Учебное пособие для факультета спо

 
 

---

39 
2.16. Индукционные тигельные печи
 
Тигельная печь по принципу действия подобна трансформатору без сер-
дечника. Первичная обмотка –
индуктор, вторичная обмотка и нагрузка –
расплавленный металл в тигле.
Печь представляет собой плавильный тигель
, 
помещенный в индуктор. 
Внутрь тигля загружается металл, который
, 
поглощая энергию электромаг-
нитного поля
, 
плавится
(рисунок 2.48)
. 
1 
–
расплав; 2 –
тигель; 3 –
индуктор; 4 –
металлокаркас;
5 
–
магнитопровод
Рисунок 2.
48 
–
Эскиз индукционной тигельной печи
Различают печи с непроводящим и проводящим тиглем. В первом слу-
чае загрузка нагревается наведенным в ней током, во втором электромагнит-
ным полем нагревается тигель, а загрузка
плавится за счет теплопередачи от 
нагретого тигля.
Для снижения потерь энергии в элементах конструкции печи применя-
ются магнитопровод в виде пакетов трансформаторной стали, располагаю-
щихся вокруг индуктора, или электромагнитный экран между индуктором и 
корпусом печи.
Диапазон емкостей тигельных печей –
от 0,1 кг до 120
тонн. Крупные 
печи работают на частоте 50 Гц. С уменьшением емкости печи частота долж-
на повышаться, чтобы сохранилось соотношение между глубиной проникно-
вения тока и диаметром тигля, обеспечивающее высокий КПД индуктора.
По частоте питающего напряжения индукционные тигельные печи клас-
сифицируются
следующим образом
: 
печи промышленной частоты, работающие на частоте 50 Гц;
печи повышенной частоты (150–250 Гц);

---

40 
печи средней частоты 
(500
–10000 Гц
); 
высокочастотные печи (выше 10000 Гц).
По характеру рабочей среды ИТП делятся на открытые (работающие в 
атмосфере) и вакуумные
(рисунок 2.49)
. 
1 
–
жидкий металл; 2 –
тигель; 3 –
тепловая изоляция; 4 –
электрическая изоляция; 
5 
–
индуктор; 5
а
–
охлаждающие катушки; 6 –
воротник; 6
a
–
летка для слива металла; 
6
b
–
носок для шлака; 7 –
магнитопровод; 8 –
стяжки; 9 –
подина печи; 10 –
металлокаркас
Рисунок 2.49 –
Устройство индукционной тигельной печи
Футеровка печи включает в себя тигель (если он не проводящий), поди-
ну, воротник вместе с леткой и носком для удаления шлака. Состав футеров-
ки определяется свойствами выплавляемого металла. Проводящие тигли не 
являются футеровкой печи.
Требования, предъявляемые к тиглю:
-
должен обладать высокой огнеупорностью, термостойкостью и 
химической стойкостью по отношению к расплавленному металлу при 
рабочих температурах;
-
должен сохранять изоляционные свойства во всем диапазоне рабочих 
температур;
-
должен иметь по возможности минимальную толщину стенки для 
получения высокого значения электрического КПД и 
cos(p); 
-
должен быть механически прочным в условиях высоких температур, 
большого металлостатического давления, значительных механических 
усилий, возникающих при наклоне печи, ударных нагрузках, возникающих 
при загрузке шихты и чистке тигля;
-
материал тигля должен иметь малый коэффициент линейного 
расширения.

