Индукционные сталеплавильные печи

Печи сопротивления

В соответствии с известными законами физики при прохождении тока по проводнику в нем выделяется тепло (количество которого зависит от силы тока и электросопротивления). В качестве элемента сопротивления может использоваться сам металл (прямой нагрев) или другой материал (косвенный нагрев).

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП)

В данных печах преобразование электрической энергии в тепловую происходит в электрической дуге и выделяемое при этом тепло передается металлу либо с помощью излучения (косвенное действие, дуга горит между электродами), либо непосредственно за счет теплопроводности (прямой нагрев, дуга горит между электродом и металлом).

Индукционные сталеплавильные печи

Некоторое количество стали выплавляется в тигельных индукционных печах, в которых расплавляемый металл находится в керамическом тигле, помещенном внутрь многовиткового цилиндрического индуктора (рис. 17.22). Диапазон емкостей современных тигельных индукционных печей весьма велик – от нескольких килограммов (в основном для исследовательских работ в лабораториях) до десятков тонн.

Под действием переменного магнитного поля, создаваемого индуктором, в нагреваемом металле индуцируется электродвижущая сила. За счет джоулева тепла, выделяющегося в металле под действием тока, металл нагревается и плавится.

Электромагнитные силы оказывают на жидкий металл статическое и динамическое воздействия, в результате чего верхняя часть металла отжимается от стенок тигля, а во всем объеме возникает электродинамическая циркуляция.

Выпуклый мениск затрудняет обработку металла шлаком, поскольку шлак стекает к стенкам тигля; достаточно высокая скорость турбулентного движения металла усиливает износ футеровки. В принципе, если электромагнитные силы достаточно велики и могут уравновесить действие гравитационных сил тяжести, можно осуществить индукционную плавку во взвешенном состоянии, без тигля (бестигельная плавка).

Рис. 2. Тигельная индукционная печь:

1 – жидкая сталь; 2‑шлак; 3 – водоохлаждасмая катушка индуктора; 4 – огнеупорная футеровка; 5 – сливной носок; 6 – огнеупорный кирпич; 7‑термоизоляция

Практически в обычных индукционных печах шлак нагревается от жидкого металла. Если шлак холодный и вязкий, то соответственно нет условий для удаления серы и фосфора. Этот недостаток таких печей в какой-то мере устраняется использованием крышек (рис. 3), а в некоторых современных установках – плазменных горелок.

Рис. 3. Промышленная тигельная открытая индукционная печь:
1 – механизм подъема и отворота свода; 2 – тигель; 3– индуктор; 4 – магнитопроводы (ферромагнитные экраны); 5‑кожух; 6 – сигнализатор; 7‑механизм наклона

К достоинствам индукционных печей относятся:

· отсутствие электродов и соответственно отсутствие науглероживания металла;

· отсутствие дуг и соответственно меньше насыщение металла азотом и водородом;

· перемешивание металла;

· возможность выплавлять металл в любой контролируемой атмосфере и вообще в вакууме (рис. 4), а соответствен но и малый угар легирующих, отсутствие газов и т.п.

Рис. 4. Тигельная вакуумная индукционная печь:

1 – подвижная и неподвижная части корпуса соответственно; 2 – тигель; 3 – механизм наклона; 4 – камера загрузки; 5 – дозатор; 6 – рабочая площадка; 7 – устройство для чистки тигля

Другими словами, качество металла, выплавляемого в индукционных печах, в значительной мере определяется качеством шихты. По существу, плавка в таких печах есть переплав чистой, специально отобранной металлошихты с добавкой ферросплавов, лигатуры и некоторого количества шлакообразующих добавок.

Футеровка тиглей может быть кислой (кварцевый песок, кварцит) или основной (порошок магнезита или хромомагнезита). В огнеупорах для печей высокой частоты должны отсутствовать токопроводяшие и магнитные примеси, так как в высокочастотном поле они нагреются, оплавятся, что может привести к прогоранию тигля. Стойкость основной футеровки может достигать 100 плавок, стойкость кислой футеровки выше.

Плазменные печи

В плазменных печах источником тепла служит плазма, получаемая с помощью плазмотронов. Подовые плазменно-дуговые печи (ПДП) по конструкции схожи с обычной ДСП. В ПДП катодом дугового разряда постоянного тока служат катоды плазмотронов, анодом – обрабатываемый металл. Дуга в ПДП обдувается потоком инертного газа (обычно аргона). Плазменные высокочастотные печи (ПВП) применяют обычно для выращивания монокристаллов и переработки чистых веществ.