Индукционная тигельная печь для плавки металлов и сплавов

Полезная модель относится к области литейного производства, точнее, к конструктивным решениям индукционных тигельных печей и может быть использована при проектировании и изготовлении предназначенных для выплавки разнообразных литейных металлов и сплавов индукционных печей с набивными тиглями или вставными (сменными) тиглями, изготовленными из различных материалов: стали, графита, керамики и т.п., как правило, на специализированных предприятиях.
Тигели в индукционных тигельных печах (ИТП) при работе печей подвержены значительным термическим напряжениям, в т.ч. циклическим тепловым нагрузкам из-за большого температурного градиента, обусловленного перепадом температур снаружи и внутри тигля, особенно, при высокотемпературной плавке, например жаропрочных сплавов; а также механическим нагрузкам, вызывающим растягивающие напряжения в стенках тигля, например, от шихты при ее загрузке и продвижении вниз и/или от давления расплава. Перечисленные причины наряду с вероятностью механических повреждений поверхностей плавильной полости тигля, возникающих от коррозионного и эрозионного воздействия при индукционном перемешивании и от «зависания» шихты, приводят к повреждению стенок тигля, защитного слоя футеровки и в итоге, к их растрескиванию и проникновению расплава к индуктору, последствие которого бывает катастрофическим.
В известных из уровня техники отечественных и зарубежных разработках ИТП проблема повышения механической и температурной прочности (стойкости) тиглей и превентивной защиты индуктора решается несколькими путями:
выполнением тиглей, даже сменных вставных, многослойными с подборкой материала слоев с разными характеристиками, в т.ч. с учетом требуемых свойств;
разнообразными конструктивными построениями самого тигля и/или его слоев;
обеспечением ИТП мерами превентивной защиты индуктора: конструктивными или технологическими;
введением мониторинга теплового режима работы печи для контроля за целостностью стенок тигля.
Так, к примеру, известна ИТП, содержащая размещенные внутри каркаса соосно друг другу плавильный тигель с теплоизоляцией и индуктор (RU 28535 U, публ. 2003 г.), в которой теплоизоляция тигля выполнена в виде многослойной огнеупорной набивочной массы из магнезита и/или периклаза с увеличением размера их частиц от слоя к слою, а между индуктором и тиглем размещен цилиндрический тонкостенный экран для защиты индуктора от расплава.
Известна также ИТП, в которой боковые стенки тигля смонтированы по высоте из, как минимум, двух секций, закрепленных одна над другой соответственно температурным зонам, и по его глубине (RU 2199066, публ. 2003 г.).
В техническом решении ИТП, известной из описания к патенту RU 2282806, публ. 2006 г., содержащей индуктор и керамический тигель, заключенный в стальной каркас, предусмотрен ряд «конструктивных особенностей, позволяющих компенсировать термические нагрузки и гидравлические усилия на разрыв тигля, и инициировать дополнительные напряжения сжатия, релаксирующие напряжения растяжения», при этом «термический рост» тигля в радиальном направлении сдерживается металлическим бандажом, закрепленным на каркасе печи; а в осевом направлении - компенсационными зажимами. Инициирование дополнительных напряжений сжатия обеспечивает повышение стойкости тигля (прочность керамических материалов на сжатие на порядок превышает прочность на растяжение).
В ИТП, известных из описаний к патентам RU 2536311, публ. 2014 г. и RU 2666395, публ. 2018 г. защита индуктора обеспечивается установкой цилиндрической обечайки, препятствующей протечкам расплава, или размещением защитного кожуха между индуктором и тиглем.
Очевидно, что решения в вышеперечисленных аналогах либо недостаточно эффективны (аналоги 1 и 2), либо усложняют конструкцию печи (аналоги 3 и 4), к тому же в них не предусмотрены средства или меры, позволяющие избежать такого существенного недостатка печей, как вероятность зависания шихты - сводообразование в верхней зоне плавильной полости тигля, которое может стать причиной технологически не обоснованного перегрева расплава, снижения стойкости тигля и производительности печи, повышения удельного расхода электроэнергии на плавку.
