» » Разновидности конструкций печей без железного сердечника
02.02.2017

Печи без железного сердечника строятся двух типов: 1) с ламповым генератором (печи малой мощности); 2) с электромеханическим генератором (печи большой мощности).
По конструкции плавильной части печи без сердечника бывают: 1) со стационарным индуктором; 2) с переносным индуктором. Кроме того, эта часть печи может быть как с экраном, так и без него.
Плавильная часть индукционной печи без железного сердечника является весьма удобным металлургическим прибором. Рабочее пространство имеет простую геометрическую форму — цилиндра или усеченного конуса. В отличие от печей с магнитопроводом в этих печах отсутствует сложная фасонная футеровка в виде подовых камней. Процесс замены футеровки более прост и непродолжителен.
Атмосфера в печи может создаваться любая в зависимости от потребности; также легко осуществляется и плавка в вакууме.
Если бы не сложность электрической части печи и ее сравнительно невысокий коэффициент мощности, то печи без магнитопровода были бы идеальными металлургическими печами для приготовления цветных сплавов.
Разновидности конструкций печей без железного сердечника

В печах обычных конструкций индуктор монтируется вместе с плавильным тиглем в кожухе, сделанном из материала, не проводящего тока (рис. 23, а). Довольно часто внешняя облицовка плавильных печей выполняется из дерева, однако, по наружным габаритам такие печи получаются довольно громоздкими. В промежуток между плавильным тиглем и индуктором иногда помещается измельченный огнеупорный материал, близкий по свойствам к материалу тигля.
Плавильные тигли изготовляются или отдельно от индуктора, или формуются: непосредственно на месте внутри индуктора. В одних случаях для формовки тиглей применяют разборную металлическую модель, которая затем извлекается из тигля; в других случаях модель, изготовленная путам сварки из листового материала, остается в тигле, служит для его просушки и в дальнейшем расплавляется или растворяется в сплаве при первой плавке. Иногда для плавки малых количеств сплава пользуются графитовыми тиглями обычного изготовления. В этом случае нагрев металла происходит через тигель, в стенках которого индуцируется ток, так как они изготовлены из электропроводного материала.
Известны конструкции, в которых индуктор смонтирован по внутренней поверхности колпака, изготовленного из непроводящего ток материала, имеющего огнеупорную футеровку и снаружи и внутри спирали индуктора. Тигли изготовляются отдельно от индуктора и для плавки только накрываются колпаком, заключающим в себе индуктор (рис. 23,б). При такой конструкции один колпак с индуктором может обслуживать последовательно два или несколько тиглей. В то время когда в один тигель металл загружается или выливается из него уже расплавленным, индуктор расплавляет металл в другом тигле и т. д. Такая организация работы представляет преимущество в том, что печь оказывается целиком использованной по своему прямому назначению. Непроизводительная трата времени в этом случае сводится к минимуму
При плавке вблизи индуктора — внутри и снаружи — создается электрическое поле. Часть поля, образующаяся внутри спирали индуктора, используется для нагревания и плавления металла. Часть же его, возникающая снаружи, остается неиспользованной. Если снаружи индуктора окажутся металлические части, то в них будут индуцироваться токи, которые вызовут их нагревание. Кроме того, находящиеся под напряжением части небезопасны для обслуживающего персонала. Чтобы сконцентрировать поле и не дать возможности распространиться ему до кожуха печи и других наружных металлических частей, непосредственно перед индуктором устанавливается железный экран, который служит в качестве магнитопровода для поля, возникающего снаружи индуктора.
В экранированных печах наружная облицовка или кожух могут быть сделаны с металлическими частями или даже целиком из металла, и опасности для работающих они представлять не будут. Таким образом, и в печах без железного сердечника было введено употребление магнитопровода, который, однако, располагается лишь снаружи индуктора, поэтому всего поля рассеяния он не устраняет, но все же значительно его уменьшает.
Экран, способствуя уменьшению магнитного сопротивления, позволяет уменьшить число ампер-витков индуктора и увеличить коэффициент мощности печи.
Экранированные печи строятся лишь для больших емкостей и для малых частот тока, так как при высоких частотах борьба с паразитными токами в железе экрана была бы затруднительна и потребовала бы также слишком большого количества железа.
Когда происходит нагревание расплавленного металла в индукционной печи без железного сердечника, свободная поверхность ванны становится выпуклой, а металл у поверхности приходит в движение в направлении радиусов от центра к периферии. Te же виды движения металла, которые наблюдаются в печах с магнитопроводом, имеют место и в печах без железного сердечника. Движение металла под влиянием электрического поля в этих печах проявляется наиболее энергично. Направление движения тока может быть определено с помощью правила левой руки.
В этом случае индуктор окружает нагреваемый металл, поэтому отбрасываемый в центральной части индуктора металл идет в места, наиболее от него отдаленные, т. е. к центральной оси объема. Направляясь в это пространство в большем количестве, чем может поместиться. металл растекается вертикальными ветвями вверх и вниз. На место металла, ушедшего от стенок тигля, в средней его части, сверху и снизу поступают новые порции, вытесненные со своих мест центральным потоком. Таким образом, в разрезе по центральной вертикальной плоскости движение металла под влиянием электрических сил изобразится четырьмя кольцевыми потоками, расположенными симметрично относительно вертикальной и горизонтальной осей плоскости разреза (рис. 24, а). При наличии только конвекционного движения вследствие большей плотности тока у периферии ванны металл в этих местах нагревается до более высокой температуры и поднимается вверх. В центральной зоне ванны более холодный металл опускается вниз (рис. 24,б). При прекращении нагрева или в случае, если охлаждение металла у стенок тигля будет преобладать над разогреванием, картина получится обратная (рис. 24,в). Более холодный металл у стенок тигля будет опускаться вниз, а металл более высокой температуры из средних областей ванны будет подниматься вверх и снова вытеснять оттуда металл более холодный. В обычных индукционных печах без магнитопровода конвекционные токи металла перекрываются движением в результате действия электрических сил, которое часто оказывается настолько интенсивным, что для его уменьшения приходится принимать особые меры.
Разновидности конструкций печей без железного сердечника