---

41 
В зависимости от выплавляемого металла применяют три вида 
футеровок:
-
кислая футеровка (содержит до 98% окиси кремния 
Si
О
2
). 
Стойкость –
80
–100 плавок;
-
основная футеровка (содержит 85% окиси магния 
MgO 
и жидкое 
стекло). Стойкость
–
20
–50 плавок;
-
нейтральная футеровка (на основе глинозема А1
2
О
3
). Стойкость
–
более 100 плавок.
Проводящие тигли применяются для плавки материалов с очень высо-
ким удельным сопротивлением
либо для повышения КПД при плавке мате-
риалов с низким удельным сопротивлением. При этом переплавляемый мате-
риал не должен взаимодействовать с материалом тигля.
Индуктор предназначен для создания электромагнитного поля, индуци-
рующего ток в загрузке
(рисунок 2.50). Представляет собой цилиндрическую 
однослойную водоохлаждаемую катушку, витки которой уложены в виде 
спирали, либо методом транспозиции. 
Рисунок 2.50 –
Общий вид индуктора
Индуктор должен обеспечивать:
-
минимальные электрические потери;
-
требуемый расход охлаждающей воды;
-
необходимую механическую прочность и жесткость;
-
надежную электроизоляцию.

---

42 
Для снижения электрических потерь необходимо выполнение условий:
- 
материал индуктора должен обладать малым удельным сопротивлени-
ем;
- 
он должен быть немагнитным;
- 
толщина активного слоя витка индуктора должна быть > 1,57А.
Указанные условия выполняются при выполнении индуктора из медной 
трубки круглого, прямоугольного или специального сечения. При этом 
равностенные
трубки используются для печей повышенной частоты, а со 
стенками разной толщины –
в печах промышленной частоты
(рисунок 2.51)
. 
Электроизоляция индуктора должна иметь высокую диэлектрическую 
прочность, быть пыле
- 
и влагонепроницаемой, противостоять вибрациям и 
повышенным температурам.
Спиральная навивка Транспозиционная навивка
Профиль медной трубки
Рисунок 2.51 –
Общий вид медной трубки
Каркас печи служит креплением
основных элементов печи, к которому 
предъявляются требования
(рисунок 2.52)
: 
-
обеспечение максимальной жесткости всей конструкции;
-
минимальное поглощение мощности элементами каркаса, т.к. они 
находятся в магнитном поле индуктора.
Для уменьшения потерь энергии в каркасе применяются магнитопрово-
ды и экраны.

---

43 
Рисунок 2.52 –
Общий вид каркаса
Пакеты магнитопроводов устанавливаются между индуктором и карка-
сом печи и выполняются из листов электротехнической стали толщиной 0,2, 
0,35 и 0,5 мм.
Кроме своего прямого назначения, магнитопроводы выполняют функ-
цию конструктивного элемента, обеспечивающего жесткость индуктора и 
всей печи. Применение магнитопроводов позволяет уменьшить габариты пе-
чи и дает возможность изготавливать кожух из конструкционной стали.
Электромагнитные экраны выполняются в виде тонких медных или 
алюминиевых листов, толщина которых превышает глубину проникновения. 
Экран располагается непосредственно у внутренней поверхности кожуха.
Расплавленный метал в индукционной тигельной печи подвергается си-
ловому воздействию со стороны электромагнитного поля. Сила электроди-
намического воздействия направлена радиально от поверхности к оси тигля. 
Они максимальны на поверхности тигля и убывают до нуля на оси. С пони-
жением частоты силовое воздействие на металл увеличивается.
Распределение сил неравномерно по вертикальной оси. Возникает пере-
пад давления, под действием которого металл приходит в движение. Возни-
кает двухконтурная циркуляция.
Циркуляция металла ускоряет расплавление, выравнивает температуру и 
химический состав ванны, способствует взаимодействию металла со
шлаком 
(рисунок 2.53).
Недостатком циркуляции металла является возникновение мениска. Это 
приводит к увеличению количества шлака, необходимого для полного по-
крытия поверхности металла, разъеданию футеровки и загрязнению распла-
ва, понижению температуры шлака.

---

44 
Рисунок 2.53 –
Циркуляция металла
в тигельных печах
Понижение температуры шлака замедляет протекание химических реак-
ций и увеличивает продолжительность плавки. Высота мениска не должна 
превышать 15% от высоты металла в тигле. Высота мениска определяется из 
выражения, м:
, 
где