Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Профили, а для некоторых случаев также и планы наиболее характерных видов объемов рабочего пространства печей, занятого металлом, могут быть сопоставлены по рис. 96.
Одной из наиболее показательных характеристик формы является коэффициент R, который показывает, насколько энергично может идти взаимодействие металла с атмосферой через свободную поверхность ванны.
Для тиглей различной формы он колеблется от 0,2 до 1, а в особого вида тиглях, имевших малую высоту и большой диаметр, которые одно время были в употреблении, он достигает 1,5.
Для печей отражательных коэффициент R варьирует в пределах от 1,5 до 3 и в отдельных печах — до 4.
В случае печей специальных конструкций, например индукционных с железным сердечником, коэффициент R меняется в пределах от 1 до 1,3, а в индукционных без магнитопровода — от 0,4 до 0,9.
Приведенные характеристики указывают на то, что в случаях, когда требуется усиленное взаимодействие металла ванны с атмосферой печи, например при необходимости рафинирования металла, следует пользоваться печами отражательными, а из них теми, которые обладают наиболее высокими значениями коэффициента R.
Коэффициент Н, характеризующий интенсивность подвода теплоты, для тиглей колеблется в пределах от 2 до 3; для отражательных печей он может принимать значения от 1,5 до 3. Для печей отражательных он равен коэффициенту R(H=R), так как поверхность соприкосновения металла с атмосферой является также н поверхностью нагрева.
В случае индукционных электрических печей с магнитопроводом коэффициент Н выше, несмотря на то, что горячий металл из канала подового камня входит в ванну в двух местах при одноканальных печах, или в четырех — при двухканальных. Это объясняется тем, что металл в них находится в движении, обусловливаемом, кроме конвекции, также и электрическим полем. Кроме того, некоторое количество теплоты выделяется также и в самой ванне, но, разумеется, значительно меньшее, чем в нагревательных каналах.
В этих печах скорость нагрева металла в ванне в значительной степени зависит от интенсивности движения металла и скорости замены металла в ванне металлом из нагревательного канала.
При увеличений объема ванны, а также в случае увеличения потерь теплоты вследствие, например, ухудшенной теплоизоляции, при одном и том же числе и сечении мест подвода горячего металла из подового канала коэффициент, характеризующий подвод теплоты, уменьшается.
Числовые значения этого коэффициента для индукционных печей не могут быть получены, так как теплота передается не извне, а возникает в самом металле, поэтому приходится ограничиваться лишь качественными характеристиками.
В печах без железного сердечника коэффициент, характеризующий подвод теплоты к металлу, выше, чем во всякой другой печи, так как теплота возникает в самом металле и притом по всему его объему. В этом заключается одно из преимуществ такого рода индукционных печей перед печами с железным сердечником, где теплота возникает в относительно небольшой части объема металла и в ванну должна быть перенесена главным образом путем конвекции. Правда, в печах без сердечника ток индуцируется неравномерно по всему сечению ванны. В большем количестве выделяется теплота в слоях металла, расположенных ближе к индуктору, т. е. вблизи стенок тигля. Интенсивное перемешивание металла в тигле печи способствует быстрому распределению теплоты по всему объему металла.
Геометрический коэффициент С — потерь теплоты металлом при плавке, когда нагревание металла прекращено, зависит от общей поверхности, через которую теплота теряется, и от всей массы металла.
Если теплота отнимается со всех поверхностей объема ванны, то наименьшее количество будет терять ванна, имеющая форму, приближающуюся к форме шара.
При тигельной плавке в случаях, когда форма ванны приближается к форме шара, при нагревании теплота будет медленнее поступать к металлу, а во время литья из того же тигля медленнее и теряться. При литье из одного тигля большого количества слитков металл в тигле, имеющем поперечник, близкий к размеру высоты, будет охлаждаться медленное, чем в тиглях с большими или, наоборот, с меньшими отношениями поперечного размера к высоте.
В случае отражательных печей также, чем больше отношение среднего поперечника горизонтальной проекции ванны к ее глубине, тем медленнее будет прогреваться металл во время плавки, но тем медленнее он будет и охлаждаться во время прекращения нагревания. Наоборот, чем это отношение больше, тем быстрее будет происходить нагрев, в большей степени будет иметь место взаимодействие металла с атмосферой, но и тем быстрее будет охлаждаться металл при прекращении нагревания.
Охлаждение металла в печах индукционных с железным сердечником происходит как через подовый камень, так и через верхнюю поверхность. Значительные потери теплоты через подовый камень неизбежны, так как самая форма и принцип нагрева обусловливают большую поверхность охлаждения. Потери теплоты через верхнюю поверхность металла могут быть значительно уменьшены созданием на поверхности ванны теплоизолирующего покровного слоя. Хорошим изолятором теплоты является древесный уголь. Если сплав допускает плавку под покровом древесного угля, то такой покровный слой будет достаточной защитой от потерь теплоты, в особенности при открывании крышки печи, когда нагретый в печи воздух быстро выйдет вверх, а па его место войдет снаружи холодный. При плавке сплавов, для которых древесный уголь нежелателен, или недопустим, в качестве тепловой изоляции верхней поверхности может служить слой из нe растворимых в сплаве окислов, который не сгребается и не удаляется из печи, а от плавки к плавке сохраняется и служит для тепловой изоляции. В некоторых случаях для этого могут быть применены куски кирпича, в особенности кирпича пористого, употребляемого для улучшения тепловой изоляции стенок печей.
Геометрическая конфигурация ванны этих печей должна быть ближе к форме шара, вернее цилиндра с отношением диаметра к высоте, равным единице. Существующие печи это отношение имеют обычно больше единицы, что является недостатком, который в дальнейшем должен быть устранен.
Печи без железного сердечника в отношении формы пространства, занимаемого металлом, довольно жестко связаны электротехническими требованиями. Для того чтобы разместить индуктор печи вблизи рабочего пространства, его иногда делают в виде сплющенной трубки, свернутой спиралью таким образом, что к тиглю обращена узкая сторона сечения трубки индуктора. Кроме того, и самый тигель чаще делают с отношением поперечного сечения к высоте больше двух. Так как для наиболее экономичной работы печи необходимо по возможности приблизить металл к индуктору, то стенка тигля делается более тонкой. При работе печи по трубке индуктора протекает вода, которая также в значительной мере охлаждает тигель. Отношение диаметра тигля к высоте равное единице, с точки зрения уменьшения охлаждения металла было бы желательно, но в целях увеличения электрического коэффициента полезного действия от него приходится отступать. Поэтому тепловые потери в печах без магнитопровода повышенные.