Если перемещать индуктор относительно тигля с металлом в вертикальном направлении, можно заметить изменение интенсивности движения металла у поверхности ванны (рис. 25).
Под влиянием перемещения индуктора вверх область интенсивного движения металла сосредоточивается в верхней части объема ванны (рис. 25, а). Внизу остается зона, где перемешивание металла ослаблено.
По мере перемещения индуктора вниз область интенсивного движения увеличивается и смещается книзу (рис. 25, б, в). Когда, верхняя кромка индуктора окажется ниже поверхности металла в тигле, у зеркала ванны будет находиться слой, в котором интенсивность движения окажется в значительной мере ослабленной, тогда как под этим слоем движение металла будет достаточно интенсивным. Уровень металла тогда будет иметь вид горизонтальной плоскости (рис. 25, г). При этом случае будет малая вероятность замешивания поверхностных пленок окислов внутрь металла.
Разновидности конструкций печей без железного сердечника

При смещении индуктора вниз для сохранения полной мощности должно быть повышено напряжение, так как индуктор в этом случае работает не на полную высоту, и часть внутреннего силового поля не используется. Иногда регулировать интенсивность движения металла при плавке рекомендуется путем разделения индуктора на две секции, соединяемые параллельно. При включении обеих секций индуктора движение металла не устраняется, но может быть ограничена область распространения верхних траекторий. При введении добавочных индуктивных сопротивлений в каждую из секций сила тока в каждой из ниx может по желанию изменяться, а следовательно, может меняться в интенсивность движения металла.
Уменьшение движения металла при плавке в печах рассматриваемого типа дает возможность применять их и для сплавов, образующих тугоплавкие нерастворимые в сплаве окислы, которые в противном случае могли бы замешиваться вглубь металла. В особенности большое значение имеют рассмотренные приемы уменьшения интенсивности движения при плавке алюминиевых сплавов.