигель опирается на внутреннюю поверхность индуктора и создает вместе с расплавом давление на него, особенно при сливе расплава. Витки индуктора, охватывающие цилиндрический тигель с ванной, расположены максимально близко к тиглю преимущественно в горизонтальной плоскости соосно с вертикальной осью тигля и являются опорой для него. Витки выполнены полыми из специальной медной трубки, внутри которой под давлением до 0,2 - 0,7 МПа протекает со скоростью 1-1,5 м/с охлаждающая кондиционная вода: дистиллированная или с содержанием механических примесей до 80 г/м, жесткостью до 7 г-экв/м, температурой 35-40°С и водородным показателем рН=7. Поверх трубки нанесен электроизоляционный слой. (Фарбман С.А. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов / С.А. Фарбман, И.Ф. Колобнев. - М.: Металлургия, 1968. - С. 331, 335).
Основным недостатком индукционной индукторной тигельной печи является ограниченная сфера использования, обусловленная следующими причинами:
- повышенным расходом энергии на создание рабочего магнитного потока, так как, не смотря на требование размещения стенок тигля максимально близко к виткам индуктора, существенная часть рабочего магнитного потока с наибольшим значением индукции не используется, поскольку проходит по толстым неэлектропроводным стенкам футерованного тигля, а не по шихте или расплаву. Помимо рабочего магнитного потока индуктор создает и магнитный поток рассеяния такой же величины, не участвующий в нагреве шихты и расплава. Все это уменьшает полезное использование магнитного потока почти до 40%, а естественный коэффициент мощности cos ϕ - до 0,03-0,10 и повышает расход энергии;
- дополнительно повышенным расходом энергии, значительными габаритами и высокой стоимостью применяемого устройства для слива расплава из-за необходимости поворота всей тяжелой и громоздкой печи;
- повышенными эксплуатационными расходами на обеспечение безаварийной работы печи из-за вытекания расплава на индуктор при образовании щелей в тигле;
- повышенными эксплуатационными расходами по кондиционированию воды и созданию повышенного давления вследствие охлаждения полых витков индуктора кондиционной водой;
- повышенным расходом кондиционной воды для охлаждения индуктора и воротниковой зоны футерованного тигля из-за повышенных скорости и давления ее в трубке индуктора, чтобы обеспечить ее температуру не выше 35-40°С;
- повышенными расходами на изготовление индуктора из специальной медной трубки для обеспечения его необходимой прочности и его эксплуатации;
- повышенными габаритами и массой печи и увеличенной занимаемой производственной площадью, так как поток рассеяния вызывает нагрев близкорасположенных электропроводных частей каркаса, поэтому эти части и электропроводный экран удаляют от индуктора;
- пониженной защищенностью и надежностью работы тигля и индуктора печи из-за близкого размещения витков индуктора вокруг тигля и склонности футеровки тигля к прогоранию и образованию трещин под воздействием вибрации индуктора и массы расплава и возможного повреждения индуктора расплавом, проникшим сквозь трещины к индуктору;
- вредным влиянием магнитного потока рассеяния на здоровье работников, так как очень трудно обеспечить величину индукции переменного магнитного поля ниже предельно допустимого уровня (ПДУ), особенно у открытого тигля;
- повышенной вибрацией трубчатых медных жестких витков индуктора и, как следствие, шумом, вредно влияющими на всю конструкцию печи и работающих.
3
3
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предложенной полезной модели является индукционная индукторная тигельная печь с I-образными наборными магнитопроводами, содержащая скрепленные вместе каркас с верхней и нижней плитами в виде колец, футерованный огнеупорный тигель, однослойный водоохлаждаемый электроизолированный трубчатый индуктор с токоподводом, верхнюю и нижнюю охлаждающие катушки, ферромагнитный дискретный экран из нескольких, до 24, вертикальных стержневых пластинчатых I-образных магнитопроводов. Футерованный тигель опирается на внутреннюю поверхность индуктора и создает вместе с расплавом давление на него, особенно при сливе расплава. Водоохлаждаемые витки индуктора охватывают тигель и расположены максимально близко к тиглю преимущественно горизонтально и соосно с вертикальной осью тигля и являются опорой для него. Витки выполнены полыми из специальной медной трубки, внутри которой под давлением до 0,2-0,7 МПа протекает со скоростью 1-1,5 м/с охлаждающая кондиционная вода: дистиллированная или с содержанием механических примесей до 80 г/м, жесткостью до 7 г-экв/м, температурой 35-40°С и водородным показателем рН=7. Поверх трубки нанесен электроизоляционный слой. Вертикальные стержневые наборные I-образные магнитопроводы из электротехнической стали расположены с внешней стороны индуктора с заданным шагом по окружности и промежутками между ними, их полюса горизонтальны, размещены на нижнем и верхнем торцах магнитопровода и обращены в противоположные стороны. Это частично уменьшает поток рассеяния, но увеличивает массу и габариты печи (Современные плавильные агрегаты: вагранки, газо-кислородные печи, электрические дуговые и индукционные печи и устройства для внепечной обработки и разливки металла: сборник / Инженер.-технол. центр машиностроения ʺМеталлургʺ. - 2-я ред. с доп.и уточнениями. - М.: Металлург-консалтинг, - С. 182, 217, 220).
Основным недостатком индукционной индукторной тигельной печи с I-образными наборными магнитопроводами является ограниченная сфера использования, обусловленная следующими причинами:
- повышенным расходом энергии, так как, не смотря на требование размещения стенок тигля максимально близко к виткам индуктора, существенная часть рабочего магнитного потока с наибольшим значением индукции не используется, поскольку проходит по толстым неэлектропроводным стенкам тигля, а не по шихте или расплаву. Помимо рабочего магнитного потока индуктор создает и магнитный поток рассеяния такой же величины, не участвующий в нагреве шихты и расплава. Все это уменьшает полезное использование магнитного потока почти до 40%,
- дополнительно повышенным расходом энергии, значительными габаритами и высокой стоимостью устройства для слива расплава из-за необходимости поворота всей тяжелой и громоздкой печи;
- повышенными эксплуатационными расходами на обеспечение безаварийной работы печи из-за вытекания расплава на индуктор при образовании щелей в тигле;
- повышенными эксплуатационными расходами по кондиционированию воды и созданию повышенного давления вследствие охлаждения полых витков индуктора и охлаждающих катушек кондиционной водой;
- повышенным расходом кондиционной воды для охлаждения индуктора и воротниковой и донной зон футерованного тигля из-за повышенных скорости и давления ее в трубке индуктора, чтобы обеспечить ее температуру не выше 35…40°С;
- повышенными габаритами и массой печи и увеличенной занимаемой производственной площадью, так как магнитный поток рассеяния вызывает нагрев близкорасположенных электропроводных частей каркаса, поэтому эти части удаляют от индуктора, а вокруг индуктора устанавливают вертикальные магнитопроводы, которые, однако, не улавливают весь поток;
- вредным влиянием магнитного потока рассеяния на здоровье работников, так как вертикальные магнитопроводы улавливают поток только частично и поэтому не обеспечивают величину индукции переменного магнитного поля ниже предельно допустимого уровня (ПДУ);
- пониженной защищенностью и надежностью печи из-за близкого размещения витков индуктора вокруг тигля и склонности футеровки тигля к прогоранию и образованию трещин под воздействием вибрации индуктора и массы расплава и возможного повреждения индуктора расплавом, проникшим сквозь трещины к индуктору;
- повышенной вибрацией трубчатых медных витков индуктора и, как следствие, шумом, вредно влияющими на всю конструкцию печи и работающих.
В основе полезной модели лежит техническая проблема обеспечения расширения сферы использования индукционных плавки и тигельной печи путем снижения энергоемкости плавки, уменьшения эксплуатационных расходов и занимаемой площади, повышения защищенности индуктора и работающих и надежности работы печи.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что индукционная индукторная тигельная печь, содержащая скрепленные вместе каркас с верхней и нижней плитами, футерованный тигель, охлаждаемый индуктор с электроизолированными витками и токо-подводом, наружный наборный магнитопровод, согласно полезной модели дополнительно снабжена цилиндрической обечайкой, размещенной между тиглем и индуктором, магнитопровод выполнен в виде кольцевого кожуха, причем обечайка и магнитопровод расположены между плитами с образованием замкнутой кольцевой полости для размещения индуктора и хладагента.
Снижение энергоемкости плавки объясняется более полным улавливанием кольцевым магнитопроводом магнитного потока рассеяния, который намагничивает магнитопровод, тем самым увеличивая значение магнитной индукции в рабочей полости индуктора.
Уменьшение эксплуатационных расходов объясняется снижением или устранением расхода кондиционной воды для охлаждения индуктора и воротниковой зоны футерованного тигля путем снижения скорости и давления ее в трубке индуктора с одновременным увеличением ее температуры до 99°С за счет подачи хладагента в кольцевую полость.
