Схема и принцип работы индукционной печи. Принцип работы индукционных печей. Принцип индукционного нагрева

Вакуумная печь — это устройство, которое в первую очередь предназначено для образования внутри системы высокой температуры. Проделывается весь этот путь, для того, чтобы достичь оптимальных условий для плавки металла в вакууме с помощью энергии электрической дуги.

Навигация:

Если говорить о том, где задействуются подобные устройства, то на данный момент вакуумные печи нашли свое применение во многих отраслях производства, где они играют одни из самых важных ролей. К примеру, вакуумные печи нашли свое применение в таких отраслях, как:

• Ракетостроение
• Космическая промышленность
• Атомная энергетика
• Металлургия

Все эти отрасли требуют качественной выплавки высококачественных сталей, которые смогут выдерживать самые трудные погодные условия. А без участия вакуумных печей, достичь подобной кондиции попросту невозможно.

Также можно рассмотреть главные преимущества вакуумной печи, которых на самом деле огромное количество. Пройдя через вакуумную печь, в сплаве остается минимальное содержание газов и неметаллических веществ.

Благодаря качественной конструкции вакуумных печей, а именно отдельных её элементов, удалось достичь максимальной прочности агрегата. Этот фактор позволяет достигать внутри системы максимальных температур, вплоть до 2000 градусов. При этом, сплавы являются действительно очень качественными и не содержат в себе каких-то нежеланных элементов. А сами печи, вне зависимости от ценовой категории никаким образом не портятся и остаются все такими же эффективными.

Но стоит отметить тот факт, что вакуумная печь, цена которой довольно высока — это не такой часто встречаемый продукт, и купить подобный агрегат будет весьма проблематично.

Дуговая печь

В отличие от обычной вакуумной печи, дуговая печь работает по мене запутанному алгоритму, но результаты, которые она предоставляет, ничем не уступают обычной версии вакуумной печи. Но стоит напомнить, что у этих печей абсолютно разное предназначение и каждая из них выполняет собственные задачи.

Дуговая печь работает за счет теплового эффекта электрической дуги, который приводит в действие весь механизм. Главная задача этого агрегата — это плавка металла, но кроме него, печь в силах справится и с другими материалами, и показывает себя в этом только с лучшей стороны.

Дуговые печи имеют три версии сборки, из-за чего их и разделили на три отдельных категории.

• Печи прямого нагрева — электрическая дуга находится посредине двух электродов и находится под воздействием расплавленных металлов.
• Печи с закрытой дугой — материал, который поддается нагреву, находится внутри, в полном окружении электродов. Что касается дуги, то в этом устройстве, она разместилась под нагреваемым материалом. С помощью излучения, дуга воздействует на материал внутри системы, придавая ему все условия для быстрой плавки, в то время как электрический ток проходит внутри расплавленного метала
• Печи косвенного нагрева — Этот тип системы подразумевает более интересный способ работы, так как здесь электрическая дуга, находится в активном режиме только между электродами. Что касается тепла от дуги, то оно поступает посредством излучения.

Индукционная печь

Индукционные печи в плане внешнего вида не особо отличаются от своих собратьев, но что касается технологии работы, то здесь отличия просто кардинальные. В какой-то мере можно сказать, что именно индукционные плавильные печи — это прорыв в отрасли плавки металлов, так как технология плавильной печи устроена таким образом, что нагревается не сам агрегат, а лишь материал который в нем находится, так как электрическая энергия направленна исключительно на материал внутри системы.

Вакуумная индукционная плавильная печь, использует нагрев токами, высочайшей частоты, которые позволяют реализовать возможность создания наибольшей концентрации электрической энергии. Она же в свою очередь, направляется на метал, который находится в плавильной печи. Также большим плюсом является то, что подобная технология позволяет проводить нагрев намного быстрее, чем обычные печи. А это значит, что предприятия, которые используют именно индукционные плавильные печи, имеют возможность значительно увеличить эффективность труда, что принесет дополнительный доход.

Вакуумная термическая печь

Вакуумная термическая печь, как собственно и другие её вариации, также нашла свое применение во многих производственных отраслях и на данный момент используется многими предприятиями. Если говорить о самых известных отраслях, в которых на данный момент термическая печь является важнейшим звеном, то сюда можно отнести такие отрасли, как:

• Авиационная промышленность
• Космическая промышленность
• Машиностроение

Все эти отрасли являются довольно распространёнными в нашей стране, и все они используют в своей работе вакуумную термообработку деталей, без которой они будут попросту не пригодны для работы. После термообработки, любая деталь покрывается небольшим покрытием, которое в будущем и служит надежным защитником от воздействия окружающей среды.

Что касается ценовой категории вакуумных термических печей — то это действительно дорогой агрегат, купить который будет довольно проблематично. Обычному человеку это возможно сделать, если он найдет самую маленькую версию печи подобного типа, которых на рынке не так много. Зачастую вакуумные термические печи используются большими предприятиями, которым требуется устройство, которое сможет давать хорошие показатели работоспособности и при этом работать сутками без остановки.

Водородная печь

Если говорить о наиболее качественной и надежной печи, то без каких-либо сомнений можно сказать, что таковой является водородная печь, имеющая наибольший спектр функций, которые позволяют ей справляться с самыми разными задачами. Не стоит также забывать и о характеристиках подобного агрегата, так как они действительно отличаются от того, что можно увидеть у вакуумных печах других вариаций.

Дополнительные процессы отжига и пайки, позволяют деталям обеспечить по-настоящему качественное соединение. Вакуумные водородные печи, также отличатся абсолютной автоматизацией и не требуют никакой человеческой помощи. Для долгой и качественной работы, надо лишь правильно настроить агрегат, после чего он будет выполнять все в точности с заданными параметрами.

Водородные печи выпускаются в самых различных вариациях в точном числе и в плане габаритов есть самые разные модели. А это значит, что человек, который хочет себе подобное устройство, имея нужную сумму денег, может без каких-либо преград купить себе подобный агрегат. Но все-таки намного чаще он используется на различных производствах, где он выполняет одну из важнейших функций.

По сути, сравнивать все эти печи – это довольно странная затея, так как все они имеют свое предназначение и выполняют отдельные функции. Но все-таки, если сравнивать их в плане производительности, то лучше всего себя показывает именно вакуумная водородная печь, демонстрируя отличное качество и скорость работы, которая значительно выше, чем у других печей вакуумного типа.

Вакуумные индукционные печи (ВИП) по режиму работы разделяют на печи периодического и полунепрерывного действия.

Печи периодического действия имеют лишь одну камеру – плавильно-заливочную. После каждой плавки и заливки форм указанную камеру разгерметизируют; вынимают из неё залитую форму; чистят и заправляют тигель; вновь загружают в него шихту; устанавливают в камеру пустую форму; закрывают камеру; откачивают из неё воздух и производят новую плавку.

Вакуумные печи полунепрерывного действия имеют, кроме плавильно-заливочной, дополнительные камеры – не менее одной вертикальной и одну или две горизонтальных. Каждая из дополнительных камер одним торцом присоединена к плавильно-заливочной камере (ПЗК), а второй торец свободен. Дополнительные камеры изолированы от плавильно-заливочной (в местах присоединения) вакуумными затворами. Аналогичные затворы открывают или закрывают свободные торцы камер. В ВИП полунепрерывного действия загрузка шихты в тигель и её плавка, подшихтовка и все виды доводки ЖМ, подача порожних форм (или изложниц), их заливка, затвердевание ЖМ, извлечение заполненных форм – все эти технологические операции выполняются без нарушения вакуума в ПЗК.

По способу слива ЖМ из тигля в форму или изложницу различают ВИП :

а) с наклоном всей ПЗК вместе с тиглем и заливаемой изложницей, подвешенной на шарнирах к кожуху этой камеры;

б) с наклоном только тигля внутри ПЗК, а заливаемая форма установлена неподвижно на какой-нибудь опоре внутри камеры.

К вакуумным печам полунепрерывного действия относятся печи ВИАМ – 100, ВИАМ – 24, ИСВ – 0,6, УЛВАК, КОНСАРК и др.

У печи ВИАМ – 100 ПЗК имеет цилиндрическую форму и расположена горизонтальною. Примерно в центре камеры находится тигель (с индуктором), который при сливе ЖМ наклоняется вдоль оси ПЗК. Ниже тигля имеется рольганг (с дисковыми роликами), на котором располагаются литейные формы при заливке. На верхней части кожуха ПЗК установлена вертикальная цилиндрическая камера, через которую загружают в тигель шихту без разгерметизации плавильного рабочего пространства печи. Ось шихтовой вертикальной камеры совпадает с осью симметрии тигля.

Перед началом очередного цикла работы печи

ВИАМ – 100 необходимо: тигель осмотреть, очистить и отремонтировать (если нужно); ПЗК со всех сторон закрыть вакуумными затворами (т.е. изолировать от всех остальных камер) и откачать из неё воздух до остаточного давления – мм рт. ст.; разгерметизировать верхние и боковые камеры, т.е. открыть их наружные вакуумные затворы. Строго говоря, перечисленные операции выполняют перед началом первой плавки. Если печь работает в неперерывном режиме (например в течение двух смен), то ПЗК, естественно, не разгерметизируют и загрузку шихты в тигель осуществляют сразу после слива предыдущей дозы ЖМ.

Далее для возобновления нового цикла плавки необходимо: набрать дозу компонентов шихты в специальную загрузочную корзину, поместить её в шихтовую камеру и закрыть камеру наружным вакуумным затвором; откачать воздух из шихтовой камеры до остаточного давления, равного давлению в ПЗК; открыть внутренний вакуумный затвор между этими камерами, выгрузить шихту из корзины в тигель; поднять пустую корзину в шихтовую камеру и закрыть внутренний вакуумный затвор; подать воздух (при атмосферном давлении) в шихтовую камеру; открыть наружный вакуумный затвор; набрать дозу компонентов шихты в загрузочную корзину и т.д.; начать плавку шихты в тигле.

Печь ВИАМ – 100 имеет также две горизонтальные дополнительные камеры цилиндрической формы. Эти камеры расположены по бокам (слева и справа) центральной ПЗК и присоединены к ней своими рабочими торцами. Как указывалось выше, каждая боковая камера с обоих торцов (рабочего и свободного) закрывается или открывается вакуумными затворами. В нижней части камер имеются рольганги с дисковыми роликами, расположенными на одном уровне с роликами в ПЗК. Через одну из боковых камер (например правую) подаются пустые формы в плавильную камеру для заливки. Назовём правую камеру загрузочной. Через другую (левую) удаляются после их заливки. Левую камеру назовём выгрузочной. Последовательность подачи пустых форм после окончания плавки: установить заливаемые формы на вспомогательный рольганг (перед правой камерой) таким образом, чтобы заливочные чаши разных форм располагались в одной горизонтальной плоскости, наиболее удобной для заливки из тигля; протолкнуть формы на рольганг внутри правой камеры и закрыть её наружным вакуумным затвором; откачать воздух из загрузочной (правой) камеры до остаточного давления, равного давлению в ПЗК; открыть вакуумный затвор между этими камерами, подать (по очереди) первую, вторую и другие формы под заливку, располагая каждую из них так, чтобы заливочная чаша находилась под носком тигля, и залить формы (количество форм зависит от их металлоёмкости и габаритных размеров); закрыть вакуумный затвор между плавильно-заливочной и загрузочной камерами; подать воздух в загрузочную камеру (при атмосферном давлении), открыть наружный вакуумный затвор и готовиться к очередному поступлению форм.

Левую боковую камеру используют следующим образом: закрыть свободный торец наружным вакуумным затвором (рабочий торец был закрыт вакуумным затвором ранее перед началом плавки): откачать воздух из выгрузочной (левой) камеры до остаточного давления, равного давлению в ПЗК; открыть вакуумный затвор между этими камерами, передвинуть залитые формы из плавильной в левую камеру и закрыть вакуумный затвор, сохранив при этом «вакуум» в ПЗК; подать воздух (при атмосферном давлении) в выгрузочную камеру, открыть наружный вакуумный затвор и выкатить залитые формы на вспомогательный рольганг, расположенный после левой камеры. Очерёдность и время работы всех камер должны быть согласованны так, чтобы время простоя печи было наименьшим. Если используются оболочковые керамические формы, полученные литьём по выплавляемым моделям, то время между извлечением этих форм из прокалочной печи и заливкой должно быть не более 15 мин.

Печь ВИАМ – 100 может работать с одной боковой камерой например правой, используя её и для загрузки пустых форм, и для выгрузки залитых. Последовательность закрывания и открывания вакуумных затворов, откачки или подачи воздуха в боковую камеру и т. п. зависит от того, для какой цели она используется на данном этапе работы печи.

Вакуумная печь ВИАМ – 24 состоит из трёх основных камер: плавильно-заливочной, шихтовой и для подачи – выдачи литейных форм.

ПЗК имеет цилиндрическую форму, расположена горизонтально и с торцов закрыта сферическими днищами, из которых переднее открывается подобно двери, а заднее отодвигается вдоль оси камеры. В центре камеры находится тигель (с индуктором), прикреплённый к заднему днищу, поэтому если отодвинуть днище, то тигель извлекается из ПЗК и с помощью например цехового мостового крана можно отремонтировать или заменить тигель или индуктор. При сливе ЖМ тигель наклоняется в плоскости, перпендикулярной оси своей камеры. Под тиглем имеется рольганг с дисковыми роликами для установки форм при заливке.

Шихтовая камера сделана в виде цилиндра, располагается вертикально на кожухе ПЗК соосно с тиглем и изолирована от плавильного пространства вакуумным затвором. Загрузка шихты через эту камеру проводится аналогично печи ВИАМ – 100.

Единственная боковая камера имеет цилиндрическую форму, располагается горизонтально и рабочим торцом соединяется с ПЗК через вакуумный затвор. Подобный затвор закрывает и открывает свободный торец боковой камеры. Внутри камеры имеется рольганг с дисковыми роликами. Последовательность подачи из этой камеры пустых форм под заливку и приёмки залитых форм такая же, как у аналогичных камер печи ВИАМ – 100. Перед камерой также установлен вспомогательный рольганг для пустых и залитых форм.

На рис. 1.5 показано устройство вакуумной ИТП типа ИСВ – 0,6 полунепрерывного действия для литья слитков из жаропрочных сплавов и специальных сталей .

Печь ИСВ – 0,6 обслуживается следующим образом : ПЗК 1 печи закрывается сверху крышкой 7, расположенной на самоходной тележке 8 мостового типа с электроприводом. Тележка с крышкой по рельсам отъезжает вправо (по рис. 1.5), ПЗК открывается, в результате чего освобождается доступ для чистки, ремонта и замены тигля 3.

Рис. 1.5. Вакуумная ИТП типа ИСВ – 0,6

полунепрерывного действия:

1 – плавильно-заливочная камера; 2 – плавильный тигель; 3 – камера для загрузки шихты в тигель; 4 – поворотная колонна; 5 – устройство для взятия проб ЖМ и замера его температуры; 6 – дозатор; 7 – крышка плавильно-заливочной камеры; 8 – четырёхколёсная самоходная тележка; 9 – вакуумный затвор; 10 – камера для загрузки и выгрузки изложниц (т.е. литейных форм);

11 – тележка для подачи изложниц (форм) в загрузочную и плавильно-заливочную камеры и извлечения из них залитых форм; 12 – кожух шихтовой камеры; 13 – корзина для шихты;

14 – лебёдка для опускания и поднимания корзины для шихты

Загрузка шихты в тигель производится с помощью шихтовой камеры 3, которая представляет собой цилиндрический кожух 12, внутри которого на тросе подвешена корзина 13 для шихты. Корзину с загруженной в неё шихтой опускают с помощью лебёдки 14 в тигель, после чего дно корзины открывается и шихта высыпается в тигель. Шихтовая камера 3 смонтирована на поворотной колонне 4, что позволяет отводить камеру 3 в сторону для удобства загрузки в неё корзины 13 с новой порцией шихты. Камера 3 отделена от ПЗК вакуумным технологическим затвором и соединена с вакуумной системой. Это позволяет производить загрузку шихты в тигель без нарушения вакуума в ПЗК.

Дозатор 6 предназначен для ввода в тигель различных твёрдых присадок во время плавки. Камера дозатора имеет несколько секций, в которые загружаются требуемые присадочные материалы. Из дозатора в тигель они переносятся специальным поворотным ковшом с откидным днищем. Так же, как шихтовая камера 3, дозатор 6 отделяется от ПЗК вакуумным затвором.

С ПЗК соединена камера 10 изложниц. От цеха и ПЗК она отделена технологическими вакуумными затворами 9 и соединена с вакуумной системой. Подача изложниц в камеру изложниц, а затем в ПЗК осуществляется на тележке 11. Следовательно, камера изложниц с вакуумными затворами выполняет роль шлюзовой камеры, обеспечивая сохранение вакуума в ПЗК при замене в ней изложниц. Заливка ЖМ в формы производится наклоном тигля с помощью электропривода. Остаточное давление в печи составляет 0,6 – 0,7 Па. Питание печи производится от тиристорного источника.

Эта группа печей характеризуется чрезвычайно широким распространением в черной, цветной металлургии, в машиностроении и в других отраслях промышленности. В зависимости от назначения литейные печи имеют разнообразные конструкции. Работают печи только для производства простых отливок, в других печах производят литье по выплавляемым моделям, наконец, в-третьих осуществляется центробежное литье.

В вакуумных литейных печах отливают детали турбин авиационных двигателей: лопасти, направляющие диски, клапаны и другие детали из жаропрочных сплавов.

Литейные печи характеризуются высокой скоростью расплавления. Они, как правило, обслуживаются генераторами повышенной мощности. Так, например, печь емкостью 22 кг имеет генератор мощностью 200 кВт, в то время как обычная вакуумная индукционная печь такой же емкости обслуживается генератором мощностью 50 кВт. Оптимальным условием работы печи следует считать работу, когда продолжительность дегазации и плавления одинаковы. В отличие от обычных плавильных печей литейные печи работают на заранее выплавленной подготовленной заготовке. В некоторых печах шихтовая болванка захватывается специальным пневматическим зажимом, который вводит ее в тигель и автоматически ссвобождается, когда заготовка касается дна тигля.

В других случаях применяют загрузку тигля, стоящего в горизонтальном положении, в случае, если шихта состоит из слитков различного размера. В литейных печах стационарного типа емкостью от 1 до 100 кг можно заливать как одну, так и несколько форм (до 40). Заливка осуществляется через специальную воронку объемом на одну форму. Литейные печи характеризуются большой скоростью литья до 3 кг/мин и низким давлением при плавке - около 10 -4 мм рт. ст.

Важным вопросом является быстрая и непрерывная заливка формы без перерыва струи со скоростью от 1 до 5 кг/с. В этом случае тигель не имеет сливного носка. Ось вращения тигля располагается в зависимости от отношения диаметра к высоте тигля \ и обычно находится посередине высоты тигля и при заливке!формы сдвигается внутрь по отношению к оси тигля.

Проблемой для литейных печей является сохранение тепла формой. Предварительно подогретая форма должна иметь хорошую теплоизоляцию и загружаться в контейнер с горячим огнеупорным материалом или ставиться в подогреваемое устройство вакуумной индукционной печи.

Уже сейчас габариты отливок достигают сотен миллиметров и проектируются печи для отливок размером более 1 м. Практика литейного вакуумного производства признает в настоящее время технологию только переплава готового металла без легирования в вакууме или использования свежих шихтовых материалов.

Американская фирма «Хайнесс стеллит» имеет цех, состоящий из 450-кг вакуумных индукционных печей и отделения малых вакуумных печей. В крупных печах выплавляют шихтовую заготовку, которая должна содержать основные составляющие шихты. В течение этого переплава происходит основное раскисление и дегазация металла. Во вторичном переплаве в вакууме в печах меньшего размера окончательно корректируют состав металла и достигают желательной степени рафинирования его от примесей цветных металлов. Продолжительность второй плавки не превышает 15-30 мин. Затем шихтовую заготовку используют в литейных печах.

В литейном деле большое внимание уделяют чистоте тигля вакуумной индукционной печи. Печи периодического действия после каждой плавки необходимо тщательно очищать, так как остатки металла в тигле окисляются и загрязняют последующие плавки. В настоящее время и здесь наметилась тенденция использования принципа полунепрерывной работы.

Кроме стационарных, используют и литейные печи с центробежной отливкой, которая имеет преимущество при отливке деталей с неравномерным распределением массы по объему и деталей с тонкими сечениями.

Применяют центробежную отливку для изделий из цветных сплавов, содержащих медь, в том числе для ювелирных.

Установки центробежного литья бывают двух видов:

1. Тигель и форма располагаются на одной оси вращения с уравновешиванием контрвесом на малых установках.

2. Форма располагается над тиглем и после окончания плавки тигель выдвигается вверх из индуктора, так, что форма и тигель могут быть приведены во вращение в горизонтальном направлении, и металл будет заполнять форму.

В этих печах тигли изготавливаются из графита или кварца, которые непригодны для сплавов на железной или никелевой основе, выплавляемых в корундовых тиглях. Большие установки для центробежной отливки имеют коллектор, в который металл заливают из печи, а потом уже коллектор вращается вместе с формой. Заливка может производиться при наклоне тигля, а также и через его дно.

В конструкциях зарубежных литейных печей применяют корпуса квадратной или прямоугольной формы, закрываемые обычными дверцами с вакуумным уплотнением.

Английская литейная вакуумная печь емкостью 25 кг с прямоугольной плавильной камерой состоит из трех отделений: загрузочной камеры, плавильной и камеры изложницы. Плавильная камера имеет высоту 975, ширину 825 и длину 575 мм. Камера загрузки представляет собой трубу, приваренную сбоку печи. При помощи штанги загружают в тигель болванки диаметром 100 и длиной 350 мм. Камера изложниц расположена снизу. Она имеет дверцу, через которую устанавливают изложницы. В положение для разливки изложницы подают пневмоштоком.

Для получения более крупных отливок массой 160-225 кг используют печь полунепрерывного действия, состоящую из трех последовательно расположенных камер: нагрева форм, плавильной, разливочной и охладительной. Загрузку печи производят сверху при помощи шлюзового приспособления. Здесь же находится ковш чайникового типа с электроподогревом. В камеру нагрева литейные формы передаются цепочным конвейером, где подогреваются до 926-1040° С. Далее формы, закрытые крышками с металлическими прокладками, следуют в камеру печи. Крышки перед заливкой снимают электромагнитным приспособлением.

Литейная печь фирмы «Бальцерс» емкостью 25 кг полунепрерывного действия. Болванки диаметром 100 и длиной 500 мм загружают в тигель сверху через шлюз. С торца имеется шлюзовая камера для форм размером 300x200 и высотой 400 мм.

В этой печи 15 кг металла расплавляется за 10-15 мин. Общие размеры установки 5000x2500, высота 2000 мм, масса 2,7 т. Электропитание от генератора 100 кВт частотой 2000 Гц и напряжением 250 В.

Данные по серийным отечественным печам для литья представлены в табл. 31.

Схема типовой печи дана на рис. 77. Печь имеет цилиндрический корпус с подвижной и неподвижной разъемными частями. Неподвижная часть состоит из кожуха с трубчатым водяным охлаждением, с верхней плоской водоохлаждаемой крышкой, на которой размещен радиационный пирометр, термопара погружения, устройство для осаживания шихты и смотровые устройства. Подвижная часть представляет собой сферическую крышку, на которой расположен коаксиальный токоввод, индуктор и механизм наклона.

Крышка откатывается в сторону с помощью механизированной тележки. На индукционной печи стационарно, под углом 90° к оси тигля помещен кронштейн для формы. Механизм наклона обеспечивает возможность разливки за 2,5-24 с. Он расположен на внешней стороне сферической крышки и состоит из электропривода, редуктора, электромагнитного тормоза и зубчатой передачи. Механизированная тележка имеет раму с тремя ходовыми колесами. В печах полунепрерывного действия имеются шлюзовые камеры загрузки и форм.

Камера загрузки расположена на крышке печи сверху, на неподвижной части печи и отделяется затвором ДУ-260. Она представляет собой цилиндр, внутри которого находится барабан. На барабане наматывается трос, опускающий и поднимающий загрузочную корзину. Барабан приводится во вращение электромеханическим приводом. Камера имеет также ручной подъемно-поворотный механизм для ее подъема и отвода в сторону.

Камера форм представляет собой прямоугольный водоохла-ждаемый корпус, закрываемый с торца крышкой, на которой смонтирован реечный механизм перемещения тележки с формой и электромеханический привод. Она расположена на боковой стороне неподвижной части плавильной камеры и отделена от нее затвором ДУ-900.

Более крупные печи ИСВ-0,06НФ и ИСВ-0,16НФ емкостью 60 и 160 кг имели разливочные камеры, располагавшиеся ниже плавильной. Внутри разливочной камеры имеется поворотный стол и два механизма для перемещения форм. Один для загрузки форм на стол, другой для подачи форм под разливку.

Для центробежного литья спроектирована печь ИСВ-0,12. Разливочная камера этой печи оборудована центробежным устройством со скоростью вращения при заливке от 30 до 350 об/мин. Разливку можно производить только в одну форму. При необходимости разливки в несколько форм их подают в разливочную камеру поочередно. Недостаток конструкции печи в том, что при смене форм приходится разгерметизировать камеру форм.

Таблица 31 ХАРАКТЕРИСТИКА ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ ЕДИНОЙ СЕРИИ ДЛЯ литья

Периодические печи

Примечание. Мощность генератора 100 кВт, напряжение 400 в, частота 2400 Гц.

Печи периодического действия

В недалеком прошлом вакуумные индукционные печи в основном были периодического действия. В настоящее время печи периодического действия стали уступать печам полунепрерывного действия. Однако в связи с появлением дуплекс-процессов (работа печей на жидкой завалке, вакуумно-индукционная обработка жидкой стали) наблюдается повышение интереса к конструкциям печей периодического действия, более простым и компактным.

В Западной Европе большой популярностью пользуются печи фирмы «Бальцерс» с откатывающимся в сторону корпусом. Емкость подобных печей составляет от 300 до 3000 кг. Открытое положение тигля при убранном корпусе позволяет легко обслуживать печь и производить любые операции по загрузке как твердой, так и жидкой шихты.

Подобная печь емкостью 800 кг с генератором 450 кВт установлена в Англии на заводе фирмы «Росс и Кафералл» для выплавки заготовки никелевых сплавов для литейных печей.

Достаточно простую конструкцию имеет печь, описываемая Хэдсоном. Корпус печи диаметром 6 м вмещает тигель емкостью 6 т, что позволяет иметь производительность установки около 4000 т/год. Корпус на месте сварен из углеродистого листа толщиной 16 мм. Высота корпуса 12 м при объеме 350 м3. Охлаждение корпуса поверхностное - брызгальное. Генератор печи 1200 кВт позволяет вести расплавление со скоростью 1 т/ч. Футеровка тигля набивная.

Еще более простым является использование обычной индукционной печи для плавки в вакууме . Индукционную печь емкостью 3 т сверху закрывали крышкой, вакуумплотно присоединенной к корпусу, который окружал тигель. Индуктор печи оставался снаружи. В такой печи не удавалось получать низкие давления. Во время плавки давление составляло 0,3 мм рт. ст. Однако для обезуглероживания нержавеющей стали и для удаления водорода из жидкого металла такое разрежение оказалось достаточным. Возможно, что для решения простых задач повышения качества сталей некоторых марок печи подобной конструкции окажутся вполне пригодными.

Подобные вакуумные индукционные печи с отливкой на воздухе емкостью до 5 т выпускают в Японии. Стоимость печей составляет половину стоимости печей, в которых осуществляется весь процесс плавки и отливки слитка в вакууме. Схемы работы таких печей представлены на рис. 78: печи с откатывающимся (рис. 78, а) и с наклоняющимся корпусом (рис. 78, б).

Наконец, наиболее сложной, с нашей точки зрения, из печей периодического действия является печь, установленная на заводе «Келси-Хейс» (США) емкостью 2,5 т, имеющая два генератора по 550 кВт, что позволяет вести расплавление в ней с высокой скоростью 1,5-1,7 т/ч. Плавильная печь расположена в отдельной камере. Камера жестко соединена с индуктором так, что разливка металла производится путем наклона всей камеры печи с помощью крана. С одной стороны вертикально расположенный

корпус камеры через поворотное уплотнение связан с трубопроводом, идущим к вакуумным насосам. С другой стороны также при помощи вакуумного поворотного уплотнения камера печи соединена с камерой изложниц. Внутри этого патрубка проходит сливной желоб, по которому металл при наклоне печи попадает в камеру изложниц и разливается по изложницам, установленным на вращающемся поворотном столе. Производственная мощность печи 225 т в месяц.

Печи полунепрерывного действия

Из отечественных печей полунепрерывного действия рассмотрим конструкцию печи ОКБ 571Б емкостью 0,5 т.

Эта печь вертикального цилиндрического типа. Сверху она закрывается крышкой, которую снимают мостовым краном после

отсоединения водяных и вакуумных коммуникаций, что требует затраты времени. На крышке установлено шлюзовое приспособление для загрузки шихты при помощи бадьи. Дно бадьи секторное, закрепляемое веревкой или проволокой, которые сгорают при попадании в горячий тигель.

На водоохлаждаемой крышке со сплошным водяным охлаждением расположено шлюзовое устройство для термопары погружения, которое может быть использовано и для отбора проб. Перемещение термопарного штока осуществляется электромеханическим фрикционным приводом. На крышке имеется ломик для осаживания шихты и несколько окон для наблюдения. Окна имеют шиберную защиту, позволяющую менять стекла во время плавки.

В корпусе печи также установлены окна и сальниковое уплотнение для ломика, предназначенного для чистки печи и для удержания шлака при заливке металла в изложницу. Ломик имеет водяное охлаждение. Каркас индуктора выполнен из уголковой нержавеющей стали и стеклотекстолитовых плит.

Он опирается на цапфы, приваренные к корпусу. Наклон печи осуществляется при помощи цепной связи и барабана, вращаемого приводом, помещенным снаружи печи. При наклоне тигля поворачивается и труба токоподвода во вращающемся уплотнении вместе с выводами индуктора. Выводы индуктора стационарно закреплены в текстолитовой плите, вмонтированной в трубу токоподвода. Индуктор печи трехсекционный, изолированный с помощью лака и обмоток стеклоткани. Печь обслуживается генератором мощностью 250 кВт. Для перемешивания металла на основную катушку подают от преобразователя ток частотой 60 Гц.

Разливка металла производится в одну или две изложницы, установленные на тележку. Камера изложниц представляет собой туннель прямоугольной формы, подходящий сбоку к корпусу печи и отсоединенный как от печи, так и от помещения цеха двумя прямоугольными затворами. Механизм перемещения тележки цепной. Сверху над изложницами располагается воронка, центрирующая струю металла.

Конструкция печи ИСВ-0,16 НИ MOl состоит из двух частей: из перемещаемой крышки сферической формы, установленной вертикально на тележке с электромеханическим приводом. На крышке установлен механизм наклона тигля - электропривод, состоящий из двигателя, редуктора, тормоза и командоаппа-рата, обеспечивающего наклон тигля для слива в течение 15- 150 с. Редуктор механизма наклона связан зубчатой передачей с поворотным, вакуумным уплотнением,установленным на патрубке крышки. Корпус печи горизонтальный, сверху на нем имеется камера загрузки с шибером ДУ-380 и корзиной объемом 25 л.

На крышке размещены устройства для осаживания шихты, взятия проб, измерения температуры и смотровые окна.

В верхней части корпуса установлен вспомогательный восьми-секционный дозатор с объемом каждой секции 5 л. В нижней части корпуса расположены рельсы и механизм для перемещения тележки с изложницами. На торцовом днище расположен прямоугольный патрубок, соединяющий через вакуумный затвор плавильную камеру с камерой изложниц.

Камера изложниц прямоугольная. Внутри нее расположены рельсы и механизм перемещения тележки с изложницами. Перемещение тележек осуществляется при помощи электромеханического привода со скоростью 1,9 м/мин. Для удобства обслуживания печь оборудована двумя рабочими площадками, соединенными лестничным переходом. Электропитание печи осуществляется двумя генераторами ВПЧ-100-2400, работающими параллельно.

Наиболее крупные отечественные вакуумные индукционные печи - ИСВ-1,0НИ и ИСВ-2,5НИ. Они аналогичны по конструкции и различаются только емкостью тигля и вакуумной системой. Плавильная камера печи состоит из двух частей. Неподвижная часть представляет собой горизонтально расположенный корпус с глухой торцовой сферической крышкой. Сверху на камере расположен ломик для пробивки мостов, радиационный пирометр, восьмисекционный дозатор (емкость каждой секции 12 л), лоток для сбрасывания присадок в тигель. Интересным является укрепление камеры загрузки с механизмом подъема корзины на поворотной колонне с траверсой. На другом конце траверсы смонтировано устройство для измерения температуры.

Камера загрузки и устройство для измерения температуры могут попеременно устанавливаться над затвором, соединяющим их с плавильной камерой. Для подачи загрузочной корзины имеется рольганг.

На глухой крышке установлен ломик для зачистки тигля. Внутри кожуха находится механизм перемещения тележки с изложницами.

Подвижная крышка расположена на самоходной тележке с электроприводом. На крышке имеются патрубки, через которые осуществляется подвод электропитания и воды.

На кронштейнах внутри печи установлен тигель печи. Индуктор печи четырехсекционный с отпайкой, тигель имеет сигнализатор состояния набивной футеровки.

Камера изложниц прямоугольной формы через затвор 1000 X X3300 соединена с корпусом печи. Рядом с камерой изложниц установлен специальный стенд, который предназначен для установки тележки с изложницами перед их закатыванием в камеру печи и после выхода из печи.

Все три механизма перемещения тележек имеют единый привод от -мотора с редуктором, обеспечивающим скорость перемещения 2,3 м/мин.

Электропитание для печи ИСВ-1,0НИ дают два преобразователя ВГО-500-1000 (по 500 кВт), работающих параллельно. Печь ИСВ-2,5 питается от преобразователя ВГВФ-1500-1000 (мощностью 1500 кВт). Схема печи приведена на рис. 79.

На одном т наших заводов работает печь фирмы «Гереус» емкостью 1,2 т. Эта печь имеет горизонтально расположенный цилиндрический корпус с откатывающейся крышкой, на которой установлен индуктор с тиглем. Поэтому при открывании печи нет необходимости отсоединять вакуумные, водяные и электрические коммуникации.

Туннель со шлюзовой камерой для изложниц подходит к печи сбоку. Вакуумная система состоит из трех двухроторных насосов со скоростью откачки 7000, 2000 и 1000 л/с, и двух бустерных насосов по 4500 л/с и соответствующих механических форвакуум-ных насосов.

На корпусе печи непосредственно над тиглем установлено устройство револьверного типа, позволяющее поочередно устанавливать камеру загрузки, ломик, термопару или пробник. Устройство отделено затвором от корпуса печи. Напряжение на индукторе 600 В, частота 1000 Гц.

Еще большую емкость (7 т) имеет печь фирмы «Карпентер Стил» (США), схема которой приведена на рис. 80. Печь предназначена для выплавки жаропрочных сплавов, нержавеющих, высокопрочных и других специальных сталей, используемых в космической технике, авиационной промышленности и ядерной технике.

Печь имеет вертикальный цилиндрический корпус объемом 226 м3. С обеих сторон к плавильной камере подходит длинный туннель камеры изложниц длиной 17,5 м. Один из туннелей тупиковый, куда перемещают тележки с залитыми изложницами.

В камеру изложниц можно поместить состав длиной до 14 м. Кроме того, изложницы могут устанавливаться и на поворотном столе. Разливка производится в слитки квадратного сечения со стороной 225, 325 и 400 мм, эти слитки отливают на тележках. На поворотном столе отливают более крупные слитки: квадратные- 700x700 мм и круглые диаметром до 625 мм.

Тележки перемещаются гидродвигателем при помощи цепной передачи. Через поворотный стол тележки переезжают по съемному мосту. Наклон печи осуществляется цепями от гидравлического привода. Специальное устройство обеспечивает блокировку наклона печи и положение изложниц под печью, что исключает возможность заливки металла не в изложницу.

Крышка печи откатывается в сторону по рельсам, поднимается и устанавливается на корпусе при помощи четырех домкратов. На крышке расположена площадка и кабины для управления процессом плавки. Основную шихту в первой плавке загружают кранами в открытую печь, подвалку осуществляют через дозатор. В последующих плавках загрузку печи ведут через камеру за-

Рис. 80. Схема печи фирмы «Карпентер стил» емкостью 7,5 т: 1 - передвижная крышка; 2 - камера шихты; 3 - пульт управления; 4 - механизм перемещения тележки с изложницами; 5 -- индукционная печь; 6 - вращающийся стол; 7 - подъемник для изложниц

грузки. Мощность печи 1500 кВт, средняя скорость плавки металла 3,2 т/ч. Особенностью токоподвода является то, что ток подводится с двух сторон по центральной оси печи через полые цапфы к клеммам индуктора. Годовая производительность печи 40 800 т.

Более крупная печь подобного типа рассчитана на 15 т для отливки слитков высотой до 4,2 м. Печь имеет две камеры: печную диаметром 4,8 и высотой 7,2 м и разливочную. Камеры сообщаются между собой через шибер диаметром 900 мм, через который проходит разливочный желоб. Разливка производится через промежуточную воронку или ковш.

Внутри камеры изложниц движется на рельсах ковш-воронка. Ковш подводится под сливной желоб. Тележка с изложницами подкатывается под воронку. Корпус печи состоит из трех секций: днища, центральной части и крышки, которую снимают краном. Для смены тигля и токоподвода, ремонта индукторов и т. п. вся центральная секция печи также может быть заменена. Тигель наклоняется гидравлическим способом и в случае необходимости может быть полностью опрокинут в обратную сторону.

Первоначально в тигель помещается около 50% массы завалки. Остальное подается при помощи загрузочного устройства, стоящего на крышке и отделенного от камеры печи шибером 1200 мм. Масса шихты в бадье до 2 т. Подача бадей производится на тележках через боковую дверцу. Внутри загрузочной камеры может быть подвешено две бадьи.

Туннель для изложниц прямоугольный 3X8 м, длиной 12 м. Движение тележки осуществляется зубчатой рейкой и шестеренным сцеплением. Верхний ковш-воронка может вмещать 15 т металла. Тележка для изложниц имеет чугунный поддон шириной 1,8 и длиной 5,4 м. Поддон может быть поднят в случае необходимости отливки более коротких слитков.

Питание печи осуществляется от генератора мощностью 3000 кВт частотой 180 Гц и от двух трансформаторов, работающих по триплерсхеме; в случае необходимости мощность может быть увеличена до 4200 кВт.

Вакуумная система состоит из двух паро-водяных эжекторов. Вход в первую ступень диаметром 1050 мм. Один эжектор подсоединен к корпусу печи через шибер 1500 мм, другой через такой же шибер к камере изложниц.

Самыми производительными вакуумными индукционными печами являются печи, работающие на жидкой завалке.

Первая крупная печь емкостью 27 т на жидкой завалке была впервые пущена в производство на заводе фирмы «Латроб стил» "(США). В этой печи был применен новый принцип работы на жидком металле, выплавленном в обычном сталеплавильном агрегате. Кроме того, печь может работать и на твердой шихте. Процесс этот получил наименование «Термивак».

Плавильная камера печи цилиндрической формы, вертикальная, имеет диаметр 6,6 и высоту 7,2 м. Ее объем 627 м3. Сверху

камера закрывается крышкой, которая способна выдерживать ковш с жидкой сталью массой 40 т. Заливка жидкого металла в печь осуществляется из ковша, имеющего специальный присоединительный фланец.

Струя жидкого металла из ковша попадает в специальную трубу, которая ограничивает разбрызгивание стали. Труба для заливки жидкого металла (рис. 81) состоит из трех частей, общая длина которых 1500 мм. Каждая секция внутри имеет коническую форму.

Такая конфигурация предохраняет поток стали от слишком сильного разбрызгивания и от выбрасывания жидкого металла в камеру печи. После выливания из трубы поток разделяется на мелкие капельки. Внутренняя часть трубы выложена набивным обожженным огнеупорным материалом Церох-200, наружный цилиндрический слой изготовлен из высокоглиноземистых литых огнеупоров. Все огнеупорные части окружены металлическим кожухом. Сообщается, что скрапина, наваривающаяся на поверхность трубы изнутри, легко удаляется. После разливки металла труба пневматическим устройством отводится в сторону.

Для предотвращения от попадания шлака и воздуха в тигель вакуумной индукционной печи в конце выпуска стали из ковша в стенке разливочного ковша на определенном уровне от его днища устанавливается графитовый датчик. Втулку стопора также выполняют из смеси графита и огнеупорных материалов. При прохождении электрического тока через датчик в стопор в момент, когда уровень шлака перекроет датчик, ток резко снижается, что приводит к срабатыванию механизма, управляющего стопором. Металл в тигель заливают со скоростью 4,1-4,5 т/мин.

Для присадки или загрузки в печь твердой шихты служит камера загрузки: диаметр камеры 900, высота 2400 мм. Камера может отодвигаться в сторону по рельсам для установки на ее место ковша с жидкой сталью. Камера имеет боковую скользящую дверцу, в которую вкатывают бадьи с шихтой, емкость бадьи 0,81 м3. Внутри камеры бадьи подвешивают на специальном механизме, который может быть использован также для подвески термопары погружения или пробника.

Труба для заливки жидкого металла и корзины с шихтой проходят через шибер с диаметром условного прохода 900 мм, который имеет специальную защиту от перегрева и от затекания стали через стопор ковша.

Внутри плавильной камеры могут быть установлены тигли различной емкости. Параметры тиглей и индукторов приведены в табл. 32.

Катушка индуктора окружена магнитным ярмом, которое обеспечивает ее жесткость. В футеровке тигля замурована сигнализация, контролирующая перегрев футеровки выше опасного предела.

Наклон тигля производится при помощи двух секторов, расположенных по бокам каркаса печи. Секторы вращаются цепями, наматываемыми на барабан с гидравлическим приводом.

Ниже камеры печи расположена камера изложниц длиной 26,4, шириной 2,4, высотой 5,4 м, объем камеры изложниц 517 м3. Камера изложниц позволяет использовать изложницы высотой до 4,5 м. Такие высокие изложницы необходимы для отливки электродов для вакуумных дуговых печей.

Изложницы устанавливаются на трех грузовых каретках, каждая из которых имеет грузоподъемность 85 т и длину 5,2 м. На

каретке имеется поддон с регулируемой высотой подъема, что обеспечивает применение изложниц различной высоты. Перемещение кареток производится цепью с гидравлическим приводом.

Разливка металла из тигля производится через промежуточное разливочное устройство, имеющее стопоры для регулирования скорости разливки. На случай выхода из строя основного стопора имеется дополнительная аварийная воронка.

Печь питается от силовых трансформаторов мощностью до 2400 кВт, работающих на частоте тока 60 Гц. Средняя продолжительность плавки на твердой шихте 8-9 ч. Напряжение на индукторе 600 В, регулирование осуществляется восемью ступенями напряжения. Электропитание обеспечивает скорость плавления твердой шихты во всех трех типах тиглей от 2,7 до 3,15 т/ч.

Вакуумная система состоит из паро-водяного эжектора, который обслуживает в качестве вспомогательного насоса диффузионные насосы. Он включается при заливке и разливке, когда происходит наиболее интенсивное газовыделение. Эжекторный насос имеет четыре ступени, питаемые от специального котла производительностью 7,65 т пара в час. Производительность насоса 81 кг сухого воздуха в час. До давления 0,5 мм рт. ст. печь откачивается за 20 мин.

Группа диффузионных насосов состоит из двадцати небольших насосов с диаметром входа 400 мм. В холодной печи обеспечивается разрежение 0,001 мм рт. ст., в горячей 0,01 мм рт. ст. При заливке жидкого металла давление составляет 0,2 мм рт. ст. Натекание на холодной печи 12 мкм/ч, или 1840 л-мкм/с.

Скорость откачки печи составляет при 0,01 мм рт. ст. 3100 м3/мин. Общая мощность подогревателей насосов 850 кВт. Третью ступень составляют два механических насоса, обеспечивающих при 0,5 мм рт. ст. откачку газа со скоростью 13,5 м3/мин. Применение большого числа насосов позволяет легко устранять возникающие в них неполадки, отключая отдельные группы насосов, поскольку каждый из них подсоединен индивидуальным трубопроводом к общему вакуумпроводу диаметром 1,8 м.

Еще более совершенной является установка на заводе фирмы «Циклоп стил».

На рис. 82 показан план цеха, в котором расположена вакуумная индукционная печь, рассчитанная на работу по твердой завалке на 30 т. Длина цеха 97, ширина 44 м. В цехе проходит железнодорожный путь, по которому подается необходимая шихта. Высококачественный скрап подвергается специальной разборке по группам и анализу. В печи для прокаливания скрап очищается от влаги и масла. Шихтовые материалы подаются на рабочую площадку печи, расположенную на уровне 9 м над полом цеха. Здесь скрап грузится в специальные контейнеры и на тележках подается к печи. Хотя печь может работать и полунепрерывным процессом, однако шихта может загружаться в нее и при откате в сторону верхней половины печи. По сравнению с печью фирмы

«Латроб стил» корпус этой печи меньше: диаметр 5,4, высота 7,8 м. Имеется шесть смотровых окон диаметром 1500 мм и специальное устройство для осмотра внутренних частей тигля. Основная часть шихты в открытую печь может быть загружена корзиной емкостью 7,5 т, а при работе полунепрерывным процессом коробами по 5,5 т. Более мелкие добавки дают в навесках по 0,5 т.

