Принцип действия индукционных печей основан на токах, возникающих в расплаве с помощью специальных устройств — индукторов. При этом наведенные токи позволяют достигать температуры плавления в металлах, достигается высокая равномерность расплавов за счет перемешивания. Все элементы расплавов подвергаются вихревому воздействию токов, таким образом происходит движение слоев и достигается максимально возможное смешивание различных присадок и металлов. К основным достоинствам индукционных печей следует отнести простейший ремонт, высокий КПД, возможность получения сплавов, обладающих заданными характеристиками и выполнять термообработку в любом режиме.
Навигация:
Индуктор, помимо создания электрического тока в обрабатываемом металле, воспринимает механические вибрационные и температурные нагрузки, поэтому при проектировании предусматривается необходимая прочность и тугоплавкость как токопроводящей, так и изолирующей части. В качестве изоляции может применяться воздушная прослойка, при этом должно быть обеспечено необходимое расстояние между витками и жесткое закрепление проводника.
Также применяют ленточную изоляцию, которая наносится поверх лакового покрытия. Лента должна обладать хорошими диэлектрическими свойствами, обеспечивающими надежную изоляцию витков.
Другим способом обеспечения необходимой диэлектрической изоляции витков индуктора является применение специального прокладочного материала, устанавливаемого между витками. Крепление прокладок осуществляется с помощью специального клея. Такой способ обычно применяется для изоляции индуктора большой мощности.
Компаундирование также служит для обеспечения нужного уровня изоляции. Данный способ не нашел широкого применения, поскольку индуктор в этом случае очень сложно отремонтировать.
Токопроводящая часть индуктора должна обладать хорошей электропроводностью, снижающей потери мощности. Кроме того, материал, используемый в электрической части индуктора должен быть немагнитным. Для того, чтобы обеспечить максимальную площадь со стороны, обращенной к обрабатываемому металлу и меньшую массу, используются различные сечения с внутренними полостями.
Каркас печи должен обеспечить жесткость всей конструкции и исключить поглощение мощности деталями. В промышленных печах обычно применяется цилиндрический каркас из листов стали со специальными технологическими отверстиями, обеспечивающими свободный доступ к индуктору.
Плавка металла в индукционной печи позволяет точно регулировать температурные режимы, поддерживать необходимую температуру в течение определенного времени. КПД индукционных печей очень высокий, поскольку отсутствуют дополнительно нагреваемые элементы, нагревается только обрабатываемый металл. По экологическим характеристикам индукционные печи являются наиболее безопасными, так как отсутствуют продукты сгорания топлива и вредные вещества, выделяющиеся при других способах плавки.
Индукционные печи применяются для выплавки цветных и черных металлов, закалки, отпуска, отжига, нормализации сталей. Конструктивно индукционные печи бывают канального типа и тигельные. Выпускаются печи, позволяющие производить плавку с доступом воздуха, в определенной газовой среде с избыточным давлением или вакууме.
Помимо цветных металлов, индукционные печи используют для плавки драгоценных металлов. При этом обычно требуется более низкая температура, чем для черных металлов. Плавка палладия в индукционной печи требует окислительной атмосферы, в отличие от других драгоценных металлов.
Выплавка стали в индукционных печах позволяет получать высоколегированные сорта, отвечающие самым жестким требованиям. В некоторых случаях применяется плавка стали в определенной газовой среде или вакууме, что позволяет получать дополнительные качества.
Плавка титана в индукционных печах дает возможность получения слитков или заготовок, обладающих равномерным составом по всему объему. Недостатком плавки в индукционных печах является сравнительно высокое содержание углерода в конечной продукции. Для уменьшения воздействия газов, выплавку титана производят в аргоновой среде или вакууме.
Следует учесть, что плавка влажных или содержащих лед металлов очень опасна, поэтому рекомендуется предварительная сушка. Наличие влаги в рабочей камере печи при появлении расплава вызовет разбрызгивание раскаленного металла, что может повлечь за собой травмы и выход из строя оборудования.