Уменьшение занимаемой площади и повышение защищенности работающих обусловлены применением кольцевого сплошного магнитопровода вместо дискретного из отдельных магнитопроводов, который более эффективно улавливает поток рассеяния, что позволяет приближать электропроводные элементы каркаса печи к индуктору.
Повышение защищенности индуктора и работающих и надежности работы печи обеспечено установкой цилиндрической обечайки, предотвращающей проникновение расплава сквозь трещины в тигле к индуктору и, как следствие, аварийную ситуацию. Это снижает также эксплуатационные расходы на обеспечение безаварийной работы печи.
Повышение защищенности работающих от воздействия шума объясняется также размещением индуктора в кольцевой полости между цилиндрической обечайкой и кольцевым сплошным магнитопроводом, которые уменьшают распространение шума, особенно при заполнении полости водой.
Повышение надежности работы печи объясняется также размещением индуктора в кольцевой полости между цилиндрической обечайкой и кольцевым сплошным магнитопроводом, которые уменьшают воздействие вибрации на тигель и образование трещин в нем, особенно при заполнении полости водой.
Полезная модель поясняется чертежом, где схематично показана индукционная индукторная тигельная печь с кольцевым наборным магнитопроводом, в разрезе.
Кроме этого, на чертеже дополнительно обозначено горизонтальными линиями со стрелками направление движения хладагента внутри индукционной индукторной тигельной печи.
Предлагаемая индукционная индукторная тигельная печь с кольцевым наборным магнитопроводом содержит соединенные вместе футерованный тигель 1, опирающийся на подину 2, цилиндрическую обечайку 3, охватывающую тигель 1, охлаждаемый трубчатый индуктор 4 с токоподводами (не показаны), электроизолированные витки которого охватывают обечайку 3, наружный вертикальный кольцевой наборный магнитопровод 5, охватывающий индуктор 4, нижнюю 6 и верхнюю 7 плиты с центральным отверстием для размещения подины 2 и «воротника» тигля, соответственно, скрепленные стяжками 8. Цилиндрическая обечайка 3 размещена между тиглем 1 и индуктором 4. Магнитопроводом 5, плитами 6 и 7, обечайкой 3 образована замкнутая кольцевая полость 9 для размещения индуктора 4 и хладагента с подводящим и отводящим патрубками (не показаны). Для герметизации полости 9 предусмотрены эластичные уплотнения 10 по стыкам и слой 11 электроизоляционного материала на ее внутренней поверхности.
Цилиндрической обечайкой 3 и вертикальным кольцевым наборным магнитопроводом 5, зажатыми с помощью стяжек 8 между нижней 6 и верхней 7 плитами, образован каркас печи. В зависимости от размеров печи плиты 6 и 7 могут быть выполнены в плане кольцевой, квадратной или прямоугольной формы и разной толщины из электропроводного или неэлектропроводного материала, например жароупорного бетона, аустенитной стали или чугуна, низкоуглеродистой стали. Количество стяжек 8 может быть три - четыре и более. Каркас печи может быть смонтирован в цилиндрическом корпусе или пространственной раме и снабжен механизмом поворота (не показаны). Размещение подины 2, изготовленной, например, из огнеупорного бетона или шамотного фасонного блока, в центральном отверстии плиты 6 позволяет использовать ее для выталкивания изношенной футеровки тигля 1.
Цилиндрическая обечайка 3 своей внутренней поверхностью служит опорой для тигля 1, в том числе с шихтой или расплавом, и одновременно ее наружная поверхность является внутренней стенкой кольцевой полости 9. Ее целесообразно изготовлять по возможности тонкостенной из достаточно прочного материла. Для повышения конструкционной прочности и обеспечения возможности равномерного размещения теплоизолирующего материала 12 по внутренней поверхности обечайки 3 она может быть выполнена с ребрами на этой поверхности. Ребра одновременно образуют углубления для размещения теплоизолирующего материала 12 с теплопроводностью менее 0,06-0.08 Вт/(м К) в сухом состоянии, то есть меньше, чем у футеровки тигля, например, минеральной ваты, базальтового волокна. Без углублений трудно удержать равномерным по толщине слой теплоизолирующего материала 12 во время изготовления футеровки тигля 1. Материал обечайки 3 должен быть неферромагнитным и неэлектропроводным или иметь высокое электрическое осопротивление, чтобы не шунтировать магнитный поток и не сильно нагреваться вихревыми индукционными токами, например, аустенитные сталь и чугун, углепластики, высокотемпературные пластмассы. Применение обечайки 3 позволяет увеличить прочность тигля 1 с одновременным уменьшением толщины стенки и освобождает индуктор 4 от механического воздействия на него тигля 1, особенно при наклоне печи для слива расплава, и он может быть изготовлен менее прочным.
Магнитопровод 5, выполненный в виде кольцевого кожуха, имеет высоту близкую к высоте индуктора 4. Магнитопровод 5 может быть изготовлен наиболее просто из рулона электротехнической стали необходимой высоты путем намотки определенного количества слоев для получения требуемой его толщины. При этом магнитопровод 5 может быть получен из одного элемента, который охватывает многократно индуктор 4 по окружности полностью и не имеет стыков. Магнитопровод 5 может быть набран также и из большего количества элементов, например лент, листов, пластин, каждый из которых охватывает индуктор 4 по окружности полностью или только частично, но не на всю суммарную длину совокупности слоев. Однако при этом образуются стыки между элементами. Наиболее целесообразно вертикальное направление стыков и разное их расположение в слоях. Поверхности элементов покрываются тонким слоем электроизоляционного лака.
При прочих равных условиях толщина полого цилиндрического магнитопровода 5 становится меньше, чем толщина наборных I-образных магнитопроводов в устройстве, выбранном в качестве прототипа. Так, в печи ИЧТ-31, имеющей 24 I-образных магнитопровода толщиной 130 мм, их замена одним цилиндрическим магнитопроводом 5 уменьшит толщину магнитопровода до 72 мм без изменения массы. Выполнение высоты магнитопровода 5 близкой к высоте индуктора 4 позволяет снизить и его массу по сравнению с прототипом. Магнитопровод 5 располагается по возможности ближе к индуктору 4 в зону действия поля рассеяния с наибольшей индукцией. В магнитопроводе 5 могут быть выполнены отверстия для подачи хладагента снизу в полость 9 и удаления из нее хладагента вверху. Такие отверстия могут быть выполнены и в плитах 6 и 7.
Выполнение магнитопровода 5 кольцевой формы вместо нескольких стержневых I-образных магнитопроводов набранным слоями из элементов, например пластин, ленты, листов трансформаторной стали, охватывающих полностью или частично индуктор, позволяет:
- предотвратить или значительно уменьшить распространение поля рассеяния и шума за его пределы в радиальном направлении за счет исключения воздушных промежутков;
- намагнитить его для увеличения магнитной индукции и потока в рабочей полости индуктора и тигля;
- отделить индуктор от непосредственного взаимодействия с окружающим воздухом, содержащим пары воды, которые могут конденсироваться на электроизоляции витков холодного индуктора и вызвать электрический пробой этой изоляции. При этом возможно увеличение температуры индуктора до 98-99°С и снижение расхода охлаждающей жидкости, подаваемой в трубку индуктора.
Расположение обечайки 3 и магнитопровода 5 между плитами 6 и 7 позволяет образовать замкнутую кольцевую полость 9, в которой размещен индуктор 4 и хладагент для охлаждения индуктора 4, обечайки 3, магнитопровода 5 и плит 6 и 7. Это позволяет исключить верхнюю и нижнюю охлаждающие катушки и упростить конструкцию печи.
Предложенная индукционная индукторная тигельная печь с кольцевым наборным магнитопроводом работает следующим образом.
2
Из-за больших выделений Джоулева тепла в материале индуктора 4 при прохождении тока с плотностью более 5 А/мм его необходимо принудительно охлаждать каким-либо хладагентом. В предложенной печи это возможно осуществить одним из нескольких путей:
- подавать хладагент в виде кондиционной воды в трубчатый индуктор 4 аналогично подаче хладагента в устройстве, выбранном в качестве прототипа. При этом возможно даже увеличение ее расхода для снижения температуры отходящей воды ниже 20…25°С, не опасаясь конденсирования воды на трубке индуктора 4 из окружающего воздуха, так как он находится в обогреваемой замкнутой кольцевой полости 9, не имеющей сообщения с атмосферой. Однако это повышает расходы на кондиционную воду;
- подавать хладагент, например кондиционную воду, в трубчатый индуктор 4 аналогично вышеприведенному пути с меньшим расходом для повышения температуры отходящей воды до 98-99°С, а в замкнутую полость 9 подавать снизу другой вид хладагента, например сжатый воздух или некондиционную и более дешевую холодную водопроводную или техническую «умягченную» оборотную воду с более низким давлением. При прохождении хладагента в полости 9 снизу вверх также охлаждается обечайка 3 и, как следствие, теплоизолирующий материал 12, футеровка тигля 1, а также магнитопровод 5 и плиты 6 и 7. Индуктор же 4 охлаждается как изнутри, так и снаружи, что снижает расходы на кондиционную воду;
- подавать дешевый хладагент, например сжатый воздух или холодную водопроводную или техническую воду, только в полость 9 для охлаждения индуктора 4 только снаружи, что исключает расходы на кондиционную воду. При этом также охлаждается обечайка 3 и, как следствие, теплоизолирующий слой 12, футеровка тигля 1, а также магнитопровод 5 и плиты 6 и 7.