В начале плавки в тигель загружают свежую шихту, после рафинирования дают отходы производства и затем титан, алюминий и др.

Рис. 82. Планировка "вакуумного цеха фирмы «Циклопе стил» с 30-т вакуумной индукционной печью:1 - отделение набивки тиглей и футеровки ковшей; 2 - пневмопочта в химическую лабораторию; 3 - поворотный стол; 4 - отделение обжига скрапа; 5 - очистка скрапа; 6 - закрома для скрапа; 7 - отбор проб скрапа; 8- управление цехом вычислительный центр; 9 - участок стрип-перования изложниц и ремонта; 10 - насосы; 11 - паровой котел; 12 ~ участок подготовки добавок и легирующих; 13 - печной участок; 14 тележка для загрузочных бадей; 15 - туннель для изложниц; 16 - индукционная вакуумная печь

В конструкции печи фирмы «Циклоп стил» значительно усовершенствована камера для разливки. Она сделана в два этажа (рис. 83). Известно, что отливка металла через носок печи непосредственно в изложницу может сопровождаться попаданием частичек шлака и других загрязнений в тело слитка. Такой метод «прямой» разливки представляет собой резкую противоположность отработанным методам разливки слитков стали на воздухе через специальный разливочный ковш со стопорным устройством. Нахождение металла в ковше позволяет отделить некоторую часть загрязнений путем их всплывания, а применение стопорного механизма - организовать разливку по нужному режиму. Если при разливке металла из печей небольшой емкости применение дополнительных разливочных устройств вследствие неблагоприятного соотношения объема металла и поверхностей контакта с огнеупорами является дискуссионным, то при отливке больших порций металла в 15-30 т применение дополнительных разливочных устройств оправдано и необходимо. В данной печи над изложницами, стоящими на тележках, расположен дополнительный рельсовый путь, по которому может перемещаться 30-т разливочный ковш со стопором или разливочная воронка со стопором. Разливка может происходить из неподвижно стоящего ковша или воронки в перемещающиеся под ними изложницы. Предусмотрено также и перемещение ковша с металлом над неподвижными изложницами. Этот вариант применяется для отливки слитков, он более предпочтителен, так как не происходит вибрации жидкого металла еще не застывшего в изложнице и не нарушается нормальный процесс кристаллизации.

Рис. 83. Схема разливки металла из 30-т печи фирмы «Циклопе стил»: а - общий вид: 1 - 30-т ковш; 2 - шибер 1200 мм; 3 - подогреватель разливочного ковша; 4 - корзины с шихтой; 5 - площадка управления печью; 6 - панель управления; 7 - подогреватель промежуточных воронок; 8 - разливочный ковш; 9 - промежуточный желоб для разливки; 10 - двери в камеру разливки; 11 - пульты для управления разливкой; 12 - изложницы; 13 - тележка для изложниц; 14 - камера разливки; б - вид на печь сбоку: 1 - передвижная камера загрузки с корзиной; 2 - платформа для камеры загрузки; 3. - подача корзин с шихтой; 4 - к вакуумной системе; 5 - конденсаторная батар&я; 6 - трансформатор; 7 - 30-т печь; 8 - панель управления; 9 - желоб; 10 - камера желоба 11 - пульт наблюдения за разливкой; 12 - 30-т разливочный ковш; 13 - смотровые окна; 14 - камера изложниц

Перемещение изложниц под неподвижно стоящей воронкой используется при отливке электродов для ВДП массой от 2,7 до 15 т.

Металл в воронку или ковш подается из печи через специальный желоб, который проходит сквозь патрубок с шибером диаметром 900 мм. Верхняя часть туннеля изложниц имеет двери для выката ковша или воронки из вакуумной камеры для их подогрева. Перед установкой в печь ковш и воронку подогревают до 930-980° С, к началу разливки температура понижается до 650- 700° С. По длине камеры изложниц расположен 21 пост для наблюдения за разливкой и управления ею.

Необходимо отметить, что вся гигантская установка обслуживается всего двумя мастерами. Обслуживание во многом облегчается установкой двух панелей управления: около верха печи и на пульте и двух ЭВМ. При помощи вычислительных устройств для сплава заданной марки рассчитывают, исходя из имеющихся материалов, состав шихты и навеску. После расплавления металла берут пробу, которую по пневмопочте посылают в лабораторию завода, находящуюся на расстоянии IJ1км. Почта проходит это расстояние за 3 мин. После получения анализа ЭВМ рассчитывает необходимые легирующие добавки.

В цехе имеется один кран на 80 т, при "помощи которого из камеры печи может быть удален тигель печи вместе с жидким металлом в случае аварии при разливке. Кроме того, этот же кран используют для установки на печь ковша с жидким металлом.

При плавке металлов в вакууме выделяется значительной количество газов, которые должны удаляться с помощью вакуумных насосов. Первоначальный нагрев металла до 300-400° С сопровождается активной! десорбцией газов, а также испарением и разложением загрязнений на поверхности металла. При дальнейшем нагреве до 700-1000° С (для стали) практически полностью выделяется водород и частично кислород. После окончательного расплавления выделяются в большом количестве кислород, азот, окись углерода. Процесс состоит из стадий нагрева, расплавлен и рафинирования, во время которого удаляются остатки газа.

Методом вакуумной плавки особенно важно получать заготовки из железных сплавов, никеля, меди, молибдена для электровакуумной промышленности; пластичные сорта железа с малым содержанием углерода (армко, трансформаторные и др.), также железо с высокой магнитной проницаемостью; специальные стали и сплавы с пониженным содержанием водорода и азота; нихром;противокоррозионные сплавы на никелевой основе; высокоэлектродную медь и ее сплавы; платину и платиновые металлы; тугоплавкие редкие металлы. Чтобы получить качественный металл, необходимо загрузить ero в герметичную печь и при постепенном нагреве и расплавлении откачивать выделяющиеся из него газы. Время пребывания жидкого перегретого металла в вакууме должно быть достаточным, чтобы произошли полностью все химические реакции и дегазация. Дегазированный металл должен выливаться в изложницу в вакууме. При литье в вакууме металл можно выливать медленно и тонкой струей, не боясь его окисления. Благодаря этому образование усадочных раковин в металле минимально. Не следует также забывать о подборе материала для тигля, так как и из него в процессе работы выделяются пары и газы, присутствие которых в системе может привести к нежелательным результатам.

В индукционной электрической печи материал нагревается током, возбуждаемым внутри заготовки. Заготовка помещена в индукторе (соленоиде), питаемом током промышленной или повышенной частоты (рис. 160). При расчете индукционных вакуумных плавильных пери нужно учитывать специфику процесса: тепло выделяется непосредственно в самом металле, который, в свою очередь, нагревает тигель и футеровку течи. Преимущество индукционного метода нагрева заключается в возможности нагрева металла с большой скоростью, а также в наличии вихревых ков в расплавленном металле. Этот способ дает очень равномерный нагрев металла.

Металл может нагреваться непосредственно при протекании по катушке переменного тока (рис. 161, а) или косвенно теплом излучения и теплопродностью от вспомогательного концентрически расположенного металлического цилиндра, подвергаемого индукционному нагреву (рис. 161, б). В последнем случае тепловой обработке может быть подвергнут и не электропроводный материал; кроме того, здесь проще нагрев образца не цилиндрической формы.

Крупные промышленные индукционные печи для плавления металлов имеют неподвижную жестко закрепленную вакуумную камеру, в которой размещена индукционная катушка с тиглем. Крышка камеры вместе с индуктором и тиглем может отодвигаться. Одна из печей подобного типа показана на рис. 162. Крышка камеры с индукционной катушкой и тиглем трехтонной индукционной печи фирмы Херауэс (ФРГ) показана на рис. 163. Положение тигля и катушки может изменяться на разных стадиях процесса (рис. 164).

Предельное давление в подобных печах составляет 5 1O -4 мм рт. ст., скорость откачки воздуха до 20 ООО л/с при давлении 10 -3 мм рт. ст. Габаритные размеры камеры: диаметр от 2800 до 4500 мм, длина от 2200 до 3000 мм; размеры индуктора: внутренний диаметр от 570 до 900 мм, высота - от 700 до 1200 мм; средний объем тигля - от 80 до 350 л.

Пример применения индукционной печи - получение сплава бронзы I с дисульфидом молибдена. Это антифрикционное вещество можно применять в условиях высокого вакуума и низких температур. Плавильная печь в этом | случае снабжена вакуумным прессом.

Металл здесь нагревается проходящим через него электрическим током. Печи сопротивления обычно применяют для тугоплавких металлов. Электрооборудование этих печей дешевле, чем индукционных. Греющий элемент должен иметь возможно большее удельное сопротивление. Греющими элементами могут служить уголь, графит, крип-тол (зернистый уголь), карборунд, тугоплавкие металлы. В таких печах нагревают и плавят любые вещества; необходимо только, чтобы нагреваемые вещества или продукты их взаимодействия не выделяли паров, разрушающих нагреватели.

Здесь можно спекать металлокерамические сплавы, плавить малолетучие металлы и т. п. На рис. 165 показана вакуумная печь сопротивления для плавки циркония с графитовым нагревателем. Вакуумные печи сопротивления для работы при температурах до 1200° С и давлении 10 -3 - 10 -4 мм рт. ст. с футеровкой из шамота-легковеса применяют также для термической обработки магнитных сплавов, коррозионностойких и жаропрочных сталей, титана, циркония, сплавов на основе титана и циркония, для спекания композиций на основе железа, никеля, меди, для пайки твердыми припоями и т. п.

Дуговые печи позволяют в небольшом объеме выделить одновременно большее количество тепла и быстрее, чем в печах других типов, достичь высокой температуры. Плавку в дуговых в электропечах применяют главным образом в производстве металлов, имеющих большую химическую активность при высоких температурах (молибден, тантал, ти-1ан, цирконий и др.). Особенно хорошие результаты получены с так называемой зависимой дугой, когда между электродом и самим нагреваемым металлом создается дуга. Графитовые электроды при плавке применять нежелательно, так как это может вызвать дополнительную примесь углерода в металле. Обычно используют электроды из вольфрама. Во многих случаях электрод делают из того же металла, который плавят в дуговой печи, причем он постепенно оплавляется (расходуемый электрод).

Практика показала, что плавка в печах с расходуемым электродом дает возможность получать металлы и сплавы высокого качества. Характерной особенностью печи является равномерное выделение газов на протяжении всего цикла.

Схема вакуумной дуговой печи с расходуемым электродом дана на рис. 166. Схема печи фирмы Дегусса (ФРГ) для выплавки специальных сталей с загрузкой 400 кг приведена на рис. 167. На Ижорском заводе пущена мощная печь вакуумно-дугового переплава. Печь выдает слиток сверхчистой стали массой 37 т.

На рис. 168 показана дуговая вакуумная печь фирмы Ульвак (Япония) с расходуемым электродом производительностью 25 т за одну загрузку. Производительность таких печей от 2 кг до 30 т. Печь пригодна для рафинирования и плавления активных металлов и металлов с высокой точкой плавления.

Плавка в высоковакуумной печи с электроннолучевым нагревом дает возможность получать металл высокой чистоты. Рафинирование металла происходит как чисто зонной очисткой (благодаря различию в растворимости примесей в твердом и жидком) металле), так и дегазацией металла в вакууме и испарением примесей с более высокой упругостью пара, чем у очищаемого металла. Для расплавления возможен нагрев с помощью электронной пушки, которая служит катодом и бомбардирует исходный металл (анод). Плавящийся металл стекает в водоохлаждаемую изложницу, где поддерживается в расплавленном состоянии с помощью электронной бомбардировки от другой пушки. При производстве таким методом пластичного ниобия получали слиток длиной 1,2 м и диаметром около 80 мм. При этом скорость плавки ниобия достигала В5- 7 кг/ч, а при повторном переплаве-36 кг/ч.

Плавка с помощью электронной бомбардировки в вакууме имеет преимущества перед вакуумной дуговой плавкой: форма применяемого для плавки образца не имеет значения; расход электроэнергии значительно ниже, так как для поддержания дуги при дуговой плавке необходимы большие токи и низкое напряжение, а для питания электронных пушек - высокое напряжение и низкие токи;применение более высокого вакуума, чем в печах других типов; качество получаемого металла выше, чем в вакуумной дуговой печи.

Преимущества электронного нагрева дают основания считать этот метод перспективным для производства таких металлов, как тантал, молибен, ниобий, бериллий, а также специальных и коррозионностойких сталей.

Рис. 167. Схема высоковакуумной дуговой печи для расплавления специальных сталей с загрузкой 400 кг (фирма Дегусса, ФРГ)

Схема печи показана на рис. 169. Футеровка в такой печи отсутствует, а выделение газов равномерно в течение всего цикла. Для нормальной работы таких печей необходимо поддержание высокого вакуума, поэтому к исходному материалу предъявляют повышенные требования в отношении содержания газов. Исходный материал, предназначенный для плавки в печах электронным нагревом, предварительно плавится в вакуумных индукционных или дуговых печах.

Вфирма Ульвак (Япония) выпускает печи серии FME для плавки электронным лучом тугоплавких металлов: Та, Nb, Ti, Zr, W. Для работы в сверхвысоком вакууме фирма предлагает печи на базе сверхвысоковакуумного откачного агрегата EBD-400.

Такие печи, присоединяемые к сверхвысоко-вакуумному агрегату своим нижним фланцем, показаны на рис. 170. На рис. 170, а показана печь для зонной плавки и рафинирования тугоплавких (W, Та, Mo, Nb) и активных металлов (Ti, Zr), а также полупроводниковых материалов (Ge, Si) при давлениях порядка 10 -9 мм рт. ст. При таких давлениях плавление происходит в абсолютно чистой и сухой среде. В печах можно также обрабатывать сталь, никель и другие металлы. Предельное давление в печи без загрузки после прогревания всей системы в течение 6 ч до 250° С составляет 1 *10 -9 мм рт. ст.

Рис. 171. Схема сверхвысоковакуумной печи с нагревом электронным лучом и с отклоняющей системой (фирма Ульвак, Япония)

Равновесное давление при зонном плавлении тантала и скорости прохода 0,1 мм/мин около 10 -8 мм рт. ст. Размеры образца: диаметр 4-7 мм, длина 200 мм. Эффективная длина при плавлении составляет 120 мм. Максимальная мощность электронной пушки 5 кВт. Расходуемая мощность при непрерывной работе 3 кВт. Мощность, расходуемая системой откачки, 10 кВт; расход воды 20 л/с. Скорость прохода электронной пушки может меняться в широких пределах с целью создания оптимальных условий для плавления и рафинирования. Образец может вращаться со скоростью от 1 до 8 об/мин. Здесь применяется электростатическая электронная пушка с кольцевым катодом.

На рис. 170, б показана печь EBD-400, снабженная электронной пушкой мощностью 6 кВт проникающего типа и водоохлаждаемой медной изложницей. Слитки получают двух видов: либо полукруглой формы (в изложнице 8x5 мм), либо У-образной формы изложница длиной 200 мм, шириной 23 мм и глубиной 15 мм). Давление печи при плавлении тантала и предельное давление те же, что и в предыдущем случае. Электронная пушка, снабженная отклоняющей системой, имеет максимальную мощность 6 кВт при ускоряющем напряжении от 0 до 20 кВ. Диапазон изгибания луча 200 мм в направлении X, 23 мм в направлении Y. Автоматическая развертка возможна для направления X и Y. Мощность системы откачки 10 кВт; расход воды 25 л/мин. Устройство печи EBD-400 EBM показано на рис. 171.

Свернуть

Индукционная печь — это печной аппарат, который применяется для плавления цветных (бронзы, алюминия, меди, золота и других) и черных (чугуна, стали и других) металлов за счет работы индуктора. В поле ее индуктора производится ток, он нагревает металл и доводит его до расплавленного состояния.

Вначале на него будет действовать электромагнитное поле, потом электрический ток, а затем уже он пройдет тепловую стадию. Простую конструкцию такого печного устройства можно собрать самостоятельно из различных подручных средств.

Принцип работы

Такое печное устройство является электрическим трансформатором со вторичной короткозамкнутой обмоткой. Принцип действия индукционной печи состоит в следующем:

• при помощи генератора в индукторе создается переменный ток;
• индуктор с конденсатором создает колебательный контур, он настроен на рабочую частоту;
• в случае использования автоколебательного генератора, конденсатор исключается из схемы устройства и в этом случае используется собственный запас емкости индуктора;
• создаваемое индуктором магнитное поле может существовать в свободном пространстве или же замыкаться с использованием индивидуального ферромагнитного сердечника;
• магнитное поле воздействует на находящуюся в индукторе металлическую заготовку или шихту и образует магнитный поток;
• по уравнениям Максвелла он индуцирует в заготовке вторичный ток;
• при цельном и массивном магнитном потоке создаваемый ток замыкается в заготовке и происходит создание тока Фуко или вихревого тока;
• после образования такого тока вступает в действие закон Джоуля-Ленца, и полученная с помощью индуктора и магнитного поля энергия нагревает заготовку металла или шихту.

Несмотря на многоступенчатую работу, устройство индукционной печи может давать в вакууме или воздухе до 100% КПД. Если среда с магнитной проницаемостью, то этот показатель будет расти, в случае со средой из неидеального диэлектрика, он будет падать.

Устройство

Рассматриваемая печь – своеобразный трансформатор, но только в нем нет вторичной обмотки, ее заменяет помещенный в индуктор металлический образец. Он будет проводить ток, а вот диэлектрики в этом процессе не нагреваются, они остаются холодными.

Конструкция индукционных тигельных печей включает в себя индуктор, который состоит из нескольких витков медной трубки, свернутой в виде катушки, внутри нее постоянно передвигается охлаждающая жидкость. Также индуктор вмещает в себе тигель, который может быть из графита, стали и других материалов.

Кроме индуктора в печи установлен магнитный сердечник и подовый камень, все это заключено в корпус печи. В него входят:

В моделях печей большой мощности кожух ванны обычно выполняется достаточно жестким, поэтому каркас в таком устройстве отсутствует. Крепление корпуса должно выдерживать сильные нагрузки при наклоне всей печи. Каркас чаще всего изготавливается из фасонных балок, выполненных из стали.

Тигельная индукционная печь для плавки металла устанавливается на фундамент, в который вмонтированы опоры, на их подшипники опираются цапфы механизма наклона устройства.

Кожух ванны выполняется из металлических листов, на которые для прочности наваривают ребра жесткости.

Кожух для индукционной единицы используется в качестве соединительного звена между печным трансформатором и подовым камнем. Его для уменьшения потерь тока делают из двух половинок, между которыми предусмотрена изолирующая прокладка.

Стяжка половинок происходит за счет болтов, шайб и втулок. Такой кожух делается литым или сварным, при выборе материала для него отдают предпочтение немагнитным сплавам. Двухкамерная индукционная сталеплавильная печь идет с общим кожухом для ванны и для индукционной единицы.

В небольших печах, в которых не предусмотрено водяного охлаждения имеется вентиляционная установка, она помогает отводить из агрегата излишки тепла. Даже вы случае установки водоохлаждаемого индуктора необходимо вентилировать проем, возле подового камня, чтобы он не перегревался.

В современных печных установках имеется не только водоохлаждаемый индуктор, но и предусмотрено водяное охлаждение кожухов. На каркасе печи могут быть установлены вентиляторы, работающие от приводного двигателя. При значительной массе такого устройства, вентиляционный прибор устанавливают возле печи. Если индукционная печь для производства стали идет со съемным вариантом индукционных единиц, то для каждой из них предусматривается свой вентилятор.

Отдельно стоит отметить механизм наклона, который для малых печей идет с ручным приводом, а для крупных он оснащен гидравлическим приводом, расположенным у сливного носика. Какой бы ни был установлен механизм наклона, он обязан обеспечивать слив полностью всего содержимого ванной.

Расчет мощности

Так как индукционный способ плавки стали менее затратный, чем аналогичных методик, основанных на использовании мазута, угля и других энергоносителей, то расчет индукционной печи начинается с вычисления мощности агрегата.

Мощность индукционной печи подразделяется на активную и полезную, для каждой из них есть своя формула.

В качестве исходных данных нужно знать:

• емкость печи, в рассматриваемом для примера случае она равна 8 тоннам;
• мощность агрегата (берется максимальное ее значение) – 1300 кВт;
• частота тока – 50 Гц;
• производительность печной установки – 6 тонн в час.

Требуется также учитывать расплавляемый металл или сплав: по условию он цинковый. Это важный момент, тепловой баланс плавки чугуна в индукционной печи, также как и других сплавов свой.

Полезная мощность, которая передается жидкому металлу:

• Рпол = Wтеор×t×П,
• Wтеор – удельный расход энергии, он теоретический, и показывает перегрев металла на 1 0 С;
• П – производительность печной установки, т/ч;
• t — температура перегрева сплава или металлической заготовки в ванной печи, 0 С
• Рпол = 0,298×800×5,5 = 1430,4 кВт.

Активная мощность:

• Р = Рпол/Ютерм,
• Рпол – берется с предыдущей формулы, кВт;
• Ютерм – КПД литейной печи, его пределы от 0,7 до 0,85, в среднем принимают 0,76.
• Р =1311,2/0,76=1892,1кВт, проводится округление значения до 1900 кВт.

На заключительном этапе рассчитывается мощность индуктора:

• Ринд = Р/N,
• Р – активная мощность печной установки, кВт;
• N – количество индукторов, предусмотренных на печи.
• Ринд =1900/2= 950 кВт.

Потребление мощности индукционной печью при плавке стали зависит от ее производительности и вида индуктора.

Виды и подвиды

Индукционные печи делятся на два основных вида:

Кроме такого разделения, индукционные печи бывают компрессорными, вакуумными, открытыми и газонаполненными.

Индукционные печи своими руками

Среди имеющихся распространенных методик создания таких агрегатов можно найти пошаговое руководство, как сделать индукционную печь из сварочного инвертора, с нихромовой спиралью или графитовыми щетками, приведем их особенности.

Агрегат из высокочастотного генератора

Она выполняется с учетом расчетной мощности агрегата, вихревых потерь и утечек на гистерезисе. Питание конструкции будет идти от обычной сети в 220 В, но с использованием выпрямителя. Такой вид печи может идти с графитовыми щетками или нихромовой спиралью.

Для создания печи потребуется:

• два диода UF4007;
• пленочные конденсаторы;
• полевые транзисторы в количестве двух штук;
• резистор в 470 Ом;
• два дроссельных кольца, их можно снять со старого компьютерного системщика;
• медный провод Ø сечения 2 мм.

В качестве инструмента используется паяльник и плоскогубцы.

Приведем схему для индукционной печи:

Индукционные портативные плавильные печи такого плана создаются в следующей последовательности:

1. Транзисторы располагаются на радиаторах. Из-за того, что в процессе плавки металла схема устройства быстро греется, радиатор для нее нужно подбирать с большими параметрами. Допустимо устанавливать несколько транзисторов на один генератор, но в этом случае их нужно изолировать от металла при помощи прокладок, сделанных из пластика и резины.
2. Изготавливаются два дросселя. Для них берутся два заранее снятые с компьютера кольца, вокруг них обматывают медную проволоку, количество витков ограничено от 7 до 15.
3. Конденсаторы объединяются между собой в батарею, чтобы на выходе получилась емкость в 4,7 мкФ, их соединение проводится параллельно.
4. Вокруг индуктора обвивается медная проволока, ее диаметр должен быть 2 мм. Внутренний диаметр обмотки должен совпадать с размером используемого для печи тигля. Всего делают 7-8 витков и оставляют длинные концы, чтобы их можно было подключить к схеме.
5. В качестве источника к собранной схеме подсоединяется аккумулятор мощностью 12 В, его хватает примерно на 40 минут работы печи.

Если необходимо, то делается корпус из материала с высокой термоустойчивостью. Если же выполняется индукционная плавильная печь из сварочного инвертора, то защитный корпус должен быть обязательно, но его нужно заземлить.

Конструкция с графитовыми щетками

Такая печь используется для выплавки любого металла и сплавов.

Для создания устройства необходимо заготовить:

• графитовые щетки;
• порошковый гранит;
• трансформатор;
• шамотный кирпич;
• стальная проволока;
• тонкий алюминий.

Технология сборки конструкции заключается в следующем:

Прибор с нихромовой спиралью

Такой прибор используется для выплавки больших объемов металла.

В качестве расходных материалов для обустройства самодельной печи используется:

• нихром;
• асбестовая нить;
• кусок керамической трубы.

После подключения всех составляющих печи по схеме, ее работа состоит в следующем: после подачи электрического тока на нихромовую спираль, она передает тепло металлу и плавит его.

Создание такой печи проводится в следующей последовательности:

Такая конструкция отличается высокой производительностью, она долго остывает и быстро нагревается. Но необходимо учесть, что если спираль будет плохо изолирована, то она быстро перегорит.

Цены на готовые индукционные печи

Самодельные конструкции печей будут стоить гораздо дешевле покупных, но их нельзя создать большими объемами, поэтому без готовых вариантов для массового производства расплава не обойтись.

Цены на индукционные печи для плавки металла зависят от их вместимости и комплектации.

Модель	Характеристики и особенности	Цена, рубли
INDUTHERM MU-200	Печь поддерживает 16 температурных программ, максимальная температура нагрева – 1400 0С, контроль за режимом осуществляется с термопарой типа S. Агрегат производит мощность 3,5 кВт.	820 тыс.
INDUTHERM MU-900	Печь работает от электропитания в 380 Вт, температурный контроль происходит с помощью термопары типа S и может доходить до 1500 0С. Мощность – 15 кВт.	1,7 млн.
УПИ-60-2	Эта индукционная плавильная мини-печь может использоваться для плавки цветных и драгоценных металлов. Заготовки загружаются в графитовый тигель, их нагрев ведется по принципу трансформатора.	125 тыс.
ИСТ-1/0,8 М5	Индуктор печи представляет собой корзину, в которую встроен магнитопровод совместно с катушкой. Агрегат 1 тонну.	1,7 млн.
УИ-25П	Печное устройство рассчитано на загрузку в 20 кг, он оснащен редукторным наклоном плавильного узла. В комплекте к печи идет блок конденсаторных батарей. Мощность установки – 25 кВт. Максимальная t нагрева – 1600 0С.	470 тыс.
УИ-0,50Т-400	Агрегат рассчитан на загрузку в 500 кг, самая большая мощность установки – 525 кВт, напряжение для него должно быть не ниже 380Вт, максимальная рабочая t – 1850 0С.	900 тыс.
ST 10	Печь итальянской компании оснащена цифровым термостатом, в панель управления встроена технология SMD, которая отличается быстродействием. Универсальный агрегат может работать с разной вместительностью от 1 до 3 кг, для этого ее не нужно переналаживать. Она предназначена для драгоценных металлов, ее max температура – 1250 0С.	1 млн.
ST 12	Статическая индукционная печь с цифровым термостатом. Она может быть дополнена вакуумной литьевой камерой, что дает возможность производить литье прямо рядом с установкой. Управление происходит с помощью сенсорной панели. Максимальная температура – 1250 0С.	1050 тыс.
ИЧТ-10ТН	Печь рассчитана на загрузку в 10 тонн, довольно объемный агрегат, для его установки нужно выделить закрытое цеховое помещение.	8,9 млн.