Известна ИТП (RU 2198365, публ. 2003 г), содержащая осадитель шихты, например, в виде крестовины или решетки, закрепленной на консольно установленном сверху на каркасе печи дополнительном поворотном своде и при рабочем положении свода по месту размещения тигля надавливающей под действием его веса на шихту, находящуюся в верхней части рабочей полости тигля, что должно обеспечить перемещение шихты «с верхнего горизонта вниз» и тем исключить зависание шихты. Эффект надежного срабатывания такого осадителя шихты напрямую зависит от его массы и величины рабочего хода. Использование этого метода предотвращения «зависания» в промышленных ИТП с тиглями большой емкости нецелесообразно (в принципе, его использование без введения температурного мониторинга режимов плавки вообще не безопасно).
Известна ИТП, выполненная с возможностью автоматического мониторинга режимов плавки посредством реагирующих на тепловое излучение металла бесконтактных световых датчиков и содержащая тигель с внутренней плавильной полостью, выполненной по всей высоте в форме усеченного конуса с максимальным расширением на уровне дна, что, несомненно, может способствовать свободному, беспрепятственному сходу шихты (RU 2319752, публ. 2008 г, фиг. 1 и 4). Однако в работе ИТП такое исполнение тигля, т.е. без функционального выделения зон полости и со значительным углом наклона ее стенок, может спровоцировать ускоренное перемещение шихты вниз, нарушающее систему плавки.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) предлагаемой полезной модели определена известная ИТП, содержащая размещенные внутри каркаса соосно друг другу плавильный тигель с воротником со стороны загрузки шихты, охватывающий тигель теплоизолирующий слой футеровки и катушку индуктора, выполненная при этом с возможностью контроля состояния футеровки тигля с целью защиты катушки индуктора от перегрева и контакта с расплавом. Тигель в ней имеет плоское глухое дно и его открытая со стороны воротника внутренняя рабочая полость выполнена по всей высоте в форме цилиндра, заканчивающегося суживающейся книзу придонной конической поверхностью. (брошюра компании OTTO JUNKER GmbH «Надежность и экономия электроэнергии при использовании среднечастотных индукционных печей без сердечника», 2006 г., стр. 39, рис. 23 - электронный ресурс Интернета https://ruslitmash.com/wp-content/uploads/2021/03/Брошюра-2_Junker_книга-.pdf
Выполнение в прототипе тигля с верхним со стороны воротника участком полости, имеющим те же параметры: форму и размеры, что и нижний, расположенный в зоне наибольшей напряженности магнитного поля катушки индуктора, участок, к которому он примыкает, следует отнести к недостаткам прототипа, т.к. в нем из-за цилиндрической формы верхнего участка сохраняется вероятность зависания шихты и роста радиальных нагрузок на стенки тигля. Контроль состояния футеровки тигля, осуществляемый в прототипе посредством измерения и мониторинга температур с помощью оптоволоконных датчиков размещенных в поле, окружающем катушку индуктора, фиксирует момент начала разрушения футеровки тигля, что востребовано с точки зрения обеспечения безопасности и эффективности плавки и позволяет оптимизировать толщину тигля с футеровкой, но способствовать устранению зависания не может. Предлагаемый же в прототипе технологический способ предупреждения зависания шихты посредством введения дополнительного предшествующего началу плавки этапа аппаратной подготовки шихты несомненно полезен, но не всегда экономически и технически приемлем, да к тому же не всегда гарантировано срабатывает. Проведенные авторами предлагаемой полезной модели экспериментальные плавки показали, что явление зависания шихты влияет на удельный расход электроэнергии в большей степени, чем качество используемой шихты (Маляров А.И. и др. Влияние качества шихты на удельный расход электроэнергии при плавке в современных индукционных тигельных печах//Металлургия машиностроения. 2021 г. №5, стр. 14, 15).
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, направлена на расширение арсенала технических средств в области индукционной плавки металлов и сплавов, путем создания индукционной тигельной плавильной печи с формой внутренней рабочей полости тигля, предотвращающей образование свода в плавящейся шихте и тем способствующей улучшению эксплуатационных и экономических характеристик печей.
Технический результат состоит в достижении заявленной задачи.
Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что в индукционной тигельной печи для плавки металлов и сплавов, выполненной с возможностью контроля состояния футеровки тигля и содержащей размещенные внутри каркаса соосно друг другу, по меньшей мере, плавильный тигель с воротником, охватывающий тигель теплоизолирующий слой футеровки и катушку индуктора, в которой тигель выполнен с плоским глухим дном и открытой со стороны воротника рабочей полостью, имеющей верхний участок, примыкающий к расположенному в зоне наибольшей напряженности магнитного поля катушки индуктора нижнему участку в форме цилиндра, заканчивающегося суживающейся книзу придонной конической поверхностью, тигель выполнен таким образом, что верхний участок рабочей полости имеет форму усеченного конуса, расширяющегося от нижней кромки воротника до границы нижнего участка с уклоном по высоте h под технологическим углом α. Высота h определяется по формуле h=b*Н, исходя из соотношения теплосодержания (энтальпии) определенного литейного сплава при температуре солидуса и при температуре разливки, а угол α - по , где: Н - общая высота рабочей полости тигля; d - диаметр цилиндра нижнего участка полости; Δd - увеличение диаметра верхнего участка полости, обеспечивающее беспрепятственный предусмотренный технологией плавки сход шихты; с - коэффициент теплового расширения сплава при нагреве от нуля до температуры солидуса; b - коэффициент, характеризующий отношение энтальпии сплава при температуре солидуса к его энтальпии при температуре разливки.
Для пояснения сущности предлагаемой полезной модели представлены чертежи, где: на фиг. 1 дан общий вид предлагаемой ИТП в разрезе; на фиг. 2 - схематичные примеры плавки: слева в прототипе (с образованием свода) и справа в предлагаемой печи.
Внутри общего каркаса 1 печи на донной плите каркаса (фиг. 1) установлены соосно друг другу плавильный тигель 2 с охватывающим его теплоизолирующим слоем футеровки 3 и катушка 4 индуктора с магнитопроводом 5. Тигель 2 выполнен с плоским глухим дном 6 и открытой со стороны загрузки шихты внутренней рабочей полостью 7, имеющей верхний участок А, размещенный на расстоянии h от нижней кромки воротника до границы нижнего участка Б, лежащей на уровне условной плоскости 8 начала плавления конкретной шихты при температуре солидуса, и выполненный в виде усеченного конуса, расширяющегося вниз с уклоном под технологическим углом α. Нижний участок Б расположен в зоне наибольшей напряженности магнитного поля катушки 4 индуктора и выполнен, в форме цилиндра, заканчивающегося придонной конической поверхностью 9. Высота поверхности 9 в нем определяется требуемой прочностью придонной части тигля, способной противостоять механическим, в т.ч. под воздействием ударов достаточно крупных кусков шихты, и термическим нагрузкам. Высота h верхнего участка А, равная расстоянию от нижней кромки воротника 10 до уровня плоскости 8 устанавливается из диапазона 62-65% от общей высоты Н рабочей полости 7 в зависимости от соотношения теплосодержания (энтальпии) определенного литейного сплава при температуре солидуса и при температуре разливки, и вычисляется по формуле h=b*H, где: Н - общая высота полости тигля; b - коэффициент, характеризующий отношение энтальпии сплава при температуре солидуса к его энтальпии при температуре разливки. Технологический угол α определяется по
,
где: d - диаметр цилиндра нижнего участка полости; Δd - увеличение диаметра верхнего участка полости (d-dв), обеспечивающее беспрепятственный в режиме, предусмотренном технологией плавки, сход шихты, определяемое как Δd=c*d; с - коэффициент теплового расширения сплава при нагреве от нуля до температуры солидуса.
Глубина полости тигля обычно больше ее диаметра на 20% и составляет 1,2d. Значения коэффициентов b и c приведены в таблице.
Отсюда в конкретном примере исполнения ИТП, например для выплавки стали, высота h верхнего участка равна 0,64 Н и  следовательно угол α равен 0°50. Следует округлить до ближайшего большего значения и принять угол α равным одному градусу.
Контроль состояния футеровки тигля с целью защиты катушки индуктора от перегрева и контакта с расплавом в предлагаемой печи может быть осуществлен посредством системы с оптоволоконными датчиками, выполненной аналогично системе в прототипе - в этом случае между слоем 3 и катушкой 4 устанавливается сенсорный кабель 11 системы контроля, как показано на фиг. 1, или посредством какой-либо другой известной системы, аналогичного назначения.
Работа печи осуществляется традиционным способом. При первоначальной загрузке в пустой тигель 2 холодной печи загружают шихту до уровня воротника - уровня вместимости тигля по жидкому металлу в зависимости от размеров компонентов шихты. Печь накрывают крышкой (не показана), обеспечивающей отсос газов из рабочего пространства печи и уменьшение тепловых потерь излучением со свободной поверхности металла. После подачи переменного тока в катушке 4 индуктора создается электромагнитное поле, энергия которого поглощается электропроводной шихтой и превращается в ней в Джоулево тепло. Вследствие торцевых эффектов системы «индуктор - садка» и в связи с поверхностным эффектом, неравномерностью напряженности поля и неравномерностью потерь тепла с поверхности металла по высоте тигля 2, наибольшая скорость нагрева наблюдается в поверхностном слое шихты, расположенном в зоне верхнего участка А полости 7 ближе к плоскости 8. Поэтому первые капли и струйки металла, образующиеся в этом слое, стекают вниз, заполняя пространство между нижерасположенными кусками шихты. Увеличивающиеся при этом плотность нижних слоев шихты и ускорение процесса их расплавления провоцируют появление зазора между нижней и верхней частями шихты. При затрудненном, как в печи - прототипе, сходе шихты «по цилиндру» тигля в результате такого зазора образуется зависание шихты (пример: сводообразование 12 на фиг. 2 слева). В предлагаемой печи, благодаря конусности верхнего участка А тигля 2 верхняя часть шихты под действием собственного веса беспрепятственно опускается вниз в направлении увеличения диаметра тигля, т.к. сила трения о стенки тигля оказывается меньше ее веса, и выбирает образовавшийся зазор (фиг. 2 справа). Сходу шихты способствует, в определенной степени, силовое взаимодействие тока в металле с током в индукторе (сила Лоренца). Эта сила действует на металл в направлении к оси тигля. Вибрация, вызываемая переменным током, способствует преодолению трения покоя. После проплавления части шихты ее уровень в тигле опускается и в него догружается новая порция шихты. Для улучшения электромагнитной связи индуктора и загрузки печи рекомендуется поддерживать в ходе плавки максимально допустимую высоту слоя шихты в тигле. Этот режим способствует улучшению схода шихты и при первичной загрузке, и при последующих плавках на «горячей печи», когда плавление загруженной шихты в средней части тигля начинается при более низкой температуре ее верхних слоев, что объясняется отсутствием потерь тепла через разогретое в предыдущей плавке днище тигля и остатками расплава на нем от предыдущей плавки. В прототипе при таком условии последующих плавок вероятность зависания шихты увеличивается.
Улучшению эксплуатационных и экономических характеристик ИТП, таких как производительность процесса плавки, удельный расход электроэнергии на плавку и надежная защита индуктора способствует достигнутое в предлагаемом решении простым и надежным образом повышение механической и термической стойкости тигля за счет исключения вероятности зависания шихты и неконтролируемого перегрева металла в период расплавления шихты, что обеспечивает уменьшение расхода электроэнергии на плавку и износа огнеупорного материала тигля, а также возможность безопасной минимизации параметра тигля и его футеровки по толщине.
Реализация предлагаемой полезной модели не требует капитальных вложений и может быть осуществлена как при изготовлении новых, так и при модернизации существующих.