После включения охлаждения индуктора 4 и загрузки в тигель 1 электропроводной шихты на токоподводы трубчатого индуктора 4 подается переменное электрическое напряжение, которое создает в его витках электрический ток. Под его действием в полости индуктора 4 и тигля 1 появляется рабочее электромагнитное поле, а за его пределами -поле рассеяния, которое локализуется вертикальным кольцевым магнитопроводом 5. Он намагничивается и усиливает рабочее поле в полости индуктора 4 и тигле 1. При этом происходит поворот на 90° вектора индукции, что значительно уменьшает распространение поля рассеяния за пределы индуктора 4 в радиальном направлении, так как магнитный поток замыкается через магнитопровод 5. Это позволяет приблизить электропроводные стяжки 8 к магнитопроводу 5, не опасаясь их чрезмерного нагрева. Существенно уменьшается и нагрев верхней 7 и нижней 6 плит в случае изготовления их из электропроводного материала. Заметно уменьшаются размеры в плане и вредное воздействие поля рассеяния на рабочих.
Усиленное электромагнитное поле индуцирует в кусках шихты вихревые токи, которые нагревают их до расплавления. После расплавления шихты и проведения необходимых металлургических операций печь наклоняется для слива расплава из тигля и давление расплава и тигля передается не на индуктор 4, а на обечайку 3. Поэтому требования к высокой прочности индуктора могут быть снижены, что удешевляет его.
Тепло от расплава может передаваться через стенку тигля 1 и слой теплоизолятора 10 в углублениях обечайки 3 к самой обечайке, а затем от нее через воздух или жидкость к виткам индуктора 4, находящегося в замкнутой кольцевой полости 9. Наличие слоя более эффективного теплоизолирующего материала 12 уменьшает теплопередачу. Предлагаемая подача хладагента в полость 9 обеспечивает более эффективный отвод от печи тепла расплава, индуктора 4 и магнитопровода 5, который нагревается при перемагничивании. Это уменьшает воздействие теплового излучения на работающих.
При прохождении переменного тока частотой f по жестким виткам индуктора 4 они начинают вибрировать с удвоенной частотой 2f, издавая при этом сильный шум. Наличие кольцевого магнитопровода 5, окружающего индуктор 4, уменьшает распространение шума, издаваемого индуктором 4, за пределы печи. Расположение же индуктора 4 в полости 9 с водой также уменьшает распространение шума. При этом уменьшается передача вибрации индуктора 4 на тигель 1 и возникновение трещин в нем.
По сравнению с прототипом предложенное решение позволяет расширить сферу применения индукционных плавки и тигельной печи путем использования нижеперечисленных преимуществ:
- снижения энергоемкости плавки за счет более полного улавливания магнитопроводом, выполненым в виде кольцевого клжуха, магнитного потока рассеяния, увеличения магнитной индукции в рабочей полости индуктора и размещения высокоэффективного теплоизолирующего материала с теплопроводностью меньше, чем у футеровки в углублениях обечайки, и, следовательно, снижения потерь тепла через стенку футеровки тигля;
- уменьшения занимаемой площади и повышения защищенности работающих путем более эффективного улавливания потока рассеяния;
- уменьшения эксплуатационных расходов снижением или устранением расхода кондиционной воды за счет подачи дешевого хладагента в кольцевую полость;.
- повышения защищенности индуктора печи и работающих и надежности работы печи установкой цилиндрической обечайки, препятствующей протечкам расплава;
- повышения защищенности работающих от воздействия шума размещением индуктора в кольцевой полости;
- дополнительного повышения надежности работы печи размещением индуктора в кольцевой полости для уменьшения вредного воздействия вибрации на тигель.