Схема простейшей индукционной печи:
Отлив металла из индукционной печи:
Промышленная печь индукционная
Проектирование промышленных печей осуществляется исходя из требований к технологическому процессу. Проект определяет максимально возможную температуру нагрева, возможность создания определенной газовой среды или вакуума, применение тиглей или канальное устройство рабочей части, степень автоматизации. Промышленные печи должны оборудоваться системами, обеспечивающими максимальную безопасность в процессе работы. Кроме того, так печи работают с применением переменного электрического тока, на мощность печи влияет его частота.
От того, какие температурные режимы требуются, какие виды металлов или сплавов планируется выплавлять, применяют различные виды футеровки. Футеровка индукционных печей может выполняться из огнеупорного материала, содержащего свыше 90% окиси кремния с небольшим количеством других окислов. Такая футеровка получила название кислой и может выдержать до 100 плавок.
Основная или щелочная футеровка изготавливается из магнезита с добавлением других окислов и жидкого стекла. Такая футеровка может выдержать до 50 плавок, в печах большого объема износ происходит намного быстрее.
Нейтральная футеровка применяется чаще других видов и может выдерживать свыше 100 плавок. Наиболее часто она применяется в тигельных печах. Следует учесть, что в результате проведения плавок происходит неравномерный износ футеровки. Таким образом изменяется рабочий объем и толщина стенки футеровки. Больший износ происходит в местах с большей температурой, обычно в нижней части печи.
Так как промышленные индукционные печи работают с большими нагрузками, обмотка индуктора в процессе работы может значительно нагреваться. Для предотвращения негативных последствий перегрева, обычно предусматривается водяная система охлаждения, отводящая излишки тепла от витков индуктора. При проектировании вопрос охлаждения индуктора является одним из важнейших, поскольку от эффективности системы зависит надежность и срок службы всей печи.
Максимально возможная автоматизация процессов термообработки является необходимым условием для нормальной работы промышленных индукционных печей. Правильно подобранная автоматика обеспечит различные режимы, позволяющие наиболее точно выполнить требования технологических процессов.
Производство промышленных печей осуществляется в строгом соответствии с требованиями заказчика и регулирующей НТД. Промышленные печи могут изготавливаться по типовым проектам или индивидуальным заказам. Обязательным условием является аттестация оборудования, которая должна выполняться не реже 1 раза в год.
Плавильная индукционная печь:
Лабораторная индукционная печь
Исследования, проводимые с различными металлами и сплавами, требуют создания определенных условий в процессе плавки или термообработки. Индукционная печь лабораторная служит для обеспечения заданных условий, поэтому степень автоматизации такого устройства очень высока. В зависимости от того, какие материалы планируется исследовать, лабораторные печи снабжаются дополнительным оборудованием. Некоторые модели предусматривают возможность плавки при избыточном давлении или вакууме.
В лабораторных печах для футеровки, помимо указанных выше материалов, могут применяться более современные теплоизолирующие материалы, такие как:
-
корунд, выдерживающий до 300 плавок;
-
различные термостойкие волоконные материалы;
-
керамические теплоизолирующие пластины.
К лабораторным печам можно отнести также ювелирные печи, служащие для обработки драгоценных металлов и стоматологические, предназначенные для изготовления протезов. Печи такого типа обычно не предназначены для получения высоких температур и обработки больших объемов металла, поэтому мощность их не высока.
Каркас лабораторных печей обычно имеет форму куба или параллелепипеда. Для изготовления ребер применяют различные немагнитные материалы (дюралюминий, специальная сталь, медь). Элементы каркаса закрываются асбоцементными листами, обеспечивающими дополнительную теплоизоляцию. Для уменьшения нагрева элементов каркаса применяют специальные изолирующие прокладки. Также они служат для предотвращения возникновения блуждающих токов. Крепление индуктора в этом случае осуществляется к верхним и нижним плитам.
Лабораторные индукторные печи, как и промышленные, требуют эффективного охлаждения обмотки. В некоторых моделях достаточно воздушного охлаждения, в работающих с высокими температурами индукторах применяется водяное.
Наличие необходимого уровня защиты от токов индукции в лабораторных печах является необходимым условием, обеспечивающим безопасность персонала. Для обеспечения нужного уровня безопасности, используются специальные электромагнитные экраны. Обычно они изготавливаются из листового алюминия или меди.
Небольшая индукционная печь:
